化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的制作方法
【專利摘要】化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，涉及化學(xué)電源領(lǐng)域，由相互附著的石墨烯導(dǎo)電層和隔膜層構(gòu)成或者由依次附著的石墨烯導(dǎo)電層、隔膜層和石墨烯導(dǎo)電層構(gòu)成；石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm～10mm，孔徑為0～1mm，孔隙率為0～80%；隔膜層的厚度為0.3nm～10cm，孔徑為0～100μm，孔隙率為0～80%。該復(fù)合膜可以用于化學(xué)電源，作集流體，或隔膜，或者同時用作集流體和隔膜。具有集流體和隔膜的多種功能，提高石墨烯作為集流體的涂布加工性能，減少集流體在電池中的占重比及占體積比，提高集流體電導(dǎo)率，減小電池內(nèi)阻，從而提高電源的能量密度。同時提高隔膜的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，從而提高電源的安全性能。該復(fù)合膜在動力電源和大型能量存儲電源中顯示了極大的應(yīng)用價值。
【專利說明】化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及化學(xué)電源領(lǐng)域，具體是涉及一種化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)化石能源逐漸枯竭的今天，鋰離子電池，超級電容器，液流電池以及類似工作原理的化學(xué)電源越來越受到重視，已經(jīng)在便攜式電子產(chǎn)品和通訊工具中廣泛應(yīng)用，并逐步用于電動汽車的動力電源和大型能量存儲?？v觀電池各個組成部分近年來的發(fā)展來說，正極，負(fù)極以及電解液方面受到的關(guān)注遠(yuǎn)遠(yuǎn)的多于隔膜層和集流體材料等部分，這導(dǎo)致隔膜和集流體在多年來沒有太多的改變。而作為動力能源，對電池的安全性能及能量密度要求大大提高。作為大型能量存儲，也對電池的安全性，穩(wěn)定性提出了很高的要求。以現(xiàn)階段的鋰離子電池為例，傳統(tǒng)的聚烯烴隔膜用于動力電池時在絕緣性、機(jī)械強(qiáng)度、耐熱性等方面存在缺陷，為安全性能留下隱患。此外，現(xiàn)有鋰離子電池所用集流體為鋁箔和銅箔，以1865140的方形電池為例，集流體在整個電池中的占重比達(dá)20%，占涂布極片的體積比也達(dá)到10%，同時集流體上的氧化物鈍化層也增加了電池的內(nèi)阻。以上都制約了鋰離子電池在動力能源和大型能量存儲方面的發(fā)展。
[0003]近年來，石墨烯材料因為其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能受到了廣泛的關(guān)注。石墨烯材料具有二維的超薄結(jié)構(gòu)，極高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，良好的親油性，極好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)穩(wěn)定性，超強(qiáng)的力學(xué)性能(Science2004，306，666-669)。這些都顯示出了石墨烯材料在儲能領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。同時，對石墨烯進(jìn)行處理也可以增加其傳輸鋰離子的能力(Nanoscale2013, 5,8647-8655),甚至能讓石墨烯對離子有選擇透過性,這更顯示了石墨烯在液流電池中的巨大應(yīng)用潛力(Science2014，343，752-754)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜以及其應(yīng)用。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，由相互附著的石墨烯導(dǎo)電層和隔膜層構(gòu)成；所述石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm?IOmm,孔徑為O?Imm,孔隙率為O?80%;所述隔膜層的厚度為0.3nm?IOcm,孔徑為O?100 μ m,孔隙率為O?80%。
[0006]優(yōu)選的，所述石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成；
[0007]所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種構(gòu)成；或者，所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種膜的改性材料膜構(gòu)成。
[0008]作為化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的另一種替代方案，由依次附著的第一石墨烯導(dǎo)電層、隔膜層和第二石墨烯導(dǎo)電層構(gòu)成；所述第一石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm?10_，孔徑為O?Imm,孔隙率為O?80% ;所述隔膜層的厚度為0.3nm?IOcm,孔徑為O?100 μ m,孔隙率為O?80% ;所述第二石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm?IOmm,孔徑為O?Imm,孔隙率為O?80%。
[0009]優(yōu)選的，所述第一石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述第一石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成；
[0010]所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種構(gòu)成；或者，所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種膜的改性材料膜構(gòu)成。
[0011]所述第二石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述第二石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成；
[0012]上述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，可以用作化學(xué)電源的正極集流體或負(fù)極集流體，也可以用作化學(xué)電源的隔膜，還可以用作化學(xué)電源的集流體和隔膜，所述石墨烯導(dǎo)電層作為化學(xué)電源的集流體，所述隔膜層作為化學(xué)電源的隔膜。
[0013]進(jìn)一步的，所述化學(xué)電源為鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鈉硫電池、超級電容器、燃料電池或液流電池。
[0014]本發(fā)明的化學(xué)電源多功能復(fù)合膜，其有益效果表現(xiàn)在:
[0015]結(jié)合當(dāng)前動力電源和大型能量存儲設(shè)備的發(fā)展要求，針對化學(xué)電源的關(guān)鍵組成部件，選擇石墨烯層和隔膜層組成多層結(jié)構(gòu)的復(fù)合膜，使其具有集流體和隔膜的多種功能，提聞石墨稀作為集流體的涂布加工性能，減少集流體在電池中的占重比及占體積比，提聞集流體電導(dǎo)率，減小電池內(nèi)阻，從而提高電源的能量密度。同時提高隔膜的機(jī)械強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性，從而提高電源的安全性能。該復(fù)合膜在動力電源和大型能量存儲電源中顯示了極大的應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實施例1制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為本發(fā)明實施例4制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3為本發(fā)明實施例6制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】[0019]為進(jìn)一步描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但并不因此將本發(fā)明限制在的實施例范圍之內(nèi)。
[0020]實施例1
[0021]單層多孔石墨烯層和聚乙烯層組成的雙層復(fù)合膜，單層多孔石墨烯層的厚度為
0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為60%。聚乙烯層的厚度為20 μ m，孔徑為25 μ m，孔隙率為40%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池起隔膜作用。
[0022]圖1為實施例1制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的雙層復(fù)合膜包括聚乙烯隔膜層I和單層多孔石墨烯層2。
[0023]實施例2
[0024]單層多孔石墨烯層和聚乙烯層組成的雙層復(fù)合膜，單層多孔石墨烯層的厚度為
0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為60%。聚乙烯層的厚度為20 μ m，孔徑為25 μ m，孔隙率為60%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，多孔石墨烯層起集流體作用，正極漿料涂布于復(fù)合膜多孔石墨烯層一側(cè)，同時復(fù)合膜起隔膜作用。
[0025]實施例3
[0026]單層多孔石墨烯層和聚乙烯層組成的雙層復(fù)合膜，單層多孔石墨烯層的厚度為
0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為20%。聚乙烯層的厚度為20 μ m，孔徑為25 μ m，孔隙率為60%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，多孔石墨烯層起集流體作用，負(fù)極漿料涂布于復(fù)合膜多孔石墨烯層一側(cè)，同時復(fù)合膜起隔膜作用。
[0027]實施例4
[0028]單層多孔石墨烯層，聚乙烯隔膜，單層多孔石墨烯層組成的三層復(fù)合膜，單層多孔石墨烯層的厚度為0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為20%。聚乙烯層的厚度為20 μ m，孔徑為25 μ m,孔隙率為60%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，多孔石墨烯層起集流體作用，正負(fù)極漿料分別涂布于復(fù)合膜的兩側(cè)，同時復(fù)合膜起隔膜作用。
[0029]圖2為實施例4制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的三層復(fù)合膜包括聚乙烯隔膜層I和單層多孔石 墨烯層2。
[0030]實施例5
[0031]單層多孔石墨烯層，聚乙烯隔膜，單層多孔石墨烯層組成的三層復(fù)合膜，單層多孔石墨烯層的厚度為0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為20%。聚乙烯層的厚度為20 μ m，孔徑為25 μ m，孔隙率為60%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，復(fù)合膜起隔膜作用。
[0032]實施例6
[0033]單層多孔石墨烯層，聚乙烯隔膜，單層多孔石墨烯層組成的三層復(fù)合膜，一側(cè)單層多孔石墨烯層的厚度為0.3411!11，孔徑為511111，孔隙率為20(%。另一側(cè)單層多孔石墨烯層的厚度為0.34nm,孔徑為10nm，孔隙率為25%。聚乙烯層的厚度為20 μ m,孔徑為25 μ m,孔隙率為60%。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，多孔石墨烯層起集流體作用，正極漿料涂布于20%孔隙率的多孔石墨烯層，同時復(fù)合膜起隔膜作用。
[0034]圖3為實施例6制備的復(fù)合膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中的三層復(fù)合膜包括聚乙烯隔膜層1、20%孔隙率的單層多孔石墨烯層2和25%孔隙率的單層多孔石墨烯層3。
[0035]實施例7
[0036]單層多孔石墨烯層，聚乙烯隔膜，單層多孔石墨烯層組成的三層復(fù)合膜，一側(cè)單層多孔石墨烯層的厚度為0.34nm，孔徑為5nm，孔隙率為20%。另一側(cè)單層多孔石墨烯層的厚度為0.34，孔徑為10nm，孔隙率為25%。聚乙烯層的厚度為20 μ m,孔徑為25 μ m,孔隙率為60 %。該復(fù)合膜用于鋰離子電池，多孔石墨烯層起集流體作用，正極漿料涂布于20 %孔隙率的多孔石墨烯層，負(fù)極漿料涂布于25%孔隙率的多孔石墨烯層，同時復(fù)合膜起隔膜作用。
[0037]實施例8
[0038]石墨烯層和全氟磺酸樹脂組成的三層復(fù)合膜，兩側(cè)的石墨烯層的厚度為0.34nm,無孔隙。中間的全氟磺酸樹脂，厚度為ΙΟΟμπι，無孔隙。該復(fù)合膜用于燃料電池，復(fù)合膜起隔膜作用和集流體作用。
[0039]實施例9
[0040]多孔石墨烯紙和纖維素膜組成的雙層復(fù)合膜，多孔石墨烯紙厚度為lOOnm，孔徑為50nm,孔隙率為60 %。纖維素膜厚度為30 μ m,孔徑為20 μ m,孔隙率為30 %。該復(fù)合膜用于超級電容器，復(fù)合膜起隔膜作用。
[0041]實施例10
[0042]單層多孔石墨烯層和氧化鋁陶瓷層組成的雙層復(fù)合膜，石墨烯層的厚度為
0.34nm，孔徑為2nm，孔隙率為30%。氧化鋁陶瓷層厚度為20 μ m，無孔隙。該復(fù)合膜用于鈉硫電池，復(fù)合膜起隔膜作用和集流體作用。
[0043]以上內(nèi)容僅僅是對本發(fā)明的構(gòu)思所作的舉例和說明，所屬本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離發(fā)明的構(gòu)思或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，其特征在于:由相互附著的石墨烯導(dǎo)電層和隔膜層構(gòu)成；所述石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm~IOmm,孔徑為O~Imm,孔隙率為O~80% ;所述隔膜層的厚度為0.3nm~10cm，孔徑為O~100 μ m，孔隙率為O~80%。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，其特征在于: 所述石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成； 所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種構(gòu)成；或者，所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹月旨、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種膜的改性材料膜構(gòu)成。
3.一種化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，其特征在于:由依次附著的第一石墨烯導(dǎo)電層、隔膜層和第二石墨烯導(dǎo)電層構(gòu)成；所述第一石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm~10mm，孔徑為O~Imm,孔隙率為O~80% ;所述隔膜層的厚度為0.3nm~IOcm,孔徑為O~100 μ m,孔隙率為O~80% ;所述第二石墨烯導(dǎo)電層的厚度為0.3nm~IOmm,孔徑為O~Imm,孔隙率為O~80%。
4.根據(jù)權(quán)利 要求3所述的化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜，其特征在于: 所述第一石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述第一石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成； 所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹脂、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種構(gòu)成；或者，所述隔膜層由聚乙烯膜、聚丙烯膜、聚四氟乙烯膜、聚偏氟乙烯膜、無機(jī)陶瓷膜、紙隔膜、無紡布隔膜、生物膜、陶瓷管、固態(tài)電解質(zhì)、全氟磺酸樹月旨、石棉膜、碳化硅膜、鋁酸鋰膜、陶瓷管、Nafion膜中的一種膜的改性材料膜構(gòu)成。 所述第二石墨烯導(dǎo)電層由單層石墨烯、單層還原氧化石墨烯、石墨烯紙、還原氧化石墨烯紙、單層多孔石墨烯、單層多孔還原氧化石墨烯、多孔石墨烯紙、多孔還原氧化石墨烯紙中的一種構(gòu)成；或者，所述第二石墨烯導(dǎo)電層由石墨烯或者還原氧化石墨烯所構(gòu)成的膜、骨架、凝膠中的一種構(gòu)成。
5.一種如權(quán)利要求1~4任一項所述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，其特征在于:用作化學(xué)電源的正極集流體或負(fù)極集流體。
6.一種如權(quán)利要求1~4任一項所述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，其特征在于:用作化學(xué)電源的隔膜。
7.—種如權(quán)利要求1或2所述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，其特征在于:用作化學(xué)電源的集流體和隔膜，所述石墨烯導(dǎo)電層作為化學(xué)電源的集流體，所述隔膜層作為化學(xué)電源的隔膜。
8.—種如權(quán)利要求3或4所述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，其特征在于:用作化學(xué)電源的集流體和隔膜，所述第一石墨烯導(dǎo)電層、第二石墨烯導(dǎo)電層作為化學(xué)電源的集流體，所述隔膜層作為化學(xué)電源的隔膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求5~8任一項所述化學(xué)電源用多功能復(fù)合膜的應(yīng)用，其特征在于:所述化學(xué)電源為鋰離子電池、鈉離子電池、鋰硫電池、鈉硫電池、超級電容器、燃料電池或液流電池。
【文檔編號】B32B9/06GK103950239SQ201410168155
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】馬元 申請人:合肥國軒高科動力能源股份公司