石墨烯鋰離子電容器的制造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種石墨稀鋰離子電容器，其通過使用石墨稀材料而表現出高能量和高輸出性能。
【背景技術】
[0002]電容器是指通過預先儲電而可以充入預定電容的電子器件。現存多種電容器，不過特別的是，將電容器的各性能中使電容性能得到強力加強的電容器稱為超級電容器。對超級電容器已經進行了持續的研宄，并且已經報道了多種超級電容器。
[0003]現有鋰離子電容器包括用于電雙層電容器(EDLC)的陽極(cathode)和用于鋰二次電池的陰極(anode)，并具有高工作電壓和大電容的特性。因此，已知的是，與電雙層電容器相比，鋰離子電容器的能量密度優異。
[0004]不過，已知鋰離子電容器具有以下問題。
[0005]首先，鋰離子電容器的能量密度特性大部分依賴于額定電壓和額定下限電壓條件下陽極的比電容，而且應用為鋰離子電容器陽極材料的活性炭材料的比電容有限制(至多為約100F/g)，由此限制了鋰離子電容器的能量密度特性的改善。
[0006]其次，鋰離子電容器的輸出密度受陽極和陰極中輸出特性相對較差的電極的限制，并且應用為陰極材料的石墨材料顯示出相對較低的輸出特性，由此限制了鋰離子電容器整體的輸出密度的改善。
[0007]這些問題由于鋰離子電容器中使用的活性炭材料和石墨材料的特性而出現，由此，只要使用相同材料作為鋰離子電容器用材料，這些問題就是難以克服的。因此，已經持續研宄了各種嘗試以克服鋰離子電容器的上述問題。
【發明內容】
[0008]因此，本發明的一個目的在于提出一種電容器，其結構與現有技術的電容器不同。
[0009]本發明的另一目的在于提出一種電容器，其能量密度由于提供了比現有技術的電容器更大的比表面積而得到改善。
[0010]為實現這些和其他優勢并根據本發明的目的，如本文實施并廣義描述的，本發明的一個示例性實施方式提供了一種石墨烯鋰離子電容器，其包括:部分或全部由石墨烯材料形成的陽極和陰極；鋰犧牲電極，其與陰極電連接以向該陰極提供預摻雜的鋰離子；位于陽極和陰極之間的分離膜(separator);和以離解為離子的狀態與陽極和陰極結合的電解質，以在陽極和陰極之間流過電流，其中，該陰極由多層結構形成以將由鋰犧牲電極提供的鋰離子吸附至其表面，并容納插入在石墨烯層之間的鋰離子，并且所述表面和所述多層結構的至少一部分通過與鋰離子反應而由鋰碳化物形成。
[0011]根據本發明涉及的一個示例性實施方式，陰極可以通過層疊2?500層的石墨烯層形成，以形成所述多層結構。
[0012]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陰極可以由其中石墨烯材料與異質材料混合的復合材料形成，并且該異質材料可以是選自由以下材料組成的組中的至少一種:a)與鋰離子反應形成鋰金屬合金的金屬材料；b)與鋰離子反應形成鋰金屬氧化物的金屬氧化物；c)與鋰離子反應形成鋰硫化物的硫化物；和d)與鋰離子反應形成鋰氮化物的氮化物。
[0013]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，鋰犧牲電極可以與陰極的石墨烯材料電連接以形成原電池，并且可以通過電化學反應離解為鋰離子，以向該陰極提供預摻雜的鋰離子。
[0014]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，鋰犧牲電極可以與陰極的石墨烯材料電連接，并且可以通過外部施加的電壓和電流而離解為鋰離子，以向該陰極提供預摻雜的鋰離子。
[0015]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，鋰犧牲電極可以通過相比于電容器的其他區域在該鋰犧牲電極局部形成的高溫環境而離解為鋰離子，以向該陰極提供預摻雜的鋰離子。
[0016]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，鋰犧牲電極可以借助注入電容器的增溶劑而離解為鋰離子，以向陰極提供預摻雜的鋰離子，并且該增溶劑可以由向鋰離子提供電子的有機分子構成。
[0017]增溶劑可以是選自由以下化合物組成的組中的單分子化合物或其組合:a)包含C、N、O、S1、P或S異質元素的5元或6元單環化合物；b)環中至少兩個環彼此連接的多環化合物；和c)環中至少兩個環共用至少一個元素的多環化合物。
[0018]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以由比表面積為100m2/g以上的石墨稀材料形成。
[0019]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極的至少一部分可以以起皺或折皺的形式形成，以防止比表面積由于石墨烯層的再層疊而降低。
[0020]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以包括在石墨烯層之間插入的間隔物(spacer)以防止比表面積由于石墨烯層的再層疊而降低，并且該間隔物可以由碳材料形成，以保持陽極的導電性同時防止石墨烯層再層疊。
[0021]間隔物可以是選自由碳納米管、碳納米纖維和炭黑組成的組中的至少一種。
[0022]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以經暴露于氧、二氧化碳或蒸汽的過程形成，以進一步包含增大石墨烯的比表面積的孔。
[0023]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以經與酸、堿和金屬鹽的任一種的化學反應形成，以進一步包含增大石墨烯的比表面積的孔，并且該酸、堿和金屬鹽可以包括 H3P04、KOH、NaOH, K2CO3> Na2CO3> ZnCl2、AlCl3和 MgCl 2。
[0024]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以通過使用異質材料摻雜石墨烯而形成，以改善與離解進入電解質的離子的反應性，并且該異質材料可以是選自由氮、硫、氧、硅和硼組成的組中的至少一種。
[0025]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極可以其中將石墨烯材料與異質材料混合的復合材料形成，以由于與離解進入電解質的離子的氧化還原反應而改善比電容，并且該異質材料可以是選自由金屬氧化物、硫化物、氮化物、MPO4(此處M為過渡金屬)和硫屬元素材料組成的組中的至少一種。
[0026]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極和陰極中的至少一個可以包含:被形成為使石墨烯層彼此附著的粘合劑；和被形成為限制由粘合劑所致的導電性損失的導電材料。
[0027]粘合劑可以包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)和苯乙烯-丁二烯(SBR)。
[0028]導電材料可以包括炭黑和氣相生長的碳纖維(VGCF)。
[0029]陽極和陰極中的至少一個包含粘合劑和導電材料，其可以通過以漿體形式混合石墨稀材料、粘合劑和導電材料并使用該楽.體涂布集電體而形成。
[0030]陽極和陰極中的至少一個包含粘合劑和導電材料，其可以通過混合石墨烯材料、粘合劑和導電材料形成膏狀捏合片并將該膏狀捏合片附著至集電體而形成。
[0031]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，電解質可以通過將鋰鹽溶解在有機溶劑中而形成。
[0032]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，電解質可以通過將鋰鹽溶解在離子液體中而形成。
[0033]根據本發明涉及的另一示例性實施方式，陽極和陰極的重量比可以是0.5?5。
[0034]根據具有上述構造的本發明，通過層疊石墨烯層形成的具有多層結構的陰極可以改善電容器的輸出特性。具有多層結構的石墨烯陰極由于大的比表面積而充分包含可與鋰離子反應的反應位點。另外，當鋰離子插入石墨稀材料或從石墨稀材料中脫附時，可以改善陰極的輸出特性，這是因為鋰離子的擴散距離與現有技術中結構的距離相比可以縮短。
[0035]另外，通過甚至對陽極應用石墨烯材料，本發明可以提供這樣的電容器，其中能量密度與現有技術的結構相比改善。石墨稀的理論比表面積為2.675m2/g，當該理論比表面積得到完全利用時，理論上可以實施550F/g以上的電雙層比電容。因此，當在陽極中使用石墨烯材料時，可以理論上提供具有500F/g以上的高比電容特性的電容器。
[0036]此外，在本發明中的石墨烯的電導率為約2x 102S/m，其幾乎與石墨的電導率相似，因而在碳類材料中具有非常高的值。因此，即使當不使用導電材料或使用非常少量的導電材料時，也可以提供具有充分高的比電容的電容器。
【附圖說明】
[0037]圖1是本發明一個示例性實施方式涉及的的石墨烯鋰電池電容器的概念圖，其圖示了預摻雜鋰離子之前的狀態；
[0038]圖2是圖示了圖1所示的石墨烯鋰離子電容器在預摻雜鋰離子后的狀態的概念圖；
[0039]圖3是可確認本發明提出的石墨烯鋰離子電容器的性能的電容量-電極電勢圖；
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