[发明专利]一种快充的柔性锂离子电池及其电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种快充的柔性锂离子电池及其电极的制备方法，属于锂离子电池技术领域。

背景技术

随着全球能源问题的日益突出，各国对于新一代清洁能源的开发显得十分紧迫。锂离子电池是当今国际公认的理想化学能源，具有体积小、电容量大、电压高等优点，被广泛用于移动电话、手提电脑等电子产品，日益扩大的电动汽车领域也将给锂离子电池带来更大的发展空间。近年来，作为下一代最有前景之一的柔性/可折叠电子器件的研究备受瞩目，便携式移动电子产品也正在向“可弯曲”的方向发展，这实际上是一种超薄超轻设计的发展。2011年美籍华人罗切斯特大学教授邓青云在上海大学演讲时就曾预测，“再过一年，你将看到屏幕可以弯曲、折叠的手机；再过3-4年，像纸一样薄的电视机屏幕将‘贴’在墙上”。三星在2012报道了可弯曲折叠的柔性屏幕。可折叠或可弯曲的便携电子产品，如笔记本电脑、平板电脑以及手机等将很快成为下一代电子产品主流，并且极大影响和改变我们的生活方式。但柔性电子产品应用必须有柔性的电池配合使用，因此如何将柔性构建的思路与基于纳米材料的锂离子电池相结合来获得高电池性能、优良弯折稳定性的锂离子电池是柔性电子产品发展的一个关键，也成为研究热点和难点。目前关于柔性电池正在发展之中，如2010年七月份的《ACS nano》（ACSnano.5843.2010）就报道了一种既薄又能折叠的薄膜纸质锂电池，将碳纳米管涂在一张表层含有锂化合物纳米管上构成了一个电极，其中锂化物是活性物质，碳纳米管是集流体，对于电极的电化学特性进行了研究。最近武汉光电国家实验室沈国震教授结合国内外在能源存储领域最新研究进展，设计构建出了一种基于多级三维钴酸锌纳米线阵列/碳布复合结构的新型柔性高性能锂离子电池电极材料，探索了其作为负极的电化学性能。但目前这些柔性电池的研究都仅仅局限于电化学性能研究，并未将所得到电极材料组装成可以应用的电池，同时也没有考虑电池的组装等与实际应用中的问题，因此距离成品器件有很大距离。当前柔性电极设计主要是采用碳纳米管、碳纤维或石墨烯纳米片物理搭接而成导电网络薄膜作为集流体，或者本身作为活性物质或者将活性物质负载构成电极，因这些炭材料之间的接触电阻比较大使得电极导电性很差，因此柔性电极本身快速充电性能都不理想，当组装成电池以后快速充电几乎不可能。因此漫长的充电时间成为限制锂离子电池进一步应用的瓶颈，但现实需求是希望能够尽快完成充电，特别是希望达到设计容量90%的时间不超过10分钟。一般而言，电池快速充电性能主要与锂离子和电子在电池材料中的传输速度有关。根据当前研究结果分析，研究人员提出了实现电池电极材料的快速充电性能的三种主要方法：(1)减小电极材料的尺寸，通过获得纳米尺寸的材料来减小锂离子和电子的扩散距离；(2)发展具有特殊形貌的材料，如可实现电解液的快速浸润的多孔材料，来实现锂离子从内部至材料表面的快速传输；(3)电极材料具有良好导电网络，来提高离子和电子的扩散速度。最近，韩国研究组报道了采用正极材料标准锂锰氧化物，将其浸泡在蔗糖溶液中（Angewandte Chemie International Edition.51.8748-8752.2012）搅拌至干，对其通过加热处理使得在锂锰氧化物表面包覆热解炭，其中热解炭形成了一个可导电网络而锂锰氧化物活性物质贯穿在其中的正极，然后以锂离子电池标准电解液和石墨负极，组装得到了可快速充电的锂离子电池在100C高倍率下可得到80mAh/g的比容量。这个设计充分利用了石墨导电网络，能够在快速充电过程中使全部活性物质锂锰氧化物颗粒同时充电，使充电速度提高30到120倍。但该设计仍然基于传统电池设计，尽管得到了可快速充电的锂离子电池，电池仍然需要涂布工艺过程将活性物质涂覆在金属集流体表面作为电极，因此很难实现可弯折等柔性特性。因此设计并制备出可快速充电的柔性电池是目前锂离子电池领域面临的一大挑战。

我们提出采用兼具平面和曲面结构特点的泡沫金属作为生长基体，利用气相化学沉积过程可以得到具有三维连通网络结构的泡沫状石墨烯体材料。研究发现这种石墨烯体材料完整地复制了泡沫金属的结构，石墨烯以无缝连接的方式构成一个全连通的整体，具有优异的电荷传导能力、~850m²/g比表面积、～99.7%的孔隙率和~5mg/cm³极低密度（申请专利号：201110056973.3）。这为设计和制备具有快速充放电柔性锂离子电池提供了非常好的物质基础。

发明内容