一種制備石墨烯基底電極及電池和超級電容器的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種獨立式柔性能量儲存裝置，例如，電池、超級電容器等，特別是涉及一種制造所述裝置的電極材料及制造所述電子材料的方法，本發(fā)明特別涉及一種電池和超級電容器，所述電池和超級電容器包括由碳薄膜材料石墨烯構(gòu)成的類紙?zhí)茧姌O材料構(gòu)成。
【背景技術(shù)】
[0002]為了增加具有改進(jìn)功能的多功能智能電子產(chǎn)品(例如:可卷曲顯示器、電子紡織品、可穿戴產(chǎn)品、印刷電路板及能夠被彎曲的其他電子產(chǎn)品)的利潤并促進(jìn)其市場滲透，必須開發(fā)出一種具有改進(jìn)了可折疊性、可整合性的柔性能量儲存系統(tǒng)。近年來，人們在利用更輕的柔性材料取代傳統(tǒng)電池和超級電容器的呆板的金屬襯底和包裝方面成績斐然。然而，傳統(tǒng)電池、超級電容器的幾何形狀仍太過于笨重，值得信賴的完全可整合的能量儲存系統(tǒng)還沒有得到廣泛應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)階段將碳納米材料加入電子元件中是一種引人注目的使能量儲存裝置可柔性的途徑，這些碳納米材料包括:碳納米管、石墨烯及導(dǎo)電聚合物等。特別是石墨烯，石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維單層平面薄膜，已經(jīng)被證明是一種理想的電池和超級電容器的電荷儲存材料和導(dǎo)電添加劑。石墨烯表現(xiàn)出其超過其他碳的同素異形體更好的離子傳導(dǎo)能力，這還要歸功于其具有極大的比表面積，除此之外，石墨烯還具有優(yōu)越的機(jī)械穩(wěn)定性和整體性，這使得石墨烯薄膜不需要襯底和聚合物粘合劑支撐或接合；石墨烯所具有高的導(dǎo)電能性和穩(wěn)定性允許工程上制造柔性的電池或超級電容器而不會犧牲電池或超級電容器的充電放電率也不會減少其循環(huán)使用壽命，而且，去掉了負(fù)極襯底和添加劑這使得設(shè)計出更輕薄電能輸出更高的產(chǎn)品具有潛在可能性。
[0004]制造石墨烯基底電極，之前的工作主要涉及制備石墨烯基底薄膜或者敷形涂料通過過濾或者濕法沉積石墨烯納米片、氧化石墨烯粉末、還原氧化石墨烯納米片，之后通過干燥或還原處理最終將氧化石墨烯轉(zhuǎn)化成石墨烯。該電極之后同聚合物隔板疊加一起加入常規(guī)電池或超級電容器中。最近一項研究將石墨烯墨汁的浸途在多孔的纖維薄膜或紡織物上，這直接達(dá)成了電子材料和隔板的組裝。這個方法制備出可以用于可穿戴電子產(chǎn)品或能量儲存裝置中的可集成、可拉伸的類紙超級電容器。
[0005]然而，通過上述的方法還原氧化石墨烯前體物或者剝離石墨片所得到的不連續(xù)的石墨烯片不僅機(jī)械強度差，導(dǎo)電率低，而且其具有較強的趨向性即各向異性、品質(zhì)形態(tài)難以控制等缺點；這些特征反過來影響了電荷存儲和使用率；進(jìn)一步的，化學(xué)還原反應(yīng)并不能完全還原氧化石墨烯，該過程中會產(chǎn)生導(dǎo)致導(dǎo)電性能減低從而會減少電極材料使用壽命的氧化石墨烯殘留物，而且，通過“滴和干燥”的方法生產(chǎn)類紙超級電容器和或電池電極必需用到具有超級吸收性能的膜材料，例如:棉片，而這種材料易于老化和氧化因此禁止在電化學(xué)系統(tǒng)中實際使用。因此，這些裝置設(shè)計不能全面滿足安全需要，不能在實際生產(chǎn)中應(yīng)用，因此，基于以上原因，需要開發(fā)出一種安全的可替代技術(shù)來制備應(yīng)用在柔性能量存儲系統(tǒng)中的石墨烯電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的首要目的是提供一種制備該類紙電極材料的方法及其在柔性能量存儲系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明另外提供一種柔性獨立式類紙能量存儲裝置的方法，該裝置包括電池或超級電容器。
[0008]本發(fā)明目的是通過以下途徑實現(xiàn)的:
[0009]因此，本發(fā)明一方面涉及改進(jìn)的電池和超級電容器的電極和電極材料。在本發(fā)明的一具體實施例中提供所述的電極材料；同時，在本發(fā)明的另一實施例中提供一種應(yīng)用該電極材料的電極及具有一個或多個該電極的電池或超級電容器。在本發(fā)明的一具體實施例中提供一種改進(jìn)的柔性類紙電極，該電極應(yīng)用于超級電容器、鋰離子二次電池和鋰空氣二次電池。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備石墨烯基底電極的方法，所述方法包括步驟如下:a.在第一襯底上形成第一石墨烯薄膜；b.在第二襯底上形成第二石墨烯薄膜在所述第二石墨烯薄膜上應(yīng)用抗腐蝕復(fù)合物，覆蓋第二石墨烯薄膜形成抗腐蝕涂層；d.干燥所述抗腐蝕劑涂層；e.去除所述第二襯底；f.將所述第二石墨烯薄膜置于所述第一石墨烯薄膜層上并與其接觸形成石墨烯薄膜疊加層；g.從所述石墨烯薄膜疊加層上去除所述抗腐蝕涂層；h.重復(fù)步驟b_g，在疊加層上進(jìn)一步疊加石墨烯薄膜直至獲得需要的石墨烯薄膜疊加層厚度；1.從所述的石墨烯薄膜疊加層底部去除所述第一襯底，形成所述電極。
[0011]優(yōu)選的，所述步驟在第一襯底上形成第一石墨烯薄膜之后進(jìn)一步包括在所述第一石墨烯薄膜上沉積至少一層電化學(xué)活性材料。
[0012]優(yōu)選的，所述步驟在第二襯底上形成第二石墨烯薄膜之后進(jìn)一步包括在所述第二石墨烯薄膜上沉積至少一層電化學(xué)活性材料。
[0013]優(yōu)選的，所述沉積步驟之后包括干燥步驟。
[0014]優(yōu)選的，所述電化學(xué)活性材料選自鋰金屬氧化物、鋰金屬磷酸鹽。
[0015]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備超級電容器的方法，包括步驟如下，形成兩個電極，所述電極是根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制成的；將所述電極其中一個轉(zhuǎn)移到隔離器的其中一個表面上；將所述的電極另一個轉(zhuǎn)移到隔離器的另一個表面上。
[0016]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備鋰空氣二次電池的方法，包括如下步驟:使用權(quán)利要求1所述的方法提供一電極；將所述形成的電極轉(zhuǎn)移到隔離器的一個表面上形成電池正極；連接一鋰金屬箔負(fù)極到所述隔離器的另一個表面。
[0017]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備鋰離子二次電池的方法，包括步驟如下:根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備第一電極；將所述第一電極轉(zhuǎn)移到一隔離器的表面形成電池負(fù)極；根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備第二電極；將所述第二電極轉(zhuǎn)移到所述隔離器的另一個表面形成電池正極。
[0018]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備鋰鐵二次電池的方法，包括步驟如下:根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備一電極；將所述電極轉(zhuǎn)移到一隔離器的表面形成電池負(fù)極；將涂覆有電化學(xué)活性材料的鋁集流體連接到所述隔離器的另一個表面形成電池正極。
[0019]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，一種制備鋰離子二次電池的方法，包括步驟如下:根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法制備一電極；將所述電極轉(zhuǎn)移到一隔離器的表面形成電池正極；將涂覆有單層碳材料、金屬氧化物材料、導(dǎo)電聚合物材料、合金粉末材料的銅集流體連接到所述隔離器的另一個表面形成電池負(fù)極。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于，通過建造結(jié)構(gòu)化學(xué)表面及所使用的石墨烯薄膜層數(shù)等可以使得本發(fā)明的電極及柔性能量存儲裝置在良好控制方式下其電化學(xué)表現(xiàn)更加理想，其能夠用于制造可充分地彎曲、拉伸的電池和超級電容器。
[0021 ] 本發(fā)明的又一特征是，本發(fā)明的電極材料完全不