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一種石墨烯鋰電池的制作方法

文檔序號(hào):12838614閱讀:413來源:國(guó)知局
一種石墨烯鋰電池的制作方法與工藝

本實(shí)用新型涉及電池領(lǐng)域,尤其涉及的是,一種石墨烯鋰電池。



背景技術(shù):

鋰電池是采用了金屬鋰或其化合物的電池,在電池的正極、負(fù)極或電解質(zhì)中采用了金屬鋰或其化合物,具有高儲(chǔ)存能量密度,已達(dá)到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;鋰電池通常包括鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,小型化的設(shè)備日益增多,對(duì)電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進(jìn)入了大規(guī)模的實(shí)用階段。

石墨烯(Graphene)是一種納米數(shù)量級(jí)的材料,具有高強(qiáng)度、高彈性和高導(dǎo)電性等性質(zhì),石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體,呈六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。

石墨烯既是最薄的材料,也是最強(qiáng)韌的材料,同等條件下斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料。石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料,它幾乎完全透明只吸收2.3%的光,導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K,高于碳納米管和金剛石,常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s,又比納米碳管或硅晶體高,而電阻率比銅或銀更低,為世上電阻率最小的材料。

但是,如何更好地利用石墨烯結(jié)合應(yīng)用于鋰電池,是需要解決的技術(shù)問題。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種新的石墨烯鋰電池。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:一種石墨烯鋰電池,其包括殼體與電芯;所述殼體內(nèi)部設(shè)有腔體,所述殼體的壁部向所述腔體凸設(shè)有若干條體,所述條體具有形變部;所述殼體上穿設(shè)有相互絕緣的正極耳與負(fù)極耳;所述電芯容置于所述腔體,并與至少一所述條體相接觸以使所述條體的所述形變部發(fā)生形變,所述電芯具有正電極與負(fù)電極,所述正電極與所述正極耳連接,所述負(fù)電極與所述負(fù)極耳連接;所述正電極具有正電極片,所述正電極片上設(shè)置石墨烯材料。

優(yōu)選的,所述正電極片具有長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的,所述正電極片具有磷酸鐵鋰片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。

優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。

優(yōu)選的,所述正電極片具有鋰鎳鈷錳片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。

優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述鋰鎳鈷錳片體。

優(yōu)選的,所述正電極片具有鈷酸鋰片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。

優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述鈷酸鋰片體。

優(yōu)選的,所述正電極片具有錳酸鋰片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。

優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述錳酸鋰片體。

采用上述方案,本實(shí)用新型提出了正電極片上設(shè)置石墨烯材料的石墨烯鋰電池技術(shù),并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)殼體,電芯在安裝時(shí)條體的形變部發(fā)生形變,使得電芯更容易安裝,且固定效果更好。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型一實(shí)施例的外形結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型又一實(shí)施例的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本實(shí)用新型又一實(shí)施例的殼體的壁部的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實(shí)用新型又一實(shí)施例的殼體的條體的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實(shí)用新型又一實(shí)施例的殼體的條體的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例,對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明,下面的實(shí)施例可以組合使用,并且,本實(shí)用新型可利用各種形式來實(shí)現(xiàn),不限于本說明書所描述各個(gè)具體的實(shí)施例,提供這些實(shí)施例的目的是對(duì)本實(shí)用新型的公開內(nèi)容更加透徹全面地便于理解。進(jìn)一步需要說明的是,當(dāng)某一結(jié)構(gòu)固定于另一個(gè)結(jié)構(gòu),包括將該結(jié)構(gòu)直接或間接固定于該另一個(gè)結(jié)構(gòu),或者將該結(jié)構(gòu)通過一個(gè)或多個(gè)其它中間結(jié)構(gòu)固定于該另一個(gè)結(jié)構(gòu)。當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)連接另一個(gè)結(jié)構(gòu),包括將該結(jié)構(gòu)直接或間接連接到該另一個(gè)結(jié)構(gòu),或者將該結(jié)構(gòu)通過一個(gè)或多個(gè)其它中間結(jié)構(gòu)連接到該另一個(gè)結(jié)構(gòu)。并且,所述的“和/或”包括了“和”與“或”兩種可能的實(shí)施例。

本實(shí)用新型的一個(gè)例子是,一種石墨烯鋰電池,其包括殼體與電芯;所述殼體內(nèi)部設(shè)有腔體,所述殼體的壁部向所述腔體凸設(shè)有若干條體,所述條體具有形變部;所述殼體上穿設(shè)有相互絕緣的正極耳與負(fù)極耳;所述電芯容置于所述腔體,并與至少一所述條體相接觸以使所述條體的所述形變部發(fā)生形變,所述電芯具有正電極與負(fù)電極,所述正電極與所述正極耳連接,所述負(fù)電極與所述負(fù)極耳連接;所述正電極具有正電極片,所述正電極片上設(shè)置石墨烯材料。采用上述方案,本實(shí)用新型提出了正電極片上設(shè)置石墨烯材料的石墨烯鋰電池技術(shù),并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)殼體,電芯在安裝時(shí)條體的形變部發(fā)生形變,使得電芯更容易安裝,且固定效果更好。例如,如圖1與圖2所示,一種石墨烯鋰電池,其包括殼體100與電芯200;所述殼體內(nèi)部設(shè)有腔體,如圖3所示,所述殼體的壁部110向所述腔體凸設(shè)有若干條體111,所述條體具有形變部112;所述殼體上穿設(shè)有相互絕緣的正極耳310與負(fù)極耳320;所述電芯容置于所述腔體,并與至少一所述條體相接觸以使所述條體的所述形變部發(fā)生形變,所述電芯具有正電極210與負(fù)電極220,所述正電極210與所述正極耳310連接,所述負(fù)電極220與所述負(fù)極耳320連接;所述正電極210具有正電極片211,所述正電極片上設(shè)置石墨烯材料;又如,所述負(fù)電極220具有負(fù)電極片221,所述正電極210的所述正電極片211與所述正極耳310連接,所述負(fù)電極220的所述負(fù)電極片221與所述負(fù)極耳320連接。如圖4所示,所述形變部112具有波浪形狀,或者如圖5所示,所述條體上開設(shè)有若干空位113。

例如,一種石墨烯鋰電池,其包括殼體與電芯。其中,所述電芯即鋰電芯,例如,所述電芯具有鋰金屬或鋰化合物;電芯設(shè)置于殼體內(nèi)部,被殼體包覆;例如,所述殼體密封或非密封所述電芯。例如,所述殼體內(nèi)部設(shè)有腔體,所述電芯容置于所述腔體,即,所述電芯容置于所述腔體內(nèi)部,亦可理解為,所述電芯容置于所述殼體內(nèi)部。

所述殼體的壁部向所述腔體凸設(shè)有若干條體,所述條體具有形變部;所述電芯容置于所述腔體,并與至少一所述條體相接觸以使所述條體的所述形變部發(fā)生形變;例如,所述條體具有彈性材質(zhì),例如橡膠條,用于在受力時(shí)整體作為所述形變部發(fā)生形變;又如,所述條體上開設(shè)有若干空位,所述條體用于在受力時(shí)整體作為所述形變部在各所述空位處發(fā)生形變;例如,所述條體為波浪形狀,又如,所述條體為鋸齒形狀。這樣,所述電芯容置于所述腔體,并在所述電芯容置于所述腔體時(shí),所述電芯與至少一所述條體相接觸,以使所述條體的所述形變部發(fā)生形變,例如在各所述空位處發(fā)生形變并擠壓各所述空位,從而能夠在一定程度上固定所述電芯,在使用中提供一定的緩沖力,替代了現(xiàn)有的剛性接觸,降低了可能的碰撞力,提升了石墨烯鋰電池使用的安全性。

其中,所述殼體上穿設(shè)有極耳,極耳包括正極耳與負(fù)極耳,或者,可以理解為,所述殼體上穿設(shè)有兩個(gè)極耳,兩個(gè)極耳包括正極耳與負(fù)極耳;例如,所述殼體上穿設(shè)有相互絕緣的正極耳與負(fù)極耳;即極耳包括所述正極耳與所述負(fù)極耳,是石墨烯鋰電池產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)之一,用于從電芯中將正負(fù)極引出來,例如手機(jī)電池,藍(lán)牙電池,筆記本電池等都需要用到極耳。電池是分正負(fù)極的,極耳就是從電芯中將正負(fù)極引出來的金屬導(dǎo)電體,可理解為電池正負(fù)兩極的耳朵是在進(jìn)行充放電時(shí)的接觸點(diǎn)。這個(gè)接觸點(diǎn)包括電池的殼體外表的銅片或接電片,還包括電池內(nèi)部的連接體。例如,極耳設(shè)置金屬材料,又如,極耳設(shè)置金屬材料與膠片,例如,金屬材料為金屬帶或金屬片,其中,膠片是極耳上絕緣的部分,它的作用是電池或電芯封裝時(shí)防止極耳的金屬材料與電池或電芯鋁的其他金屬例如鋁塑膜之間發(fā)生短路,優(yōu)選的,電池或電芯封裝時(shí)膠片通過加熱與鋁塑膜熱熔密封粘合在一起防止漏液。例如,一個(gè)極耳是由兩片膠片把金屬帶或金屬片夾在中間。例如,所述極耳設(shè)置所述殼體內(nèi)部的本體,以及從所述本體延伸外露于所述殼體的外表面的接觸部,所述接觸部用于與外部的用電設(shè)備或電路相接觸。

為了保護(hù)極耳,例如,所述殼體上設(shè)置墊片和保護(hù)板,所述墊片具有卡合槽,所述保護(hù)板具有與所述卡合槽相匹配的卡合結(jié)構(gòu),所述極耳穿設(shè)所述殼體及其所述墊片,且所述極耳位于所述殼體外部的部分容置于所述卡合槽中,所述保護(hù)板的所述卡合結(jié)構(gòu)與所述卡合槽相卡合,以使所述保護(hù)板處于未被拆卸狀態(tài)時(shí),所述極耳被所述墊片與所述保護(hù)板所保護(hù),在使用時(shí),只需輕輕施力即可克服所述卡合的阻力,拆卸所述保護(hù)板;所述保護(hù)板可以回收再利用。又如,所述保護(hù)板設(shè)置兩個(gè)級(jí)聯(lián)端子,分別用于與其它保護(hù)板的級(jí)聯(lián)端子相連接,這樣,各所述保護(hù)板相互連在一起,易于拆除;在發(fā)貨時(shí),優(yōu)選的,各所述保護(hù)板一體設(shè)置。例如,保護(hù)板為塑料板。為便于使用極耳,提升接觸力,例如,所述卡合槽中設(shè)有小彈塊,所述小彈塊對(duì)所述極耳施加外向微彈力,在所述保護(hù)板被拆除時(shí),使得所述極耳發(fā)生輕微遠(yuǎn)離電極的位移。

為了適應(yīng)不同最終產(chǎn)品的需求,極耳可以設(shè)計(jì)不同的形狀;例如,所述正極耳與所述負(fù)極耳均包括矩形片狀結(jié)構(gòu);或者,所述正極耳與所述負(fù)極耳均包括圓形片狀結(jié)構(gòu);或者,所述正極耳與所述負(fù)極耳均包括半球形凸起結(jié)構(gòu);或者,所述正極耳與所述負(fù)極耳均包括圓柱形凸起結(jié)構(gòu)。片狀結(jié)構(gòu)或凸起結(jié)構(gòu)能夠提升極耳在不同產(chǎn)品的不同接觸要求的應(yīng)用效果。例如,所述正極耳的所述接觸部與所述負(fù)極耳的所述接觸部均包括矩形片狀結(jié)構(gòu)、圓形片狀結(jié)構(gòu)、半球形凸起結(jié)構(gòu)或圓柱形凸起結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的,所述接觸部,包括所述正極耳的所述接觸部與所述負(fù)極耳的所述接觸部,設(shè)置有彈性形變位置,所述接觸部的所述彈性形變位置用于在所述接觸部與外部的用電設(shè)備或電路相接觸時(shí)發(fā)生形變,以使接觸效果更牢靠。優(yōu)選的,所述彈性形變位置包括凹槽、波浪形狀或者鋸齒形狀,這樣,在所述接觸部與外部的用電設(shè)備或電路相接觸時(shí),所述彈性形變位置發(fā)生形變,在所述接觸部與外部的用電設(shè)備或電路相分離時(shí),所述彈性形變位置復(fù)原,從而增強(qiáng)了接觸效果,且可以保證極耳的正常使用,延長(zhǎng)其使用壽命。

例如,所述正極耳包括鋁材料;例如,所述正極耳包括金屬鋁和/或鋁化合物;和/或,所述負(fù)極耳包括鎳材料;例如,所述正極耳包括金屬鎳和/或鎳化合物。例如,所述負(fù)極耳包括基底鍍鎳材料;例如,基底采用銅材料或鋁材料或不銹鋼材料。例如,所述負(fù)極耳包括銅鍍鎳材料。優(yōu)選的,所述負(fù)極耳包括銅鍍鎳再鍍錫材料。例如,采用銅材料作為基底,在所述基底一側(cè)的一端部先鍍覆一層鎳鍍層,在所述鎳鍍層上再鍍覆一層錫鍍層,例如,銅材料為銅片或銅帶。優(yōu)選的,所述負(fù)極耳包括銅片鍍鎳再鍍錫材料。例如,所述鎳鍍層厚度為 0.5微米至2微米;又如,所述錫鍍層的厚度為 3微米至10微米。

為了提升傳導(dǎo)效果,優(yōu)選的,所述極耳的所述本體的外表面還設(shè)置石墨烯網(wǎng)格層,例如,所述石墨烯網(wǎng)格層包括一層、兩層或多層石墨烯,這樣,可以極大提升所述極耳與電極的傳導(dǎo)關(guān)系,避免內(nèi)部損耗。

其中,所述電芯具有正電極與負(fù)電極,所述正電極與所述正極耳連接,所述負(fù)電極與所述負(fù)極耳連接;即,所述電芯具有電極,所述電極包括正電極與負(fù)電極。例如,所述正電極設(shè)置石墨烯材料;和/或,所述負(fù)電極設(shè)置石墨材料?;蛘?,所述負(fù)電極設(shè)置石墨烯材料。又如,所述正電極還設(shè)置碳納米管材料,所述碳納米管材料包括有碳納米管;例如,所述正電極還設(shè)置一層碳納米管材料。又如,所述碳納米管材料與所述石墨烯材料的質(zhì)量比例為1:1,這樣,有利于提升石墨烯鋰電池的容量倍率和低溫性能。

例如,所述正電極具有正電極片;例如,所述正電極的所述正電極片與所述正極耳連接;優(yōu)選的,所述正電極片具有長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu);例如,所述正電極片具有超多孔長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu);優(yōu)選的,所述正電極片具有長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu),且所述長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu),類似于腳手架或者網(wǎng)格,所述框架結(jié)構(gòu)中設(shè)有大量互通微孔結(jié)構(gòu),以便于下面各實(shí)施例的摻雜材料,其中,所述超多或所述大量為超過百萬乃至千萬,例如所述框架結(jié)構(gòu)中設(shè)有超過108個(gè)互通微孔結(jié)構(gòu);摻雜材料包括石墨烯材料等,具體如下面的實(shí)施例所述,在此從略;這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),可以極大提升石墨烯鋰電池的能量密度及電子與離子傳導(dǎo)能力。例如,所述長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度與寬度的比例大于10;優(yōu)選的,長(zhǎng)方體的長(zhǎng)度與高度的比例大于10。又如,所述正電極或所述正電極片延伸穿設(shè)所述殼體作為所述正極耳,即所述正電極或所述正電極片與所述正極耳一體設(shè)置。

例如,所述正電極片上設(shè)置石墨烯材料,其中,所述石墨烯材料中包括石墨烯,例如厚度為1至10層的石墨烯;石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料,理論厚度僅為0.34納米,具有極好的結(jié)構(gòu)特性,特別適合作為石墨烯鋰電池的材料使用;通常的,石墨烯鋰電池的充放電過程,可以理解為陽(yáng)離子在正負(fù)電極中的進(jìn)入或脫離,因此在本實(shí)用新型各實(shí)施例中,通過對(duì)正電極或其正電極片、負(fù)電極或其負(fù)電極片的設(shè)計(jì),例如,電極包括正電極與負(fù)電極,電極片包括正電極片與負(fù)電極片,使得電極或其電極片中的容置陽(yáng)離子的孔隙增加、易于脫出,從而提升石墨烯鋰電池充放電的速度,其中,石墨烯的孔隙約為90至320納米左右。經(jīng)測(cè)試,包括上述技術(shù)特征的各實(shí)施例,在滿足5C(單位時(shí)間通過導(dǎo)體橫截面的電荷量,1A等于1C/s)條件下,15分鐘內(nèi)可充滿5000mAh,并實(shí)現(xiàn)快速充放電,而且可在-30~80℃環(huán)境下工作,循環(huán)壽命更高達(dá)3500次左右。

為了提高正極材料的電化學(xué)性能,例如,所述石墨烯材料為納米級(jí)摻雜石墨烯材料,所述納米級(jí)摻雜石墨烯材料的石墨烯中摻雜至少一種納米級(jí)金屬或納米級(jí)金屬化合物;其中,納米級(jí)金屬或納米級(jí)金屬化合物的最大長(zhǎng)度或最大粒徑小于30至50納米;優(yōu)選的,所述石墨烯材料中還摻雜納米級(jí)氧化釩,例如,納米級(jí)氧化釩為納米級(jí)二氧化釩或納米級(jí)五氧化二釩;例如,納米級(jí)氧化釩為最大長(zhǎng)度或最大粒徑小于30至50納米;又如,納米級(jí)氧化釩與石墨烯的質(zhì)量比例為5%至10%,優(yōu)選為6%至8%,例如納米級(jí)氧化釩與石墨烯的質(zhì)量比例為7%。通過摻雜納米級(jí)氧化釩對(duì)石墨烯進(jìn)行改性處理,可以極大提升充電效率,實(shí)現(xiàn)“閃充”效果,20000mAh乃至更高容量的石墨烯鋰電池的充電時(shí)間可以控制在1分鐘之內(nèi),10000mAh的石墨烯鋰電池的充電時(shí)間在實(shí)驗(yàn)室的充電時(shí)間小于20秒。優(yōu)選的,所述石墨烯材料中還摻雜納米級(jí)二氧化釕,納米級(jí)二氧化釕與石墨烯的質(zhì)量比例為0.5%至1.5%,優(yōu)選為1%至1.2%,例如納米級(jí)二氧化釕與石墨烯的質(zhì)量比例為1.1%。納米級(jí)二氧化釕化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,配合納米級(jí)氧化釩,還有一定的催化作用,有助于提升石墨烯的孔隙進(jìn)出效率,從而提升充電效率;經(jīng)充電前后試驗(yàn)對(duì)比,所述納米級(jí)摻雜石墨烯材料在充電后基本上沒有發(fā)現(xiàn)過氧化鋰離子,所述納米級(jí)摻雜石墨烯材料在放電后,石墨烯孔隙中存在基本滿載的過氧化鋰離子。優(yōu)選的,所述石墨烯材料中還摻雜氮原子,即氮摻雜石墨烯,這樣有利于在石墨烯表面誘導(dǎo)形成高的局域電荷及自旋密度,從而提高其化學(xué)活性,但是大量的氮原子摻雜到石墨烯晶格里,則會(huì)降低其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,因此氮的含量不宜過高,優(yōu)選的,氮與石墨烯的質(zhì)量比例為0.05%至0.6%;優(yōu)選為0.1%至0.2%;例如氮與石墨烯的質(zhì)量比例為0.15%。

例如,所述正電極片上設(shè)置石墨烯材料,所述石墨烯材料中包括第一石墨烯層,又如,所述正電極片上設(shè)置第一石墨烯層。優(yōu)選的,所述第一石墨烯層為一層石墨烯;或者,所述第一石墨烯層為兩層石墨烯。優(yōu)選的,所述第一石墨烯層包括一層石墨烯或兩層石墨烯,并且,每層石墨烯為納米級(jí)摻雜石墨烯材料,即,每層石墨烯為一層納米級(jí)摻雜石墨烯材料,亦可理解為每層石墨烯為一納米級(jí)摻雜石墨烯材料層;優(yōu)選的,所述正電極片具有磷酸鐵鋰片體,例如,所述磷酸鐵鋰片體具有長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu),其他實(shí)施例以此類推;又如,所述磷酸鐵鋰片體上設(shè)置所述石墨烯材料和/或所述第一石墨烯層,其他實(shí)施例以此類推;又如,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。又如,所述正電極片具有鋰鎳鈷錳片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述鋰鎳鈷錳片體。又如,所述正電極片具有鈷酸鋰片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述鈷酸鋰片體。又如,所述正電極片具有錳酸鋰片體,所述石墨烯材料至少部分覆蓋所述磷酸鐵鋰片體。優(yōu)選的,所述石墨烯材料全部覆蓋所述錳酸鋰片體。

例如,所述負(fù)電極具有負(fù)電極片,例如,所述負(fù)電極的所述負(fù)電極片與所述負(fù)極耳連接。又如,所述負(fù)電極或所述負(fù)電極片延伸穿設(shè)所述殼體作為所述負(fù)極耳,即所述負(fù)電極或所述負(fù)電極片與所述負(fù)極耳一體設(shè)置。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片具有長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu),且所述長(zhǎng)條形片體結(jié)構(gòu)具有框架結(jié)構(gòu),類似于腳手架或者網(wǎng)格,所述框架結(jié)構(gòu)中設(shè)有大量互通微孔結(jié)構(gòu),以便于下面各實(shí)施例的摻雜材料,其中,所述大量為超過百萬乃至千萬,例如所述框架結(jié)構(gòu)中設(shè)有超過108個(gè)互通微孔結(jié)構(gòu);摻雜材料包括石墨烯材料等,具體如下面的實(shí)施例所述,在此從略。例如,所述負(fù)電極片具有Li2.6Co0.4N,其中,Li2.6Co0.4N為層狀結(jié)構(gòu),Li2N形成層面鋰嵌入在層間,Co替代部分鋰穩(wěn)定結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)具有非常高的嵌鋰容量,較好的循環(huán)性能,較合理的嵌鋰電位,平均嵌鋰電位約為0.3V;為了提升充放電效率,優(yōu)選的,所述負(fù)電極片還具有Sn基復(fù)合物,例如Sn基復(fù)合氧化物或Sn基復(fù)合氮化物,例如,Sn基復(fù)合物與Li2.6Co0.4N的質(zhì)量比例為5%至20%。采用Sn基復(fù)合物與Li2.6Co0.4N的復(fù)合電極材料具備較好的電性能,第一周充放電效率可達(dá)100%。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片具有Li4Ti5O12(尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰),尖晶石結(jié)構(gòu)鈦酸鋰在鋰離子嵌入、脫出過程中結(jié)構(gòu)幾乎沒有變化,具有較好的安全性和優(yōu)異的循環(huán)性能。例如,Li4Ti5O12為納米級(jí)Li4Ti5O12。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片具有碳包裹或石墨包裹的納米級(jí)Li4Ti5O12。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片具有Li2.6Co0.4N與Li4Ti5O12,兩者的質(zhì)量比例為1:(4~6),其中,Li2.6Co0.4N為納米級(jí)Li2.6Co0.4N,Li4Ti5O12為碳包裹或石墨包裹的納米級(jí)Li4Ti5O12。例如,Li2.6Co0.4N與Li4Ti5O12,兩者的質(zhì)量比例為1:5。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片具有Li2.6Co0.4N與Li4Ti5O12,兩者的質(zhì)量比例為1:(4~6),其中,Li2.6Co0.4N為納米級(jí)Li2.6Co0.4N,Li4Ti5O12為石墨烯包裹的納米級(jí)Li4Ti5O12。進(jìn)一步的,所述負(fù)電極片具有石墨烯包裹的納米級(jí)Li2.6Co0.4N與納米級(jí)Li4Ti5O12,兩者的質(zhì)量比例為1:(4~6)。這樣,可以顯著提高石墨烯鋰電池的比容量、高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

例如,所述負(fù)電極片上設(shè)置石墨材料。例如,所述石墨材料包括天然石墨或人工石墨;石墨為層狀結(jié)構(gòu),由碳網(wǎng)平面堆積而成,層間距約為0.34nm。平面碳層由碳原子呈六角形排列并向二維方向延伸,碳層間以弱的范德華力結(jié)合,這樣,鋰可以嵌在碳層之間。石墨的實(shí)際比容量為320至340mAh/g。平均嵌鋰電位約為0.1V,第一周充放電效率約為82%至84%,循環(huán)性能好,且價(jià)格低廉。

為提升充放電效率,優(yōu)選的,所述負(fù)電極片上設(shè)置有石墨烯材料。石墨烯材料用作鋰離子電池負(fù)極材料時(shí),石墨烯的電化學(xué)儲(chǔ)能性能優(yōu)于石墨,而且其充電速度比石墨快十倍,從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電,此外,石墨烯鋰電池的負(fù)載能力也會(huì)得到提升。對(duì)于石墨負(fù)極,鋰離子會(huì)沉積在負(fù)極表面形成枝晶,石墨烯完美地解決這一問題,使得鋰離子可以通過表面10至20nm的微小孔洞在石墨烯片間很好地存儲(chǔ),同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速充電和能量的最佳存儲(chǔ),存儲(chǔ)能量可以提高近10倍。例如,所述負(fù)電極片上設(shè)置有石墨材料與石墨烯材料,兩者的質(zhì)量比例為(3~5):1。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片上設(shè)置第二石墨烯層。優(yōu)選的,所述第二石墨烯層為一層石墨烯;或者,所述第二石墨烯層為兩層石墨烯。優(yōu)選的,所述負(fù)電極片為石墨片體,所述石墨片體上設(shè)置有石墨烯材料;例如,所述石墨片體上設(shè)置所述第二石墨烯層。這樣,一方面是利用石墨烯片層的柔韌性來緩沖負(fù)電極或負(fù)電極片在多次循環(huán)過程中的體積變化,另一方面利用石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以改善材料顆粒間的電接觸以降低極化,從而能夠提升石墨烯鋰電池的電化學(xué)性能。需要說明的是,一般情況下僅在正電極與負(fù)電極中的一個(gè)設(shè)置石墨烯材料,必要時(shí)可以在正電極與負(fù)電極中均設(shè)置石墨烯材料,但是需要經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試其性能。

例如,所述電芯具有正電極、隔膜與負(fù)電極,所述隔膜設(shè)置于所述正電極與所述負(fù)電極之間。例如,隔膜的基體材料包括聚丙烯和/或聚乙烯材料。隔膜上具有若干微孔結(jié)構(gòu),例如,所述微孔結(jié)構(gòu)為圓形、橢圓形、梭形或扁平形狀;例如,所述隔膜為單層PP、單層PE或三層PP/PE/PP復(fù)合膜。優(yōu)選的,所述隔膜為單層隔膜。例如,所述單層隔膜為聚乙烯薄膜;或者,所述單層隔膜為聚丙烯薄膜。優(yōu)選的,所述隔膜為多層隔膜。例如,所述多層隔膜為三層薄膜。例如,所述三層隔膜為三層聚丙烯薄膜。優(yōu)選的,所述隔膜為復(fù)合隔膜,亦稱多層復(fù)合膜。例如,所述復(fù)合隔膜為聚乙烯薄膜與聚丙烯薄膜的復(fù)合體。優(yōu)選的,所述復(fù)合隔膜為聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜與氯化聚丙烯薄膜的復(fù)合體,或聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜與聚丙烯薄膜的復(fù)合體。隔膜的微孔結(jié)構(gòu)對(duì)電池安全性能至關(guān)重要,當(dāng)電池在過度充電或溫度過高的情況下,隔膜會(huì)關(guān)閉孔隙,在電池內(nèi)部形成斷路,限制電流升高,防止溫度進(jìn)一步升高。隔膜的閉孔溫度與其使用的基材有關(guān),PP隔膜的閉孔溫度較高,同時(shí)熔斷溫度也很高;PE隔膜的閉孔溫度和熔斷溫度都較低。其中,熔斷溫度是指在此溫度或以上,隔膜完全融化收縮,電極內(nèi)部短路產(chǎn)生高溫,造成電池解體甚至爆炸。因此,優(yōu)選具有較低的閉孔溫度和較高的熔斷溫度的多層復(fù)合膜。多層復(fù)合膜的應(yīng)用結(jié)合了二者的優(yōu)點(diǎn),PE在兩層PP之間可以起到熔斷保險(xiǎn)絲的作用。為了避免過充時(shí)發(fā)生短路,又如,多層復(fù)合膜中的其中一層,例如三層隔膜中的中間層或者任一層,還涂設(shè)有三氧化二鋁涂層。

為了提升隔膜的耐高溫性能,避免隔膜因高溫發(fā)生破膜或收縮而造成電池內(nèi)部短路所帶來的安全隱患,優(yōu)選的,隔膜的表面還設(shè)置納米保護(hù)層,例如,所述納米保護(hù)層包括納米級(jí)甲殼素纖維層、納米級(jí)聚氨酯甲殼素纖維層、納米級(jí)聚偏氟乙烯層、納米級(jí)二氧化硅層和/或納米級(jí)三氧化二鋁層等。例如,隔膜的一表面設(shè)置納米級(jí)甲殼素纖維層,和/或,隔膜的另一表面設(shè)置納米級(jí)二氧化硅層;又如,隔膜的一表面設(shè)置納米級(jí)聚氨酯甲殼素纖維層,和/或,隔膜的另一表面設(shè)置納米級(jí)二氧化硅層與納米級(jí)甲殼素纖維層。這樣,采用納米保護(hù)層,尤其是納米級(jí)甲殼素纖維層等,一方面可以提升隔膜的耐高溫性能,另一方面能夠提升隔膜的物理強(qiáng)度,使其不易破膜。

例如,所述電芯具有正電極、電解質(zhì)、隔膜與負(fù)電極,所述隔膜設(shè)置于所述正電極與所述負(fù)電極之間;其中,優(yōu)選的,所述電解質(zhì)包括鋰鹽。優(yōu)選的,所述電解質(zhì)還包括鈉鹽。優(yōu)選的,所述鈉鹽與所述鋰鹽的質(zhì)量比例小于30%。優(yōu)選的,所述鋰鹽包括高氯酸鋰;和/或,所述鋰鹽包括六氟磷酸鋰;和/或,所述鋰鹽包括四氟硼酸鋰。采用合適的電解質(zhì),有助于提升提高擴(kuò)散速率和電導(dǎo)率,即提升石墨烯鋰電池的性能。

優(yōu)選的,所述電解質(zhì)包括聚合物,即所述電解質(zhì)包括聚合物電解質(zhì)。例如,所述聚合物為凝膠聚合物。優(yōu)選的,所述聚合物為多孔凝膠聚合物。凝膠聚合物,亦稱聚合物凝膠,是物質(zhì)介于固體和液體之間的一種特殊狀態(tài),既有固體的一些性質(zhì),如具有一定的幾何外形、一定的強(qiáng)度、彈性和屈服值等;也有液體的某些性質(zhì),如離子在凝膠中的擴(kuò)散速率接近于離子在相應(yīng)液體電解質(zhì)中的擴(kuò)散速率,其電導(dǎo)率接近于有機(jī)液體電解質(zhì)。例如,在固態(tài)聚合物電解質(zhì)中加入一種或幾種增塑劑即可形成凝膠聚合物電解質(zhì)。凝膠聚合物電解質(zhì)可以通過化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)的機(jī)理來得到。

例如,所述凝膠聚合物包括氧化乙烯單元和氧化丙烯單元。為了提高擴(kuò)散速率和電導(dǎo)率,優(yōu)選的,所述凝膠聚合物包括PVDF、PMMA和PVDF三層結(jié)構(gòu),這樣,外層PVDF為多孔結(jié)構(gòu),提供良好的離子通道;中間層PMMA為實(shí)心結(jié)構(gòu),具有良好的吸液性能;并且,可以解決PMMA聚合物在電解液中的溶解問題,能夠提升提高擴(kuò)散速率和電導(dǎo)率。優(yōu)選的,所述凝膠聚合物還包括若干石墨烯,例如,所述凝膠聚合物還包括質(zhì)量比例為1%至5%的石墨烯,即,石墨烯在全部凝膠聚合物的質(zhì)量比例為1%至5%。由于石墨烯的二維高比表面積的特殊結(jié)構(gòu),因此添加了石墨烯的凝膠聚合物具有極其優(yōu)異的電子傳輸能力。采用石墨烯的凝膠聚合物作為電解質(zhì),或者,所述電解質(zhì)包括具有石墨烯的凝膠聚合物電解質(zhì),亦可稱為石墨烯凝膠聚合物電解質(zhì),通過利用石墨烯的電子傳輸能力,可以同時(shí)具備傳統(tǒng)電池與鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn),特別適合作為石墨烯鋰電池使用。優(yōu)選的,所述凝膠聚合物還包括添加劑,添加劑在全部凝膠聚合物的質(zhì)量比例為0.5%至3%。例如,所述添加劑包括有機(jī)溶劑,例如,所述添加劑包括馬來酰亞胺或其衍生物。優(yōu)選的,所述添加劑還包括酯類,例如乙酸乙酯、丙酸乙酯、丙二醇碳酸酯等。

為了降低石墨烯鋰電池持續(xù)高溫可能存在爆炸危險(xiǎn)的傷害程度,例如,所述殼體的所述壁部穿設(shè)若干通孔;這樣,在發(fā)生爆炸或燃燒時(shí),高壓氣體能夠從通孔泄出部分,避免了暴發(fā)過于劇烈,從而能夠舒緩爆炸或燃燒的威力。為了保持電芯的密閉環(huán)境,優(yōu)選的,每一所述通孔上設(shè)置薄膜,使得所述殼體內(nèi)部形成密封環(huán)境或近似密封環(huán)境;這樣,在發(fā)生爆炸時(shí),薄膜的物理強(qiáng)度低于壁部的物理強(qiáng)度,薄膜先行裂開,高壓氣體能夠先從通孔泄出部分,對(duì)于殼體或壁部的威脅就小一些,甚至還可以保護(hù)壁部。例如,所述殼體具有頂部、壁部與底部,為了便于生產(chǎn),所述壁部的內(nèi)表面設(shè)置一層薄膜,所述壁部的內(nèi)表面即所述壁部向所述腔體的一面,亦即所述殼體的壁部向所述腔體凸設(shè)有若干條體的一面;例如,所述薄膜為塑料薄膜;優(yōu)選的,所述薄膜為單透膜,所述單透膜具有從所述殼體內(nèi)部向所述殼體外部的單向透過性,其中所述殼體內(nèi)部的氣體小分子可以從所述殼體內(nèi)部向所述殼體外部逸散;這樣,可以避免由于內(nèi)部壓力過大發(fā)生的鼓包事故,還能在發(fā)生爆炸危險(xiǎn)之前先通過所述單透膜散逸出部分氣體,在發(fā)生爆炸危險(xiǎn)時(shí),所述薄膜或所述單透膜先行裂開,高壓氣體能夠先從通孔泄出部分,從而降低了爆炸威力,能夠?qū)τ脩籼峁┮欢ǖ谋Wo(hù)。優(yōu)選的,使用所述石墨烯鋰電池的產(chǎn)品還配合設(shè)計(jì)若干散氣通道,能夠達(dá)到更好的安全效果。

優(yōu)選的,所述通孔的孔徑小于100納米;例如,所述通孔的孔徑小于50納米;優(yōu)選的,所述通孔的孔徑小于10納米。優(yōu)選的,所述殼體包括外殼與內(nèi)殼,所述外殼設(shè)置若干所述通孔。優(yōu)選的,所述內(nèi)殼的物理強(qiáng)度低于所述外殼的物理強(qiáng)度;這樣,在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí),內(nèi)殼先潰裂,吸收一部分能量,再通過所述外殼的各所述通孔泄壓,能夠?qū)τ脩籼峁┮欢ǖ谋Wo(hù)。優(yōu)選的,所述內(nèi)殼具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu),所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的孔徑大于所述通孔的孔徑。例如,所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的面積超過所述通孔的面積的2倍。優(yōu)選的,所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的面積超過所述通孔的面積的7倍。又如,所述內(nèi)殼的強(qiáng)度大于所述外殼的強(qiáng)度。例如,具有網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)殼的強(qiáng)度大于所述外殼的強(qiáng)度,這樣,可以通過網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)與通孔進(jìn)行多層泄壓。優(yōu)選的,所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)與所述通孔錯(cuò)落設(shè)置,即所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)與所述通孔非相對(duì)設(shè)置,或者說,所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的延伸與所述通孔的延伸平行且完全不重合,這樣,爆炸氣體不能直接貫穿所述網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)與所述通孔,需要在所述內(nèi)殼與所述外殼之間略作分散或彎折,從而能夠在一定程度上降低爆炸威力。優(yōu)選的,所述內(nèi)殼與所述外殼之間還設(shè)有阻燃層,例如鋁類阻燃劑如三氧化二鋁,或者有機(jī)磷類阻燃劑等;又如,所述阻燃層為涂層,例如,所述阻燃層為阻燃涂層,例如,所述阻燃涂層涂設(shè)于所述內(nèi)殼朝向所述外殼的一面或者所述外殼朝向所述內(nèi)殼的一面;又如,所述內(nèi)殼為甲殼素纖維層,其朝向所述外殼的一面涂設(shè)所述阻燃涂層。這樣,具有較好的防暴阻燃效果。

進(jìn)一步地,本實(shí)用新型的實(shí)施例還包括,上述各實(shí)施例的各技術(shù)特征,相互組合形成的石墨烯鋰電池,亦可稱為鋰電池。

需要說明的是,上述各技術(shù)特征繼續(xù)相互組合,形成未在上面列舉的各種實(shí)施例,均視為本實(shí)用新型說明書記載的范圍;并且,對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說,可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換,而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

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