0]圖4a?4c是現(xiàn)有技術(shù)的電容器的電容量-電極電勢圖，其可各自與石墨烯鋰離子電容器的性能比較；
[0041]圖5是可確認(rèn)本發(fā)明提出的石墨烯鋰離子電容器的性能的電容量-電壓圖；
[0042]圖6是可將石墨烯鋰離子電容器與現(xiàn)有技術(shù)的電容器進(jìn)行比較的電容量-電池電壓圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043]現(xiàn)將詳細(xì)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，其實(shí)例將在附圖中進(jìn)行圖示。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員還將明顯的是，可對(duì)本發(fā)明作出各種修改和變型而不背離本發(fā)明的精神或范圍。因此，意圖的是本發(fā)明覆蓋該發(fā)明的修改和變型，只要其落入所附的權(quán)利要求及其等價(jià)物的范圍內(nèi)。
[0044]下面，將參照附圖更為詳細(xì)地描述本發(fā)明涉及的石墨烯鋰離子電容器。在本說明書中，相似的附圖標(biāo)記用來指代相似的構(gòu)成元素，即使它們?cè)诓煌氖纠詫?shí)施方式中，并且其描述可以使用初始描述替換。本文采用的單數(shù)表述包括復(fù)數(shù)描述，除非其在上下文中具有明確相反的含義。
[0045]圖1是本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施方式涉及的石墨烯鋰電池電容器100的概念圖，其圖示了預(yù)摻雜鋰離子之前的狀態(tài)。
[0046]下面，將描述石墨烯鋰離子電容器100的整體構(gòu)造，并且隨后會(huì)描述將石墨烯用作電極(陽極和/或陰極)用材料的本發(fā)明的特征。然后，將描述石墨烯鋰離子電容器100的其他構(gòu)造。
[0047]首先，當(dāng)描述石墨烯鋰離子電容器100的整體構(gòu)造時(shí)，石墨烯鋰離子電容器包括陽極I1和150、陰極120和160、鋰犧牲電極130、分離膜140和鋰電解質(zhì)(未示出)。
[0048]陽極110和150和陰極120和160部分或全部由石墨烯材料110形成。石墨烯由碳原子構(gòu)成，是指具有一個(gè)原子厚度的薄膜。特別地，在本發(fā)明中，陰極120和160由層疊了石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成，并且該結(jié)構(gòu)將在下文描述。
[0049]鋰犧牲電極130與陰極120和160電連接，以向陰極120和160提供預(yù)摻雜鋰離子。鋰犧牲電極130通常由鋰金屬形成，但只要可以向陰極120和160提供預(yù)摻雜鋰離子，就可以用作鋰犧牲電極130，并且其不必限于此。
[0050]分離膜140設(shè)置在陽極110和150與陰極120和160之間，以將陽極110和150與陰極120和160分離。分離膜140形成為多孔狀以使離子通過。
[0051]鋰電解質(zhì)以離解為離子的狀態(tài)與陽極110和150以及陰極120和160結(jié)合，以在陽極110和150與陰極120和160之間流過電流。在石墨烯鋰離子電容器100的充電過程中，離解進(jìn)入電解質(zhì)的負(fù)離子與陽極110和150結(jié)合，并且正離子與陰極120和160結(jié)合。相反，在石墨烯鋰離子電容器100的放電過程中，離解進(jìn)入電解質(zhì)的負(fù)離子從陽極110和150發(fā)出，并且正尚子從陰極120和160發(fā)出。
[0052]可以形成各種類型的電池，如扣式、圓柱式、棱柱式和袋式電池。
[0053]接下來，將描述將石墨烯選擇為電極(陽極和/或陰極)用材料的本發(fā)明的特征。在本發(fā)明中，可以使用石墨烯材料或復(fù)合材料(其中石墨烯材料與異質(zhì)材料混合)作為電極用活性材料。
[0054]在本發(fā)明中，特別地，陰極120和160由多層結(jié)構(gòu)形成，以將鋰犧牲電極提供的鋰離子吸附到陰極120和160的表面上，并且容納插入在形成陰極120和160的石墨烯層121之間的鋰離子。當(dāng)陰極120和160由石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成時(shí)，鋰犧牲電極130提供的鋰離子可以平滑地插入在石墨烯層121之間，或從石墨烯層121上脫附。例如，陰極120和160可以通過層疊2?500層的石墨稀層121而形成。
[0055]當(dāng)鋰離子僅電沉積在石墨烯的表面上時(shí)，將形成鋰金屬，并且隨著電容器的充電和放電的次數(shù)增大，鋰金屬形成枝狀結(jié)構(gòu)。枝狀結(jié)構(gòu)造成電池短路，因而可以引發(fā)電容器穩(wěn)定性的問題。
[0056]不過，本發(fā)明的陰極120和160由層疊了石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成，并且由鋰犧牲電極130提供的鋰離子被吸附在石墨烯120的表面，并插入在石墨烯層121之間。由石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成的陰極120和160預(yù)摻雜有鋰離子，因而該表面和多層結(jié)構(gòu)的至少一部分由鋰碳化物形成。當(dāng)陰極120和160的表面甚至內(nèi)部由鋰碳化物形成時(shí)，即使電容器100的充電和放電的次數(shù)增大也不會(huì)形成枝狀結(jié)構(gòu)，由此改善了電容器100的穩(wěn)定性。因此，由石墨烯層121的多層結(jié)構(gòu)形成的陰極120和160可以改善電容器100的可靠性。
[0057]陰極120和160可以由石墨烯材料120形成，還可以由其中石墨烯材料120與異質(zhì)材料混合的復(fù)合材料形成。異質(zhì)材料包括選自由金屬材料、金屬氧化物、硫化物和氮化物組成的組中的至少一種。
[0058]金屬材料與鋰離子反應(yīng)形成鋰金屬合金。當(dāng)其中石墨稀材料120與金屬材料混合的復(fù)合材料預(yù)摻雜有鋰離子時(shí)，由于與鋰碳化物的反應(yīng)而可以形成鋰金屬合金。
[0059]金屬氧化物與鋰離子反應(yīng)從而形成鋰金屬氧化物。當(dāng)其中石墨烯材料120與金屬氧化物混合的復(fù)合材料預(yù)摻雜有鋰離子時(shí)，由于與鋰碳化物的反應(yīng)而可以形成鋰金屬氧化物。
[0060]硫化物與鋰離子反應(yīng)從而形成鋰硫化物。當(dāng)其中石墨烯材料120與硫化物混合的復(fù)合材料預(yù)摻雜有鋰離子時(shí)，由于與鋰碳化物的反應(yīng)而可以形成鋰硫化物。
[0061]氮化物與鋰離子反應(yīng)從而形成鋰氮化物。當(dāng)其中石墨烯材料120與氮化物混合的復(fù)合材料預(yù)摻雜有鋰離子時(shí)，由于與鋰碳化物的反應(yīng)而可以形成鋰氮化物。
[0062]復(fù)合材料可以用于使鋰離子可以插入在石墨烯層121的內(nèi)部或從石墨烯層121脫附的本體反應(yīng)中。因此，復(fù)合材料可以對(duì)石墨烯鋰離子電容器100提供與本體反應(yīng)中使用的鋰離子同樣程度的額外的電容。
[0063]存在多種方法由鋰犧牲電極130提供用于預(yù)摻雜陰極120和160的鋰離子。下面，將描述電化學(xué)方法、物理方法和化學(xué)方法。
[0064]作為由鋰犧牲電極130提供用于預(yù)摻雜陰極120和160的鋰離子的電化學(xué)方法，可使用兩種方法。
[0065]首先，鋰犧牲電極130可以與陰極120和160的石墨烯材料120或集電體160電連接以形成原電池，并且可以通過電化學(xué)反應(yīng)離解為鋰離子。
[0066]該方法以外的電化學(xué)方法使鋰犧牲電極130與石墨烯材料120或集電體160電連接，通過外部對(duì)其施加電壓和電流來由鋰犧牲電極130離解出鋰離子。
[0067]由鋰犧牲電極130提供用于預(yù)摻雜陰極120和160的鋰離子的物理方法，在鋰犧牲電極130局部相比于石墨烯鋰離子電容器100的其他區(qū)域形成高溫環(huán)境，由此由鋰犧牲電極130離解出鋰離子。
[0068]由鋰犧牲電極130提供用于預(yù)摻雜陰極120和160的鋰離子的化學(xué)方法通過將增溶劑(未示出)注入電容器100中而由鋰犧牲電極130離解出鋰離子。
[0069]作為增溶劑，可以使用萘或N-甲基吡咯烷酮等形式的可對(duì)鋰離子提供電子的有機(jī)分子。增溶劑可以是選自由以下化合物組成的組中的單分子化合物或其組合:a)包含C、N、O、S1、P或S異質(zhì)元素的基于電子雜化結(jié)構(gòu)(electronic hybrid structure)的5元或6元單環(huán)化合物；b)環(huán)中至少兩個(gè)環(huán)彼此連接的多環(huán)化合物；和c)環(huán)中至少兩個(gè)環(huán)共用至少一個(gè)元素的多環(huán)化合物。
[0070]對(duì)于預(yù)摻雜陰極120和160，可以提供從鋰犧牲電極130離解進(jìn)入電解質(zhì)的鋰離子。
[0071]與陰極120和160相似，陽極110和150的至少一部分由石墨烯材料110形成。為了充分保證石墨烯鋰離子電容器100的能量密度，優(yōu)選的是，陽極110和150由比表面積為10mVg以上的石墨烯材料形成。通常，除集電體150以外的陽極110和150的厚度可以是50 μ m ~ 300 μ m。
[0072]石墨烯材料100可以形成平坦?fàn)?，不過其至少一部分可以以起皺或折皺的形式形成以防止比表面積由于石墨烯層的再層疊而降低。對(duì)于石墨烯材料而言，石墨烯材料111的再層疊可以由范德華力相互作用產(chǎn)生，并且石墨烯層111的再層疊造成電極(陽極110和150、陰極120和160)的比表面積降低，并造成電極(陽極110和150、陰極120和160)的電容降低。當(dāng)石墨烯層111以起皺或折皺的形式形成時(shí)，可以防止石墨烯層再層疊，并且防止電極(陽極110和150、陰極120和160)的電容降低。
[0073]陽極110和150可進(jìn)一步包含插入在石墨烯層111之間的間隔物(未示出)，以防止比表面積由于石墨烯層111的再層疊而降低。間隔物可設(shè)置在石墨烯層111之間以抑制