一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的方法及所用装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的方法以及所用的装置。
【背景技术】
[0002]石墨烯是目前最薄的二维材料，其尺寸小于30微米，具有稳定的化学及热力学性质(导热系数约5300Wm 1Ic》，优异的电子传导性(电子迀移率约SOOOOcm2V1s 和强的机械强度(强度极限42ΝΠ11)等特点，可有效的应用于电子器件、能量存储、光传感等领域。
[0003]锂离子电池(LIB)是一种二次电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作，主要应用于电子产品、交通工具、国防军事、航天航空、储能等领域。超级电容器(EDLC)是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置，主要应用于便携式设备、移动无线通讯设备、UPS系统、风力发电或太阳能发电、电动汽车和混合动力大巴以及特殊车辆、轨道交通和航空航天等领域。而锂离子电容器(LIC)采用锂离子电池和双电层电容器混合结构，正极采用活性炭，负极采用石墨等材料。兼具双电层电容器的高输出、长寿命特性和锂离子电池高能量密度的特性。
[0004]目前将石墨稀主要是通过Hummer法制备出氧化石墨稀，然后通过化学还原法或热还原法得到氧化还原石墨烯，例如专利CN102502612B ;应用于LIB、EDLC, LIC中时通过与粘结剂的混合粘附于电极集流体上，例如专利CN1 3 51511OA、CN14211047A、CN103663432A。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的第一个技术问题是，提供一种可用于一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的装置，该装置结构简单，使用方便。
[0006]为解决以上技术问题，本发明用于制备无粘结剂的石墨烯电极的装置，
[0007]包括槽体，槽体内设有阴极室和带搅拌器的阳极室，阴极室和阳极室之间通过多孔性绝缘隔板(即在绝缘隔板上排列有一定量的通孔，作为供石墨烯通过的孔道)隔开；
[0008]还包括可置于阴极室内的阴极片和可置于阳极室内的阳极片，所述阴极片和阳极片通过各自的导线连接至物理电源，阴极片还通过步进机导杆连通步进机。
[0009]进一步地，所述槽体的厚度为5mm-10mm，由耐有机腐蚀的材质制成，具体为聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)或增强聚丙烯(RPP)中的任意一种。
[0010]进一步地，所述搅拌器为机械搅拌器、磁力搅拌器或气流搅拌器中的任意一种。
[0011]进一步地，所述多孔性绝缘隔板为超细玻璃纤维(10-G)隔板、聚氯乙烯(PVC)隔板或聚丙烯(PP)隔板中的任意一种，其孔道的孔径为20μπι-25μπι。
[0012]进一步地，所述阴极片厚度为10 μ m-50 μ m，材质为铜、镍或不锈钢中的任意一种。
[0013]进一步地，所述阳极片为不溶性阳极，具体为不锈钢、石墨片、铂阳极、钛板、钛网、DSA钛阳极中的任意一种。所述阳极片厚度为100ym-3mm。
[0014]进一步地，所述物理电源的电压范围为10-300V，所述步进机为五相电机(0.36度/0.72 度)。
[0015]本发明所要解决的第二个技术问题是，提供一种利用前述装置进行一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的方法，该方法简单易实现，节省时间。
[0016]该方法包括如下步骤:
[0017](I)、将阳极片和阴极片分别放入槽体的阳极室和阴极室内，阴极片紧贴多孔性绝缘隔板；导线连接至物理电源，连通阴极片至步进机的步进机导杆；
[0018](2)、将定量锂盐加入到有机溶剂中并经超声混合均匀后，转移至阴极室内；将定量石墨稀(工业级粉末，片层尺寸< 30 μπι，片层厚度< 5nm。)加入有机溶剂中并经超声混合均匀后，添加到阳极室中并开启搅拌器，搅拌方法采用机械搅拌法、磁力搅拌法或气流搅拌法中的一种，其中采用气流搅拌法时为采用氮气的惰性气体搅拌法；锂盐和石墨烯在选用溶剂时应保持一致。
[0019](3)、开启物理电源，设置步进机的步距角，石墨烯通过多孔性绝缘隔板的孔道后在处于电场中的锂盐作用下定位沉积到阴极片表面；
[0020](4)、在步进机的推动下，阴极片缓缓离开多孔性绝缘隔板，同时，石墨烯在阴极片表面的沉积高度不断增加，形成柱状的石墨烯线；随着阴极片的离开和石墨烯线的增高，阴极室中的锂盐在电场作用下同时沉积至阴极片其它部位沉积部位，即在阴极片的沉积侧未被石墨烯占据的部位被锂盐占据，锂盐嵌入石墨烯线之间，形成嵌锂结构；
[0021]锂盐在电场中可沉积到阴极，而石墨烯本身是不带电的，无法在电场中定向移动，当石墨烯通过多孔性绝缘隔板的孔道接近阴极片时，在锂盐的带动下，将石墨烯沉积到阴极片上，即石墨烯根据孔道定位沉积到阴极片上，锂盐则主要沉积到其他沉积部位。
[0022]通过搅拌器的搅拌，阳极室中的石墨烯不断涌向多孔性绝缘隔板，并穿过孔道，阴极片在步进机的缓缓带动作用下，以每分钟纳米级的移动速度离开多孔性绝缘隔板，嵌锂结构的沉积厚度不断增加。
[0023](5)、当阴极片上的膜层厚度达到50-150 μ m时，关闭物理电源和步进机，得到嵌锂的石墨烯电极片。
[0024]进一步地，步骤(2)中所述有机溶剂为沸点低于200°C的无毒或低毒的有机溶剂，低沸点的有机溶剂的选择，便于后期负极片的干燥处理。
[0025]进一步地，步骤(2)中所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮或丁酮中的一种或任意两种或任意两种以上的混合物。
[0026]进一步地，步骤⑵所述锂盐为钴酸锂、钛酸锂、钼酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、镍钴酸锂、镍锰酸锂或镍钴锰酸锂中的一种或任意两种或任意两种以上的混合物。
[0027]采用以上技术方案后，本发明至少具有以下有益效果:
[0028](I)、采用本发明的装置可在常温下进行一步法制备嵌锂的石墨烯电极片，避免了传统电极制备过程中粘结剂的使用，不仅节省了材料成本，而且理论上会降低应用了该嵌锂的石墨烯电极片的锂离子电池、锂离子电容器、超级电容器的内阻。
[0029](2)、本发明的一步法制备过程比传统制备方法节省时间，而且对电极层的厚度可控，加上所用装置结构简单、成本较低，具有工业化生产的潜力。
【附图说明】
[0030]图1为本发明的装置阴极片紧贴多孔性绝缘隔板时的示意图；
[0031]图2为本发明的装置阴极片离开紧贴多孔性绝缘隔板后的示意图；
[0032]图3为阴极片上沉积柱状的石墨烯线的结构示意图；
[0033]图4为阴极片上嵌锂石墨烯层的结构示意图。
[0034]图中，1-槽体；11-阴极室；12_阳极室；2_阴极片；21_石墨烯线；22_嵌锂结构；3-阳极片；4_多孔性绝缘隔板；5_物理电源；6_步进机-J-导线；8_步进机导杆。
【具体实施方式】
[0035]实施例1:用于一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的装置
[0036]如图1或图2所示，本发明的装置包括槽体1，槽体I内设有阴极室11和带搅拌器(搅拌器未在附图中示出)阳极室12，阴极室11和阳极室12之间通过多孔性绝缘隔板4隔开；
[0037]本发明还包括可置于阴极室11内的阴极片2和可置于阳极室12内的阳极片3，所述阴极片2和阳极片3通过各自的导线7连接至物理电源5对应端，阴极片2还通过步进机导杆8连通步进机6，具体为步进机6的步进机导杆8连接阴极片2上的导线7。
[0038]以上为本发明所述装置的基本构成，其中，在本实施例中:
[0039]槽体I的厚度为5mm，由耐有机腐蚀的聚四氟乙烯(PTFE)制成。
[0040]多孔性绝缘隔板4为聚氯乙烯(PVC)隔板，其孔道的孔径为20-25 μm。阴极片2厚度为?ο μ m，材质为铜。
[0041]阳极片3为铂阳极，厚度为100 μ m。
[0042]物理电源5的电压范围为10-300V，步进机6为五相电机。
[0043]实施例2:用于一步法制备无粘结剂的石墨烯电极的装置
[0044]与实施例1不同的是，槽体I的厚度为10mm，由耐有机腐蚀的聚丙烯(PP)材质制成。
[0045]多孔性绝缘隔板4为超细玻璃纤维(10-G)，其孔道的孔径为20-25 μ m μ m。
[0046]阴极片2厚度为30 μπι，材质为