[发明专利]石墨烯及其制备方法，含有石墨烯的正极和电池

说明书

本发明提供一种石墨烯，所述石墨烯由单层或者多层石墨烯结构单元组成，所述石墨烯具有孔状结构，孔径分布范围为2‑10nm。石墨烯具有连续的多孔网络结构，具有良好的导电子和导离子性能。本发明还提供了石墨烯的制备方法，含有石墨烯的正极和电池。电池具有改善的循环性能和倍率性能。

技术领域

本发明属于储能领域，具体涉及一种具有多孔结构的石墨烯及其制备方法。

本发明还涉及含有这种石墨烯的正极和电池。

背景技术

相比于锂离子电池，水系二次电池的高安全性、高离子导电率和低成本的特性使其在大规模储能领域，如可再生电源、电网、甚至混合动力汽车，需求迫切。迄今为止，水系二次电池基于金属离子嵌入化学原理的如碱性Zn-MnO2电池、铅酸电池、镍氢电池正被大量的研究或商业化。

新出现了一种基于内部离子交换的水系二次电池。该电池的工作原理为，正极基于第一金属离子的脱出-嵌入反应，负极基于第二金属离子的沉积-溶解反应，电解液含参与正极脱出-嵌入反应的第一金属离子和参与负极沉积-溶解反应的第二金属离子。该类型电池的理论能量密度为160Wh/Kg，预计实际能量密度可达50～80Wh/Kg。综上所述，该类型电池非常有希望成为替代铅酸电池的下一代储能电池，具有极大的商业价值。目前，这种水系二次电池主要采用LiMn2O4作为正极活性物质，但其导电性能还不能满足要求。

通常的，导电碳黑作为导电剂用于增加电池电极的导电性。电极通常由电极活性材料，导电剂(如乙炔黑)和聚合物粘结剂混合而成。然而，炭黑纳米颗粒在远程导电性能上显示不足，从而限制了电池的倍率性能。

石墨烯是目前已知的最薄、强度最大的材料，其具有比表面积大，导电导热性能优良，热膨胀系数低等突出特点。因此石墨烯在储能领域、热传导领域以及高强材料领域具有极大的运用前景。其中之一就是作为二次电池的导电剂。

石墨烯的研究和应用对它的大批量、低成本制备提出了需求。目前石墨烯的制备方法主要有微机械剥离法、石墨插层、还原氧化石墨和气相沉积等方法。目前石墨烯的制备方法仍存在一些问题。如微机械剥离法制备的石墨烯内部缺陷较多，质量较差。化学气相沉积法制备的石墨烯具有较高的质量，但是得到的多为二维片状石墨，石墨片之间界面电阻不利于电子长程、快速传输。

因此，现有技术需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有多孔结构的石墨烯，石墨烯具有良好的长程导电子和导离子性能。

本发明提供了一种石墨烯，所述石墨烯由单层或者多层石墨烯结构单元组成，所述石墨烯具有孔状结构，孔径分布范围为2-10nm。

优选的，所述石墨烯的平均孔径范围为3-5nm。

优选的，所述石墨烯的尺寸范围为200-1000nm。

优选的，所述石墨烯的比表面积为300-2000m2/g。

本发明还提供了一种正极，所述正极包括正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和正极导电剂，所述正极导电剂包括所述的石墨烯。

本发明还提供了一种电池，包括正极、负极以及设置在所述正极和负极之间的电解液，所述正极包括正极材料，所述正极材料包括正极活性物质和正极导电剂，所述正极导电剂包括如上所述的石墨烯。

优选的，所述正极导电剂占所述正极材料的质量百分含量范围为2％-15％。

优选的，所述正极活性物质在所述正极材料的质量百分含量范围为80-90％。