一种制备石墨烯基底电极及电池和超级电容器的方法_2

文档序号:9549742阅读:来源:国知局
需要金属衬底作为电流收集器和支撑,使用本发明电极材料可是使得装置更轻质没有复杂几何包装。
[0022]本发明的又一特征是其制备过程中不依赖具体的聚合物薄膜作为装置组件,而是采用聚合物隔隔板,凝胶电解质或者固体电解质等具有完美的机械韧性和化学稳定性易于使用的材料,采用所述材料获得的装置形式多样并可以在相对极端的热环境下工作,对形变拉伸及化学腐蚀都具有更好的抵抗。
[0023]本发明的又一特征在于:本发明采用大面积长范围连续的石墨烯薄膜获得了更好的导电性能和结构一致性,与石墨烯纳米片或还原的氧化石墨烯纳米片相比,提高了柔性能量存储装置的储能和循环寿命。
【附图说明】
[0024]图1是传统能量存储系统电池或者超级电容器的示意图;
[0025]图2是根据本发明的方法在金属铜箔衬底上形成双层类纸石墨烯薄膜的流程示意图;
[0026]图3是根据本发明的方法制备类纸多层石墨烯基底电极的流程示意图;
[0027]图4是根据本发明图3所述的流程制备的具有两个类纸多层石墨烯基底电极的柔性对称超级电容器的放大示意图;
[0028]图5是根据本发明的方法制备的柔性锂空气二次电池的部分放大示意图,如图所示所述的电池具有一个根据本发明图3所示的流程制备的多层石墨烯基底正极,该正极连接隔离器的一面;一传统锂金属箔负极连接隔离器的另一面;
[0029]图6是本发明制备多层石墨稀基底混合电极的流程意图意图;
[0030]图7是根据本发明制备的锂空气二次电池的部门放大示意图,该电池具有一根据本发明图6所述的流程制备的类纸多层石墨烯基底混合正极,该正极与隔离器的一面连接;一根据本发明图3所述的流程制备类纸多层石墨烯基底负极,该负极连接隔离器的另一面;
[0031]图8是根据本发明的方法制备的锂离子二次电池的部分放大示意图,该二次电池具有:一采用本发明图3的流程制备的类纸多层石墨烯基底负极,所述的负极与隔离器的一面连接;一常规正极,该正极由裹覆电化学活性材料的铝集流体构成,连接隔离器的另一面;
[0032]图9是根据本发明的方法制备的锂离子二次电池的部分放大示意图,该二次电池具有一类纸多层石墨烯基底混合正极,该混合负极是根据本发明图6所示的流程方法制备的,该正极连接隔离器的一面;一常规负极,由铜集流体裹覆电子活性材料构成连接隔离器的另一面。
【具体实施方式】
[0033]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
[0034]请参见图1,图1是现有技术能量存储系统1 (电池或超级电容器),该能量存储系统具有一常规负极材料2,与负极材料2邻接的常规负极集流体3 ;常规正极材料4,与正极材料4邻接的常规正极集流体5 ;位于负极材料2和正极材料之间的电解质7、聚合物隔膜8,虽然集流体3、5通常都是由金属衬底构成,而且外壳6本身也是很薄,但是,这些材料都不能有任何程度的弯曲、拉伸,因此由这些材料所构成的电池或者超级电容器也是不可弯曲或拉伸的,也不适合应用在柔性的电子装置中。
[0035]参见图2,下面介绍本发明较佳的实施例,本发明一方面涉及多层碳薄膜,特别是,双层石墨烯薄膜,该石墨烯薄膜可以通过图2所描述的方法流程来制备而来,该流程首先包括,提供或形成第一前体材料9 (如图2中9A、9B所示),第一前体材料包括石墨烯薄膜10,所述石墨烯薄膜10为单层石墨烯或最多不超过5层单层石墨烯,形成在铜箔衬底20上,所述铜箔在步骤201中,在第一前体材料9形成之前形成。
[0036]在步骤202中,所述石墨烯薄膜10可以通过已知的方法形成,例如:通过化学气相沉积法,利用传统的CVD炉(图未示),反应温度为500-1200摄氏度,较佳的温度为1000摄氏度,这种方法披露在美国专利申请公开号为2011/0091647中,气相沉积的设备也可以替换成PECVD或者ALD。为了实现本发明的目的,用于形成石墨烯薄膜10的铜箔衬底20的面积范围优选为大约到10cm*100cm,铜箔衬底20的厚度范围优选为约1微米至1000微米),如图2所示,在第一前体材料9中石墨烯薄膜10具有一第一表面30,该表面与铜箔衬底20的面接触,第二表面35,该表面不与铜箔衬底20接触且是暴露的。
[0037]在步骤203中:在制作流程的下一个步骤中,在第一前体材料9的其中一个实体(实体9B)的完全暴露的第二表面35上涂覆一层聚合物光刻胶40,这个步骤形成了第二前体材料45,优选的,所述的聚合物光刻胶40由聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)组成,所述的光刻胶可以通过商业方式购买到,以不同浓度溶解于苯甲醚中,可以提供这种化学材料的公司很多,比如美国的微化公司。为了实现本发明的目的,PMMA的浓度最多为百分之60%,实现本发明的目的最佳的浓度为0.5%至20%之间,所述的PMMA被涂覆于第一前体材料9的第二表面35上,所用方法包括:喷涂、溅射甚至可以将石墨烯薄膜直接浸泡在PMMA溶液中,以上所述方法均为本领域惯用的技术手段,因此在图中未详细描述,然而,不考虑涂覆所使用的方法,聚合物光刻胶之后被干燥,通过烘焙或者直接在空气中晾干。聚合物涂层的作用就是在后面的制作步骤中作为石墨烯薄膜10额外的支撑。
[0038]随后,参见图2步骤204,铜箔衬底20被从第二前体材料45上去除,较佳的可以通过刻蚀的方法,使用常规的铜刻蚀材料,该材料可以通过商业购买到,例如,酸溶液、氧化剂被用来腐蚀掉铜箔衬底20,暴露出涂覆有聚合物光刻胶层40的石墨烯薄膜,形成了第三前体材料50,腐蚀去除沉积有石墨烯薄膜的铜箔衬底的技术是本技术领域惯用的技术在此不进一步展开叙述。
[0039]参见图2步骤205,从铜箔衬底上腐蚀暴露出石墨烯薄膜10后,(腐蚀步骤完全结束后),形成的第三前体材料顺序叠加在第一前体材料9的另一个实体(实体9A)上,以至于石墨烯薄膜暴露的一边邻接第一前体材料的实体9A的暴露的面35,叠加步骤完成之后,将聚合物涂层40去除掉,较佳的通过将其在有溶解力的有机溶剂中漂洗,生成第一沉积材料55,参见图2步骤206,该沉积材料包括一连接在铜箔衬底上的双层石墨烯薄膜60,该第一沉积材料55之后连同与其依旧连接的铜箔被直接使用,或者从衬底上分离出双层石墨烯薄膜,较佳的通过刻蚀分离,之后该分离下来的双层石墨烯薄膜可以应用于石墨烯应用领域,或者最终用于本发明的进一步的流程中。
[0040]参见图3,本发明的另一方面涉及类纸多层碳薄膜电极,该电极应用于柔性能量存储系统,本发明较佳的实施方式,多层石墨烯电极通过图2中所描述步骤被制备出来,该步骤最初形成了沉积材料55,为了制备出双层石墨
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