多层石墨烯及蓄电装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种多层石墨烯以及具有该多层石墨烯的蓄电装置和半导体装置。
【背景技术】
[0002] 近年来，石墨烯被探讨用于半导体装置中的具有导电性的电子构件。石墨烯是指 石墨中的水平层，即由碳原子构成的六元环在平面方向上连接而成的碳层，尤其两层以上 且一百层以下的该碳层被叠层时称为多层石墨烯。
[0003] 由于石墨烯具有化学稳定性和良好的电特性，所以有望应用于包括在半导体装置 中的晶体管的沟道区、通孔、布线等。
[0004]另外，在专利文件1中，为了提高锂离子电池的电极材料的导电性，将石墨烯覆盖 在活性电极材料上。
[0005][专利文献1]日本专利申请公开2011-29184号公报
[0006] 石墨烯具有高导电性是因为由碳原子构成的六元环在平面方向上连接。就是说， 石墨烯在平面方向上具有高导电性。此外，由于石墨烯是薄膜状，并在层叠的石墨烯中有间 隔，因此在该区域中离子能够移动。然而，在垂直于石墨烯的平面的方向上离子难以移动。
[0007]另外，蓄电装置所包括的电极由集电体及活性物质层构成。在现有的电极中，除了 活性物质以外活性物质层还包括导电助剂、粘结剂等，它们导致每单位重量活性物质层的 放电容量的下降。再者，活性物质层所包括的粘结剂在与电解液接触时会膨胀，结果导致电 极变形、容易被破坏。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明的一个方式提供一种在垂直于平面的方向上离子能够移动的石墨 烯。此外，提供一种能够提高放电容量、电特性良好的蓄电装置。另外，提供一种可靠性高 且耐久性高的蓄电装置。
[0009] 本发明的一个方式是一种多层石墨烯，其特征在于，该多层石墨烯包括重叠为层 状的多个石墨烯，该多个石墨烯包括：由碳原子构成的六元环；由碳原子构成的七元环以 上的多元环；以及与构成该六元环或七元环以上的多元环中的碳原子键合的氧原子，多个 石墨稀的层间距离大于〇? 34nm且在0? 5nm以下，优选为0? 38nm以上且0? 42nm以下。
[0010]另外，本发明的一个方式是一种多层石墨烯，其特征在于，该多层石墨烯包括重叠 为层状的多个石墨烯，该多个石墨烯包括：由碳原子构成的六元环；以及由碳原子及氧原 子构成的七元环以上的多元环，多个石墨烯的层间距离大于〇? 34nm且在0? 5nm以下，优选 为0. 38nm以上且0. 42nm以下。
[0011]另外，本发明的一个方式是一种多层石墨烯，该多层石墨烯包括重叠为层状的碳 层，该碳层包括由碳原子构成的多个六元环以及由碳原子构成的七元环以上的多个多元环 在平面方向上连接，并且氧原子与构成六元环或七元环以上的多元环中的碳原子键合，碳 层的层间距离大于〇? 34nm且在0? 5nm以下。
[0012] 另外，本发明的一个方式是一种多层石墨烯，该多层石墨烯包括重叠为层状的碳 层，在该碳层中，由碳原子构成的多个六元环以及由碳原子和氧原子构成的七元环以上的 多个多元环在平面方向上连接，碳层的层间距离大于0. 34nm且在0. 5nm以下。
[0013] 另外，氧原子可以与构成该六元环或七元环以上的多元环的碳原子键合。
[0014] 另外，石墨烯是指具有双键（也被称为石墨键合或SP2键）的一个原子层的碳分子 的薄膜。另外，石墨烯具有柔性。另外，石墨烯的平面形状是矩形、圆形、其他任意的形状。
[0015] 多层石墨烯具有两层以上且一百层以下的石墨烯。另外，每一个石墨烯以平行于 基体的表面的方式层叠。另外，在多层石墨烯中氧所占的比率为3原子％以上且10原子％ 以下。
[0016] 在石墨烯中，六元环的一部分的碳-碳键断裂而成多元环。或者，六元环的一部分 的碳-碳键断裂且六元环的一部分的碳原子与氧原子键合而成多元环。在石墨烯中，该多 元环构成间隔，并且在该区域中离子能够移动。另外，构成一般的石墨的石墨烯的层间距离 大约为0? 34nm，而在多层石墨烯中，相邻的石墨烯之间的距离大于0? 34nm且在0? 5nm以下。 因此，与石墨相比，在石墨烯之间离子更容易移动。
[0017] 另外，本发明的一个方式的特征在于，蓄电装置的正极所包括的正极活性物质层 具有正极活性物质及至少部分包裹该正极活性物质的多层石墨烯。另外，在本发明的一个 方式中，蓄电装置的负极所包括的负极活性物质层具有负极活性物质及至少部分包裹该负 极活性物质的多层石墨烯。
[0018] 多层石墨烯是薄膜状或网眼状（网状）。这里，网眼状包括二维形状及三维形状的 双方。由一个多层石墨烯或多个多层石墨烯至少部分包裹多个正极活性物质或负极活性物 质。换言之，多个正极活性物质或负极活性物质至少部分存在于一个多层石墨烯中或在多 个多层石墨烯之间。另外，有时多层石墨烯是袋状，多个正极活性物质或负极活性物质被包 裹在其内部。另外，有时多层石墨烯的一部分具有开口部，在该区域中露出正极活性物质或 负极活性物质。多层石墨烯能够使正极活性物质或负极活性物质分散，或者能够防止正极 活性物质层或负极活性物质层受到破坏。因此，多层石墨烯具有这样的功能：即使正极活性 物质或负极活性物质随着充放电而体积增减，也能够维持正极活性物质之间的结合或负极 活性物质之间的结合。
[0019] 另外，在正极活性物质层或负极活性物质层中，由于多个正极活性物质或负极活 性物质与多层石墨烯接触，所以电子能够通过多层石墨烯移动。就是说，多层石墨烯具有导 电助剂的功能。
[0020] 由此，通过在正极活性物质层及负极活性物质层中具有多层石墨烯，能够降低正 极活性物质层及负极活性物质层中的粘结剂及导电助剂的含量，因而，能够增加正极活性 物质层及负极活性物质层所包含的活性物质的含量。此外，由于能够降低粘结剂的含量，所 以能够提高正极活性物质层及负极活性物质层的耐久性。
[0021 ]另外，在本发明的一个方式中，在蓄电装置的正极或负极中，凹凸状的活性物质的 表面被多层石墨烯覆盖。由于多层石墨烯具有柔性，所以能够以均匀的厚度覆盖凹凸状的 表面，并能够抑制凹凸状的正极或负极受到破坏。
[0022] 通过本发明的一个方式，能够增加在平行于石墨烯的表面的方向上及在垂直于石 墨烯的表面的方向上移动的离子的量。此外，通过将上述多层石墨烯用于蓄电装置的正极 或负极，能够增加正极活性物质层及负极活性物质层中的活性物质的含量，从而能够提高 蓄电装置的放电容量。另外，使用上述多层石墨烯代替蓄电装置的正极或负极所包含的粘 结剂，能够提高蓄电装置的可靠性及耐久性。
【附图说明】
[0023] 图IA至图IC是说明多层石墨烯的图；
[0024] 图2A至图2D是说明负极的图；
[0025] 图3A至图3C是说明正极的图；
[0026] 图4是说明蓄电装置的图；
[0027] 图5是负极的平面SEM照片；
[0028] 图6是负极的截面TEM照片；
[0029] 图7A和图7B是负极的截面TEM照片；
[0030] 图8是说明电子设备的图。
[0031] 符号说明
[0032] 101多层石墨烯
[0033] 103石墨烯
[0034] 105层间距离
[0035] 107 间隙
[0036] 111六元环
[0037] 113碳原子
[0038] 115a 氧原子
[0039] 115b 氧原子
[0040] 115c 氧原子
[0041] 116多元环
[0042] 201负极集流体
[0043] 203负极活性物质层
[0044] 205 负极
[0045] 211负极活性物质
[0046] 213多层石墨烯
[0047] 221负极活性物质
[0048] 221a 共同部
[0049] 221b 凸部
[0050] 223多层石墨烯
[0051] 307正极集流体
[0052] 309正极活性物质层
[0053] 311 正极
[0054] 321正极活性物质
[0055] 323多层石墨烯
[0056] 400锂离子二次电池
[0057] 401正极集流体
[0058] 403正极活性物质层
[0059] 405 正极 [0060] 407负极集流体
[0061] 409负极活性物质层
[0062] 411 负极
[0063] 413隔离体
[0064] 415电解质
[0065] 417外部端子
[0066] 419外部端子
[0067] 421 垫片
[0068] 511硅晶须
[0069] 513多层石墨稀
[0070] 515 碳膜
[0071] 517 钨膜
[0072] 523多层石墨烯
[0073] 5000显示装置
[0074] 5001 框体
[0075] 5002 显示部
[0076] 5003扬声器部
[0077] 5004蓄电装置
[0078] 5100照明装置
[0079] 5101 框体
[0080] 5102 光源
[0081] 5103蓄电装置
[0082] 5104 天花板
[0083] 5105 墙
[0084] 5106 地板
[0085] 5107 窗户
[0086] 5200 室内机
[0087] 5201 框体
[0088] 5202 送风口
[0089] 5203蓄电装置
[0090] 5204 室外机
[0091] 5300电冷藏冷冻箱
[0092] 5301 框体
[0093] 5302冷藏室门
[0094] 5303冷冻室门
[0095] 5304蓄电装置