[发明专利]掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体、其制备方法、电化学电极及电化学电池或电容器

说明书

技术领域

本发明涉及新材料合成制备领域，特别是涉及一种掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体及其制备方法和电化学电极。本发明还涉及一种电化学电池或电容器。 

背景技术

集流体是一种汇集电流的结构或零件，主要功能是将电池活性物质产生的电流汇集起来，提供电子通道，加快电荷转移，提高充放电库伦效率，作为集流体需要满足电导率高、机械性能好、质量轻、内阻小等特点。 

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，由于其独特的结构和光电性质使其成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点，吸引了诸多科技工作者。石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，可用于电极材料、复合材料等。 

目前，锂离子电池正极集流体一般采用铝箔，负极集流体采用铜箔等金属集流体，在充电过程中，金属集流体直接接触电解液，因此，正负极集流体较易发生腐蚀现象；另外，金属集流体与活性物质粘附不牢，界面很难紧密结合，影响了电极材料的利用率并增大了接触电阻；此外，锂离子与铝箔会发生嵌锂反应，破坏铝箔，从而导致集流体稳定性与寿命降低。目前比较常用的解决这一现象的方法是在金属集流体表面涂覆导电碳层来降低接触电阻，但仍然不能阻止嵌锂反应的发生，且涂覆导电碳层技术复杂，成本高，因此，急需寻求一 种不易被腐蚀，与电极活性材料有良好相容性的集流体。 

发明内容

为解决上述问题，本发明旨在提供一种掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体及其制备方法，该方法工艺简单，制得的掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体与电池活性材料之间的接触内阻小，从而可降低电化学电池或电容器的内阻，提高功率密度，且掺杂石墨烯可避免铝箔与电解液直接接触，从而提高电化学电池或电容器的循环稳定性与寿命。本发明还相应提供了一种电化学电极，以及使用该电极的一种电化学电池或电容器。 

第一方面，本发明提供的掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体的制备方法，包括以下步骤： 

取氧化石墨，加入到有机溶剂中，超声分散0.5~1h后，得到氧化石墨烯悬浮液； 

将所述氧化石墨烯悬浮液涂布在经清洗干燥处理的铝箔上，在60~100℃下干燥1~12小时后，得到氧化石墨烯/铝箔复合集流体； 

将得到的所述氧化石墨烯/铝箔复合集流体，在BH₃/H₂或NH₃/H₂的混合气体气氛中，在200~500℃温度下还原1~10小时，多次对辊压制，用所述有机溶剂浸泡10~60min后，再继续多次对辊压制，得到掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体。 

优选地，铝箔的厚度为5~50μm。 

优选地，铝箔的清洗干燥处理操作为：将铝箔依次置于丙酮、乙醇、去离子水中超声处理20~30min后，在55℃下干燥，再用0.1mol/L的醋酸溶液浸泡0.5~3min，真空干燥，隔绝氧气。 

将铝箔进行酸清洗，除去氧化层后，铝箔将形成比较粗糙的表面，这样有利于后续掺杂氮或硼石墨烯的压制。 

优选地，有机溶剂为二甲基亚砜（DMSO）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、N,N-二甲基乙酰胺（DMAc）、N-甲基吡咯烷酮（NMP）。 

优选地，氧化石墨烯悬浮液的浓度为0.25~1mg/mL。 

将氧化石墨烯悬浮液涂布在铝箔上，在60~100℃下干燥1~12小时，氧化石墨烯悬浮液得到干燥，即得到氧化石墨烯/铝箔复合集流体。将得到的氧化石墨烯/铝箔复合集流体，在BH₃/H₂（表示BH₃与H₂混合，体积比为1∶1）或NH₃/H₂（表示NH₃与H₂混合，体积比为1:1）的混合气体气氛中，在200~500℃温度下还原1~10小时，多次对辊压制，用有机溶剂浸泡10~60min后，再继续多次对辊压制，得到掺杂氮或硼石墨烯/铝箔复合集流体。 

由于石墨烯制备方法的限制，当氧化石墨烯被还原成石墨烯时，一般还存在一定的含氧量，这样会导致集流体电导率的降低，当其中的氧用氮或硼取代之后，生成的掺杂氮或硼的石墨烯，可在降低含氧量的同时，提高集流体的电导率。