本发明属于石墨烯电池技术领域，具体的，涉及一种石墨烯电池及其制备方法。
背景技术：
锂离子电池是一种二次电池，它主要依靠锂离子在电池的正极与负极之间快速移动来工作，锂离子电池由于其高容量的特性，是现代高性能电池的代表，在手机、笔记本电脑等物品中常使用，锂离子电池包括正负极、隔膜、电解液与外壳，隔膜将正负极片进行隔离，防止正负极片直接接触导致电池短路进而造成爆炸、起火等危害，其中隔膜在吸收电解液后，在其内部生成曲折贯通的微孔通道，从而电解液之中的锂离子可以通过微孔通道穿过隔膜，隔膜性能的优劣决定了电池的截面结构与内阻，进而对电池的容量、循环性能与充放电性能造成影响。
隔膜在实际应用中有这样的矛盾，为了保证锂离子电池的安全性能，隔膜需要有一定的厚度，保证隔膜具有良好的隔绝性能，但是厚度较大的隔膜会降低电池的能量密度，还会影响锂离子穿过隔膜的速度，因此有一些厂家会通过降低隔膜厚度来提升电池能量密度，但是厚度的降低会提升生产难度，易造成质量缺陷，使隔膜不能有效的隔离电池正负极，进而引发电池的短路与爆炸；同时锂离子电池正极是制约锂离子电池的关键因素之一，如何提高锂离子电池隔膜性能与锂离子电池的正极材料性能时提升锂离子电池性能的关键，为了解决这一问题，本发明提供了以下技术方案。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种石墨烯电池及其制备方法。
本发明需要解决的技术问题为：
1、现有技术中，为了保证锂离子电池隔膜的质量与安全性能，会提升电池隔膜的厚度，但是单纯提升隔膜的厚度导致锂离子穿过隔膜的速度减慢，从而直接影响电池的充放电性能，如何在不影响电池隔膜安全性能的同时提升锂离子穿越电池隔膜的速度，是现有技术需要解决的问题；
2、如何对锂离子电池的正极材料进行改性，防止锂离子电池正极与电解液之间直接接触发生副反应，导致锂离子电池在长期使用之后电池的循环西能与使用寿命明显下降。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种石墨烯电池，包括正极片、负极片、石墨烯改性隔膜、电解液与电池外壳，所述正极片以铝箔作为正极集流体，负极片以铜箔作为负极集流体，所述正极集流体上涂覆有改性正极材料，所述负极集流体上涂覆有负极材料。
步骤一：石墨烯改性隔膜的制备
s1：将海藻酸钠加入去离子水中搅拌形成具有一定粘度的透明胶状体，其中海藻酸钠与去离子水的质量比为1:20，再将聚乙烯醇与三乙胺加入其中，继续搅拌均匀，形成浸渍液，其中聚乙烯醇占浸渍液的质量分数为25％-40％，三乙胺作为催化剂引入浸渍液中，三乙胺占浸渍液的质量分数为0.05％-0.2％；
s2：先将浸渍液加入密封容器中，浸渍液的温度加热至45-55℃后，将基材膜完全浸入浸渍液，调节密封容器内气压稳定在1.2-1.3atm，加压浸渍处理20-25min后，采用浸渍提拉法将基材膜提出浸渍液，提拉速度为12-15cm/min，得到改性基材膜，加热与加压的目的均为使浸渍液快速的依附在基材膜的表面，由于步骤一中的浸渍液具有一定粘度，采用浸渍提拉法能够在基材膜表面形成一层薄膜；
s3：制备纳米氧化石墨；
s4：在n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在n-甲基吡咯烷酮中的质量百分数为0.2-0.4％，再将上一步骤中制备的纳米氧化石墨加入n-甲基吡咯烷酮中，超声处理3-5h，使纳米氧化石墨在n-甲基吡咯烷酮中剥离形成纳米氧化石墨烯，过滤后得到氧化石墨烯；
s5：将上一步骤中得到的氧化石墨烯烘干后加入石英舟中，在惰性气体保护气氛中加热，所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气，在5min内将加热温度提升至300-450℃后维持该温度加热10-20min对氧化石墨烯进行热还原得到石墨烯；
s6：将乙二醛与环氧氯丙酮加入n-甲基吡咯烷酮中形成混合溶剂，其中乙二醛占混合溶剂的体积百分数为15％-20％，环氧氯丙酮占混合溶剂的体积百分数为25％-30％，再向混合溶剂中加入十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在混合溶剂中的质量百分数为0.2-0.4％，再将上一步骤中得到的石墨烯加入混合溶剂中，石墨烯的质量与混合溶剂的体积之比为1:50-65，超声处理5-10分钟，使石墨烯均匀分散，得到改性溶胶；
s7：将步骤二中得到的的改性基材膜浸入改性溶胶中，在45-48℃的温度下反应2-3h，在改性基材膜的表面固化形成一层均匀的石墨烯薄，然后将改性基材膜取出后在温度52-55℃的乙二醛气氛中反应1-1.5h，得到石墨烯改性隔膜，这一过程中，首先通过环氧氯丙酮与海藻酸钠交联反应，在改性基材膜的表面固化形成一层均匀的石墨烯薄膜，但是薄膜结构并不稳定，将改性基材膜取出后在温度52-55℃的乙二醛气氛中反应1-1.5h，加热环境压强保持为一个大气压，使聚乙烯醇与乙二醛交联反应对石墨烯薄膜进行固化。
所述基材膜为聚烯烃微孔膜，聚烯烃微孔膜包括但不限于聚乙烯微孔膜、聚丙烯微孔膜、pp/pe复合膜。
本发明首先使用纳米石墨粉作为制备石墨烯的材料，且在制备过程中使用超声法进行剥离，使制备的石墨烯较小，石墨烯能够填充进入基材膜的微孔结构，加速锂离子在基材膜中的传导速度，提升电池的充放电速率。
步骤二：改性正极材料的制备
ss1、制备纳米氧化石墨；
ss2、将上一步骤中制备的纳米氧化石墨过滤烘干后放置在700w-1000w的功率下微波处理5-8min得到膨胀纳米氧化石墨，将制备的膨胀纳米氧化石墨加入去离子水中搅拌分散后以400w-600w超声处理30-44min，使膨胀氧化石墨片层剥离形成尺寸更小的膨胀纳米氧化石墨，这一过程中超声处理的时间需要严格进行控制，当超声时间过长时会出现膨胀纳米氧化石墨破碎严重而出现大量小尺寸石墨烯的情况；
ss3、将制备形成的膨胀纳米氧化石墨过滤烘干后加入n-甲基吡咯烷酮中，n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，分散剂在n-加急吡咯烷酮中的质量百分数为0.1-0.25％，膨胀纳米氧化石墨的浓度为0.4-1.8mg/ml，得到分散液；
ss4、将锂离子电池正极活性材料加入上一步骤中制备的分散液中，所加入的正极活性材料与分散液中的膨胀纳米氧化石墨的质量比为12-14:1，每机械搅拌3-5min后以300w-400w超声处理10-13min，如此反复处理4-6遍，其中机械搅拌的搅拌转速不超过720r/min，防止嵌入膨胀石墨缝隙中的正极活性材料再次脱离，影响改性效果，其中超声处理是为了拓张膨胀石墨片层之间缝隙，并通过超声空化效果产生的冲击力将锂离子电池正极活性材料送入缝隙中，其中机械搅拌是为了防止正极活性材料、膨胀石墨分布不均导致嵌入不均匀，虽然分散液中添加有分散剂，但是为了防止分散剂的存在对电池的工作造成明显影响，分散剂的添加量需要进行控制，因此才需要机械搅拌进行辅助。
ss5、将上一步骤中得到的产物过滤后烘干，并将烘干后产物在惰性气体气氛中以200-220℃烧结3-5h，提高正极活性物质与膨胀石墨的结合能力。
所述锂离子电池正极活性物质为具有层状结构、尖晶石结构与橄榄石结构中的一种的锂离子电池正极活性材料。
步骤三：电池组装
按负极片、石墨烯改性隔膜、正极片、石墨烯改性隔膜的顺序通过卷绕或叠片的方法制成电芯，将电芯置于电池外壳中，外壳密封后注入电解液，然后通过化成、分容工序制作成高安全性能的锂离子电池。
所述纳米氧化石墨的制备方法为：
将纳米石墨粉与硝酸钠混合均匀后加入质量比98％的浓硫酸中搅拌反应3-5min，然后向其中加入高锰酸钾，在不超过20℃的环境下连续搅拌反应1.5-2.5h，提高反应温度至35-40℃继续反应30min后向其中加入适量去离子水，提升温度至95-98℃，加热至溶液呈棕黄色，向其中加入质量比为30％的双氧水后过滤得到纳米氧化石墨，其中石墨、硝酸钠、高锰酸钾的质量比为2:1:6，石墨、硝酸钠、高锰酸钾的总质量与浓硫酸的体积之比为1:5，浓硫酸与去离子水的体积比为1:2。
本发明的有益效果：
1、本发明通过石墨烯对锂离子电池隔膜进行改性，利用锂离子能够在石墨烯中快速传播的特性提升电池隔膜的性能，从而在不影响电池隔膜厚度的同时提升电池的充放电性能；
2、本发明通过石墨烯材料对锂离子电池的正极材料进行包覆改性，将锂离子电池正极材料与电解液进行分隔，提升锂离子电池正极材料的循环性能，同时石墨烯包覆在锂离子正极材料表面能够提升正极材料对锂离子的交换能力，还提升了电池的容量。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种石墨烯电池，包括正极片、负极片、石墨烯改性隔膜、电解液与电池外壳，所述正极片以铝箔作为正极集流体，负极片以铜箔作为负极集流体，所述正极集流体上涂覆有改性正极材料，所述负极集流体上涂覆有负极材料。
所述石墨烯改性隔膜的制备工艺包括如下步骤：
步骤一：将海藻酸钠加入去离子水中搅拌形成具有一定粘度的透明胶状体，其中海藻酸钠与去离子水的质量比为1:20，再将聚乙烯醇与三乙胺加入其中，继续搅拌均匀，形成浸渍液，其中聚乙烯醇占浸渍液的质量分数为30％，三乙胺作为催化剂引入浸渍液中，三乙胺占浸渍液的质量分数为0.1％；
步骤二：先将浸渍液加入密封容器中，浸渍液的温度加热至50℃后，将基材膜完全浸入浸渍液，调节密封容器内气压稳定在1.2atm，加压浸渍处理25min后，采用浸渍提拉法将基材膜提出浸渍液，提拉速度为12cm/min，得到改性基材膜；
步骤三：制备纳米氧化石墨；
步骤四：在n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在n-甲基吡咯烷酮中的质量百分数为0.2％，再将上一步骤中制备的纳米氧化石墨加入n-甲基吡咯烷酮中，超声处理4h，使纳米氧化石墨在n-甲基吡咯烷酮中剥离形成纳米氧化石墨烯，过滤后得到氧化石墨烯；
步骤五：将上一步骤中得到的氧化石墨烯烘干后加入石英舟中，在惰性气体保护气氛中加热，所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气，在5min内将加热温度提升至350℃后维持该温度加热20min对氧化石墨烯进行热还原得到石墨烯；
步骤六：将乙二醛与环氧氯丙酮加入n-甲基吡咯烷酮中形成混合溶剂，其中乙二醛占混合溶剂的体积百分数为15％，环氧氯丙酮占混合溶剂的体积百分数为25％，再向混合溶剂中加入十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在混合溶剂中的质量百分数为0.2％，再将上一步骤中得到的石墨烯加入混合溶剂中，石墨烯的质量与混合溶剂的体积之比为1:50，超声处理7分钟，使石墨烯均匀分散，得到改性溶胶；
步骤七：将步骤二中得到的的改性基材膜浸入改性溶胶中，在45℃的温度下反应2.5h，在改性基材膜的表面固化形成一层均匀的石墨烯薄，然后将改性基材膜取出后在温度52℃的乙二醛气氛中反应1.5h，得到石墨烯改性隔膜；
所述基材膜为聚乙烯微孔膜。
所述改性正极材料的制备工艺包括如下步骤：
s1、制备纳米氧化石墨；
s2、将上一步骤中制备的纳米氧化石墨过滤烘干后放置在700w的功率下微波处理8min得到膨胀纳米氧化石墨，将制备的膨胀纳米氧化石墨加入去离子水中搅拌分散后以400w超声处理44min，使膨胀氧化石墨片层剥离形成尺寸更小的膨胀纳米氧化石墨；
s3、将制备形成的膨胀纳米氧化石墨过滤烘干后加入n-甲基吡咯烷酮中，n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，分散剂在n-加急吡咯烷酮中的质量百分数为0.1％，膨胀纳米氧化石墨的浓度为0.9mg/ml，得到分散液；
s4、将锂离子电池正极活性材料加入上一步骤中制备的分散液中，所加入的正极活性材料与分散液中的膨胀纳米氧化石墨的质量比为12:1，每机械搅拌3min后以300w超声处理13min，如此反复处理6遍，其中机械搅拌的搅拌转速不超过720r/min；
s5、将上一步骤中得到的产物过滤后烘干，并将烘干后产物在惰性气体气氛中以200℃烧结4h。
所述锂离子电池正极活性物质为具有层状结构的锂离子电池正极活性材料。
所述纳米氧化石墨的制备方法为：
将纳米石墨粉与硝酸钠混合均匀后加入质量比98％的浓硫酸中搅拌反应3min，然后向其中加入高锰酸钾，在不超过20℃的环境下连续搅拌反应2.5h，提高反应温度至35℃继续反应30min后向其中加入适量去离子水，提升温度至95℃，加热至溶液呈棕黄色，向其中加入质量比为30％的双氧水后过滤得到纳米氧化石墨，其中石墨、硝酸钠、高锰酸钾的质量比为2:1:6，石墨、硝酸钠、高锰酸钾的总质量与浓硫酸的体积之比为1:5，浓硫酸与去离子水的体积比为1:2。
实施例2：
一种石墨烯电池，包括正极片、负极片、石墨烯改性隔膜、电解液与电池外壳，所述正极片以铝箔作为正极集流体，负极片以铜箔作为负极集流体，所述正极集流体上涂覆有改性正极材料，所述负极集流体上涂覆有负极材料。
所述石墨烯改性隔膜的制备工艺包括如下步骤：
步骤一：将海藻酸钠加入去离子水中搅拌形成具有一定粘度的透明胶状体，其中海藻酸钠与去离子水的质量比为1:20，再将聚乙烯醇与三乙胺加入其中，继续搅拌均匀，形成浸渍液，其中聚乙烯醇占浸渍液的质量分数为30％，三乙胺作为催化剂引入浸渍液中，三乙胺占浸渍液的质量分数为0.2％；
步骤二：先将浸渍液加入密封容器中，浸渍液的温度加热至55℃后，将基材膜完全浸入浸渍液，调节密封容器内气压稳定在1.3atm，加压浸渍处理20min后，采用浸渍提拉法将基材膜提出浸渍液，提拉速度为15cm/min，得到改性基材膜；
步骤三：制备纳米氧化石墨；
步骤四：在n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在n-甲基吡咯烷酮中的质量百分数为0.4％，再将上一步骤中制备的纳米氧化石墨加入n-甲基吡咯烷酮中，超声处理3h，使纳米氧化石墨在n-甲基吡咯烷酮中剥离形成纳米氧化石墨烯，过滤后得到氧化石墨烯；
步骤五：将上一步骤中得到的氧化石墨烯烘干后加入石英舟中，在惰性气体保护气氛中加热，所述惰性气体包括但不限于氮气、氦气，在5min内将加热温度提升至450℃后维持该温度加热10min对氧化石墨烯进行热还原得到石墨烯；
步骤六：将乙二醛与环氧氯丙酮加入n-甲基吡咯烷酮中形成混合溶剂，其中乙二醛占混合溶剂的体积百分数为18％，环氧氯丙酮占混合溶剂的体积百分数为30％，再向混合溶剂中加入十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，其中十六烷基三甲基溴化氨在混合溶剂中的质量百分数为0.4％，再将上一步骤中得到的石墨烯加入混合溶剂中，石墨烯的质量与混合溶剂的体积之比为1:60，超声处理10分钟，使石墨烯均匀分散，得到改性溶胶；
步骤七：将步骤二中得到的的改性基材膜浸入改性溶胶中，在48℃的温度下反应2h，在改性基材膜的表面固化形成一层均匀的石墨烯薄，然后将改性基材膜取出后在温度55℃的乙二醛气氛中反应1h，得到石墨烯改性隔膜；
所述基材膜为聚丙烯微孔膜；
所述改性正极材料的制备工艺包括如下步骤：
s1、制备纳米氧化石墨；
s2、将上一步骤中制备的纳米氧化石墨过滤烘干后放置在1000w的功率下微波处理5min得到膨胀纳米氧化石墨，将制备的膨胀纳米氧化石墨加入去离子水中搅拌分散后以600w超声处理30min；
s3、将制备形成的膨胀纳米氧化石墨过滤烘干后加入n-甲基吡咯烷酮中，n-甲基吡咯烷酮中溶解有十六烷基三甲基溴化氨作为分散剂，分散剂在n-加急吡咯烷酮中的质量百分数为0.25％，膨胀纳米氧化石墨的浓度为1.8mg/ml，得到分散液；
s4、将锂离子电池正极活性材料加入上一步骤中制备的分散液中，所加入的正极活性材料与分散液中的膨胀纳米氧化石墨的质量比为14:1，每机械搅拌5min后以400w超声处理10min，如此反复处理6遍，其中机械搅拌的搅拌转速不超过720r/min；
s5、将上一步骤中得到的产物过滤后烘干，并将烘干后产物在惰性气体气氛中以220℃烧结4h。
所述锂离子电池正极活性物质为具有层状结构、尖晶石结构与橄榄石结构中的一种的锂离子电池正极活性材料。
所述纳米氧化石墨的制备方法为：
将纳米石墨粉与硝酸钠混合均匀后加入质量比98％的浓硫酸中搅拌反应5min，然后向其中加入高锰酸钾，在不超过20℃的环境下连续搅拌反应1.5h，提高反应温度至40℃继续反应30min后向其中加入适量去离子水，提升温度至98℃，加热至溶液呈棕黄色，向其中加入质量比为30％的双氧水后过滤得到纳米氧化石墨，其中石墨、硝酸钠、高锰酸钾的质量比为2:1:6，石墨、硝酸钠、高锰酸钾的总质量与浓硫酸的体积之比为1:5，浓硫酸与去离子水的体积比为1:2。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。