[发明专利]电化学石墨烯及包含其的电极复合材料与锂电池

说明书

技术领域

本发明涉及一种电化学石墨烯及包含所述电化学石墨烯的电极复合材料与锂电池。 

背景技术

由于地球持续变暖、日本及南亚的海啸、石油逐渐枯竭及核电安全等危难，现在对环境保护及节能减碳的要求已刻不容缓。目前日本、中国及欧美各国已着手开发新能源和储能系统，并通过发展电动车与油电混合车以减少对石油的依赖性。在台湾大部分能源均依赖进口的情况下，对于新能源系统及材料的开发上自然更不应落后。 

然而，目前电动车还无法完全取代汽柴油车的主要原因是电动车成本远高于汽柴油车，且纯电动车充电时间需要汽柴油车加油时间的十倍以上。此外，电动车动力与续航力相比于汽柴油车也显得不足。近年来，由于锂电池具有高能量密度的优点，寄希望能逐渐取代传统的镍氢电池成为下一代电动车的主要动力来源，但锂电池成本则远高于传统镍氢电池。目前研究发现可将石墨烯应用于锂电池材料中，可弥补充电时间过长，且可在大电流下提升锂电池动力与续航力。 

用来制造石墨烯的已知技术包含机械剥离法(mechanical exfoliation)、外延成长法(epitaxial growth)、化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)及化学剥离法(chemical exfoliation)等方法。使用机械剥离法及外延成长法虽然可以生成质量较好的石墨烯，但这两种方法都无法大面积合成石墨烯；化学气相沉积法及化学剥离法则由于成本昂贵，因此应用于电动车电池材料中显然有困难。因此，目前仍需一种可大规模量产石墨烯的方法，供电池材料粉末厂或电池制造商进行电池材料再加工(表面改质)或直接进行混浆工艺，期望以较低的材料成本提升锂电池的循环寿命和动力及续航力，进而降低电动车锂电池的成本。 

目前石墨烯在锂电池上的应用已经有许多学术论文及相关专利，但大多数是利用胡默尔方法(Hummers'method)制成氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)，再将分散的GO溶液与锂电池正负极材料的前体(precursor)结合。期刊文献材料化学杂志(Journal of Materials Chemistry,2011,21,3353)揭露将磷酸铁锂正极材料(LiFePO₄)前体与GO溶液在600℃或 更高的温度下锻烧，能将GO还原成石墨烯，同时将锂电池正极材料前体锻烧为锂电池正极材料与石墨烯的复合材料，或石墨烯包覆的锂电池正极材料的复合材料。 

此外，期刊文献美国化学协会应用材料与界面(ACS Appl.Mater.Interfaces2011,3,2966-2972)揭露类似的化学剥离石墨烯合成方法(Chemically-exfoliated grapheme,ECG,又称石墨脱层法)，并揭露由化学剥离法所制得的石墨烯可与诸如锂镍锰钴氧(LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂)等锂电池正极材料结合，以形成复合材料。所述合成方法所生产的石墨烯需占整体电池材料含量的约5wt%到10wt%，才可达到锂电池在大电流放电下的电化学性能。 

美国专利第7,745,047B2号揭露一种锂电池负极材料制备方法，其是将GO的前体与不同的负极材料进行混合并进行加热剥离/还原石墨烯。然而，化学剥离石墨烯工艺需要较多的化学步骤，较易造成环境污染，且所述石墨烯质量易于受到原料状况、剥离过程及还原条件等影响，因此所述工艺难以稳定控制。因此，将所述方法应用于工业化量产化学剥离石墨烯表面改质的锂电池正负极材料(ECG-surface modified cathode and anode materials)时，其产品性能将难以维持。 

因此，目前仍需一种成本低廉且工艺简便的方法，以制备高质量石墨烯及包含高质量石墨烯的锂电池电极材料。 

发明内容

鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种低成本、流程简便且快速生产的含高质量电化学石墨烯。