[发明专利]一种锂离子电池石墨负极片的改性方法

说明书

本发明提供了一种用于锂离子电池的激光刻蚀改性石墨负极片的方法。将制备好的未经任何处理的石墨负极片置于激光探头下，调整激光参数。在不破坏石墨负极片整体结构的情况下，激光刻蚀石墨负极片表面，使之形成沟壑和缺陷，得到最终产物。解决了现有技术中传统的热处理、化学刻蚀、机械活化等工序复杂、环境污染、能耗大等问题。激光刻蚀后的石墨电极的电化学性能得到显著提高：在50mA/g的电流密度下表现出300‑450mAh/g的放电比容量，1A/g的电流密度下循环300圈仍具有120‑350mA/g的容量，具有较高的放电比容量和良好的循环稳定性。该方法为实现石墨负极片的结构改性和性能提升提供了一种简单、绿色、通用的策略。

技术领域：

本发明涉及锂离子电池材料领域，提供了一种涉及激光刻蚀改性石墨负极片的方法及其作为锂离子电池负极的应用。

背景技术：

负极材料作为二次储能电池的重要组成部分，对其性能起决定性作用。其中，石墨由于资源丰富、成本低，环境友好，充放电电压平台低，稳定性好成为目前商业化程度最高的负极材料。虽然有许多具有高比容量的材料可供选择(如Si、Sn、Sb和金属氧化物)，然而这些材料通常也伴随着低密度、低库伦效率以及高电位平台等缺点，导致它们的实际应用价值都远远低于石墨类材料。在未来的几十年里，石墨仍将是目前商业化电池的主要负极材料。但是，石墨的比容量、倍率性能和低温性能较差，尚不能完全满足新一代电动汽车对高能量密度和高功率密度的动力系统的要求。因此为了提高石墨电极的电化学性能，需对石墨负极进行进一步的改性研究。

目前，对石墨进行表面改性的研究主要集中在改变表面官能团的种类、数量和改变表面缺陷两个方面。主要有氧化、氟化、还原、机械活化、掺杂、表面包覆等几种。虽然这些改性方式能够在不同程度上改变石墨的界面性质和电子状态，提高石墨负极的导电性能和锂离子的扩散速率，进而改善大电流充放电性能和循环性能。但导致样品比表面积和缺陷增加，首次库伦效率下降。同时，还存在工艺繁琐、耗能大、环境污染、设备腐蚀、产物重复性和形貌结构可控性较差等问题。而石墨改性的重点仍是降低成本，减少污染，提高循环和充放电性能。

激光作为高能束处理手段之一，具有单色性、高方向性以及能量分布集中等特点，以及一些独特的优势，包括选择性和局部处理、亚微米特征尺寸、不需要化学品或加热设备、以及灵活的图形兼容性。已广泛应用于光学原件制备、太阳电池硅片打孔和石墨烯制备、切割、减薄中。例如，Kumar等用脉冲激光辐照多壁碳纳米管，制备出轴向打开的石墨烯纳米带，且无需添加任何化学试剂(Nanoscale,2011,3,2127-2129)。Sokolov等分别用低功率的连续激光和两种不同波长的脉冲激光直接烧蚀氧化石墨，使其表面形成凹坑(J.Phys.Chem.Lett.2010,1,2633-2636)。以及Wenli Zhang以水热合成的无定形碳纳米球(CNS)为前驱体，经激光刻蚀后转化为湍流状的石墨碳电极，当其作为传统超级电容器器件的电极时，具有28W cm^-3的高体积功率密度(Small Methods,2019,1900005)。因此，激光刻蚀技术在材料结构改性和电化学能量存储和转换的电极材料可控制备方面得到了广泛的应用。

激光刻蚀是当激光光束聚焦于目标物上时，光电或光热作用引发一系列的化学键的断裂。材料接受所传导的热能，重新固化或者表面材料融化，或者在炭化之前燃烧，对于吸收性能较好的炭材料，材料的蒸发或者粒子的烧蚀会在很短的时间内发生，形成一定深度的凹槽，从而实现对材料刻蚀的目的。因此，采用激光这一简单、绿色、低成本、易操作的技术，一步激光刻蚀改性石墨电极片，当其作为锂离子电极负极时，表现出更高的可逆容量、倍率性能和良好的循环稳定性，具有广阔的应用前景。

发明内容：

针对现有技术的上述问题，本发明目的在于提供了一种激光改性石墨电极片的方法，按下列方法制得：

步骤一：将一定比例的石墨样品、导电剂及黏结剂通过机械共混，制备成浆料，涂布至铜箔上，制成电极片，真空烘干；

步骤二：设定激光的波长为150nm-1500nm和激光扫描速率为0.1-100cm/s；