含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電化學(xué)裝置，尤指一種包含有石墨烯的電化學(xué)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]單層石墨，又稱(chēng)為石墨烯(graphene),是一種由單層碳原子以石墨鍵(sp2)緊密堆積成二維蜂窩狀的晶格結(jié)構(gòu)，因此僅有一個(gè)碳原子的厚度，石墨鍵為共價(jià)鍵與金屬鍵的復(fù)合鍵，可說(shuō)是絕緣體與導(dǎo)電體的天作之合。2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)Andre Geim與Konstantin Novoselov成功利用膠帶剝離石墨的方式,證實(shí)可得到單層的石墨烯，并獲得2010年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。
[0003]石墨烯是目前世界上最薄也是最堅(jiān)硬的材料，導(dǎo)熱系數(shù)高于奈米碳管與金剛石，常溫下其電子遷移率亦比奈米碳管或硅晶體高，電阻率比銅或銀更低，是目前世界上電阻率最小的材料，這些獨(dú)特的電荷機(jī)械性質(zhì)使得加入石墨烯的復(fù)合材料更多功能化，不但表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)及電學(xué)性能，還具有優(yōu)良的加工性能，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。但是結(jié)構(gòu)完整的石墨烯是由不含任何不穩(wěn)定鍵的苯六元環(huán)組合而成的二維晶體，化學(xué)穩(wěn)定性高，其表面呈惰性狀態(tài)，與其它介質(zhì)(如溶劑等)相互作用較弱，且石墨烯的片與片之間存在較強(qiáng)的凡得瓦力，容易產(chǎn)生團(tuán)聚，使其難溶于水以及其它常用的有機(jī)溶劑，更難與其它材料摻混形成復(fù)合材料，因而大大限制了石墨烯的進(jìn)一步研究與應(yīng)用，過(guò)去多以其它石墨類(lèi)或碳類(lèi)材料作為復(fù)合材料應(yīng)用。
[0004]美國(guó)專(zhuān)利US20090325071揭露一種陽(yáng)極具有石墨烯作為其電流收集層的鋰離子電化學(xué)裝置，此裝置包含正極、負(fù)極以及電解液。其電化學(xué)裝置的陽(yáng)極以金屬(銅、鎳或不銹鋼)箔片作為電流收集層的基材，以化學(xué)氣相沉積法(CVD)于金屬箔片上沉積石墨烯層，形成陽(yáng)極電流收集層。此專(zhuān)利的金屬箔片其厚度為lOnm-lOum，其化學(xué)氣相沉積的溫度為300。。?600。。。
[0005]美國(guó)專(zhuān)利US20130095389揭露一種其正極和負(fù)極電流收集層皆具有石墨烯層的電化學(xué)裝置，此裝置包含正極電流收集層、正極活性材料、電解液、負(fù)極活性材料和負(fù)極電流收集層。此裝置的正極電流收集層，其基材為15um的鋁箔；負(fù)極電流收集層，其基材為1um的銅箔。此專(zhuān)利以噴涂的方式，將石墨烯噴涂于金屬箔片上，形成具有石墨烯層為Ium的電流收集層，再于具有石墨烯層的電流收集層上，涂布正極和負(fù)極活性材料。此專(zhuān)利中指出，具有石墨烯層的電流收集層，其電化學(xué)裝置的能量密度將有所增加，并且于大量制造時(shí)可降低其成本。
[0006]前述的現(xiàn)有技術(shù)中皆著眼于改善電化學(xué)裝置中的電流收集層，藉由石墨烯層的加入增進(jìn)電流收集層的導(dǎo)電性，然而電化學(xué)裝置的效率瓶頸通常為正負(fù)極材料導(dǎo)電性不佳，以及各結(jié)構(gòu)層之間的兼容性不佳導(dǎo)致界面電阻過(guò)高因而影響電化學(xué)裝置的表現(xiàn)，真正要改善電化學(xué)裝置的效率瓶頸，應(yīng)從上述兩處著手。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的主要目的在于提供一種含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)，以作為形成電池/電容器的前軀體，該含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)包含正極電流收集層、正極活性物質(zhì)層、負(fù)極電流收集層、負(fù)極活性物質(zhì)層，以及隔離膜。正/負(fù)極活性物質(zhì)層分別形成在正/負(fù)極電流收集層上，并反向設(shè)置，在中間以隔離膜隔離，正/負(fù)極電流收集層都還有一金屬箔基層及一石墨烯導(dǎo)電層，石墨烯導(dǎo)電層包含多個(gè)石墨烯片及一高分子黏結(jié)劑，藉由高分子黏結(jié)劑將所述石墨烯片黏附于該金屬箔基層上。
[0008]正/負(fù)極活性物質(zhì)層包含多個(gè)第二石墨烯片及多個(gè)正/負(fù)極活性粒子，所述第二石墨烯片及多個(gè)正/負(fù)極活性粒子利用高分子黏結(jié)劑而黏附于該石墨烯導(dǎo)電層上，且第二石墨烯片摻雜于所述正/負(fù)極活性粒子之間。
[0009]藉由添加石墨烯于石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)，不僅使正負(fù)極活性材料的導(dǎo)電性增力口，其電流收集層因具有石墨烯層，使得正負(fù)極活性材料與金屬箔片之間的兼容性提高，其界面電阻值降低，形成一完整的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且電化學(xué)裝置的組件性能可大幅提升。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本發(fā)明含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。
[0011]圖2為本發(fā)明正/負(fù)極電流收集層的剖面示意圖。
[0012]圖3為本發(fā)明第一 /第二石墨烯導(dǎo)電層的俯視示意圖。
[0013]圖4為本發(fā)明正/負(fù)極活性物質(zhì)層的俯視示意圖。
[0014]其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下:
[0015]I 含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)
[0016]10正極電流收集層
[0017]11第一金屬箔基層
[0018]13第一石墨烯導(dǎo)電層
[0019]20正極活性物質(zhì)層
[0020]30負(fù)極電流收集層
[0021]31第二金屬箔基層
[0022]33第二石墨烯導(dǎo)電層
[0023]40負(fù)極活性物質(zhì)層
[0024]50隔離膜
[0025]61第一石墨烯片
[0026]62第三石墨烯片
[0027]63第三石墨烯片
[0028]64第四石墨烯片
[0029]65第一高分子黏結(jié)劑
[0030]67第一高分子黏結(jié)劑
[0031]70正極活性粒子
[0032]80負(fù)極活性粒子
【具體實(shí)施方式】
[0033]以下配合附圖及附圖標(biāo)記對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做更詳細(xì)的說(shuō)明，使熟習(xí)本領(lǐng)域的技術(shù)人員在研讀本說(shuō)明書(shū)后能據(jù)以實(shí)施。
[0034]參考圖1，本發(fā)明含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。如圖1所示，本發(fā)明含石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)I包含正極電流收集層10、正極活性物質(zhì)層20、負(fù)極電流收集層30、負(fù)極活性物質(zhì)層40，以及隔離膜50。正極活性物質(zhì)層20堆棧在正極電流收集層10上，隔離膜50堆棧在正極活性物質(zhì)層20上，負(fù)極活性物質(zhì)層40堆棧在隔離膜50上，而負(fù)極電流收集層30堆棧在負(fù)極活性物質(zhì)層40，在整體結(jié)構(gòu)上，正極電流收集層10及正極活性物質(zhì)層20以隔離膜50與負(fù)極電流收集層30及負(fù)極活性物質(zhì)層40呈鏡射對(duì)稱(chēng)。
[0035]參考圖2，本發(fā)明正/負(fù)極電流收集層的剖面示意圖。如圖2所示，石墨烯的電化學(xué)裝置結(jié)構(gòu)I中的正極電流收集層10包含一第一金屬箔基層11及第一石墨烯導(dǎo)電層13，第一石墨烯導(dǎo)電層13堆棧在第一金屬箔基層11上，而負(fù)極電流收集層30包含一第二金屬箔基層31及第二石墨烯導(dǎo)電層33，第二石墨烯導(dǎo)電層33堆棧在第二金屬箔基層31上，其中正極電流收集層10形成有該第一石墨烯導(dǎo)電層13的表面，面對(duì)該負(fù)極電流收集層30形成有該第二石墨烯導(dǎo)電層33的表面，使正負(fù)極呈反向排列，其中第一石墨烯導(dǎo)電層13及第二石墨烯導(dǎo)電層33的厚度小于5um。進(jìn)一步地，參考圖3，第一 /第二石墨烯導(dǎo)電層的俯視示意圖，如圖3所示，第一石墨烯導(dǎo)電層13及第二石墨烯導(dǎo)電層33分別包含多個(gè)第一 /第二石墨烯片61 / 63及一第一 /第二高分子黏結(jié)劑65 / 67，同時(shí)參考圖2，多個(gè)石墨烯片60藉由高分子黏結(jié)劑65黏附于第一金屬箔基層11或第二金屬箔基層31的一表面上,所述石墨烯片60呈片狀,厚度為I?50nm,且平面橫向尺寸為Ium?50um,而高分子黏結(jié)劑65的厚度聞?dòng)谒鍪∑?0。
[0036]第一金屬箔基層11及第二金屬箔基層31為鋁、銅、鈦、鎳、鈷、錳及不銹鋼中的至少其中之一所制成的金屬箔。該第一 /第二高分子黏結(jié)劑65 / 57選自聚偏氟乙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙烯酯、聚氨酯、聚氧化乙烯、聚丙烯腈、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯吡咯烷酮、聚四甘醇二丙烯酸酯、聚酰亞胺、醋酸纖維素、醋酸丁酸纖維素、醋酸丙酸纖維素、乙基纖維素、氰乙基纖維素、氰乙基聚乙烯醇及羧甲基纖維素的至少其中之一。在與電解液接觸時(shí)，該第一 /第二高分子黏結(jié)劑65 / 67呈現(xiàn)膠態(tài)。進(jìn)一步地，該第一 /第二高分子黏結(jié)劑65 / 67進(jìn)一步包含熱固性樹(shù)酯或光固樹(shù)脂的其中之一，該熱固性樹(shù)酯或光固樹(shù)脂至少包含環(huán)氧樹(shù)酯與酚醛樹(shù)酯的其中之一，藉此提升第一 /第二金屬箔基層11 / 31與第一 /第二石墨烯導(dǎo)電層13 / 33的附著性。
[0037]參考圖4,本發(fā)明正/負(fù)極活性物質(zhì)層的俯視示意圖。如圖4所示,本發(fā)明正極活性物質(zhì)層20包含多個(gè)第三石墨烯片62及多個(gè)正極活性粒子70，所述第三石墨烯片62及多個(gè)正極活性粒子70利用一第一高分子黏結(jié)劑65而黏附于該第一石墨烯導(dǎo)電層13之上，其中該第一高分子黏結(jié)劑65可以從第一石墨烯導(dǎo)電層13中溢出，或是額外施加于該第一石墨烯導(dǎo)電層13的表面，所述第三石墨烯片62摻雜于所述正極活性粒子70之間，且厚度為I?50nm,且平面橫向尺寸為Ium?50um,所述正極活性粒子70為鋰金屬化合物、金屬氧化物或活性碳，該金屬氧化物包含氧化錳化合物與氧化釕化合物的至少其中之一，其中所述第三石墨烯片62相對(duì)于所述正極活性粒子70的重量比小于10wt%。
[0038]相似地，負(fù)極活性物質(zhì)層40包含多個(gè)第四石墨烯片64及多個(gè)負(fù)極活性粒子80，所述第四石墨烯片64及多個(gè)負(fù)極活性粒子80利用第二高分子黏結(jié)劑67而黏附于該第二石墨烯導(dǎo)電層33之上，其中該第二高分子黏結(jié)劑67可以從第二石墨烯導(dǎo)電層33中溢出，或是額外施加于該第二石墨烯導(dǎo)電層33的表面，所述第四石墨烯片64摻雜于所述負(fù)極活性粒子80之間，且厚度為I?50nm,且平面橫向尺寸為Ium?50um,所述負(fù)極活性粒子80為石墨、中間相碳微球、硅、氧化錫或活性碳的至少其中之一。所述第四石墨烯片64相對(duì)于所述負(fù)極活性粒子80的重量比小于50