CN107732116A - 一种用于锂电池的石墨烯‑碳纳米管‑二硒化镍薄膜及其制备方法 - Google Patents

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陈文亮
张勇
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Abstract

本发明公开了一种用于锂电池的石墨烯‑碳纳米管‑二硒化镍薄膜，包括从下至上依次设置的金属基底层、石墨烯薄膜层、碳纳米管层和二硒化镍层。本发明还公开了一种用于锂电池的石墨烯‑碳纳米管‑二硒化镍薄膜的制备方法，包括对金属基底层进行超声波清洗、将清洗过的金属基底层放入真空干燥箱中烘干、采用化学气相沉积法在金属基底层上直接生长出石墨烯薄膜层、采用热丝化学气相沉积法在石墨烯薄膜层上制备碳纳米管层、采用脉冲激光沉积法在碳纳米管层上制备二硒化镍层。本发明具有优良的电学性能、力学性能，同时具有良好的膨胀梯度，保证了各层薄膜在充放电过程能够紧密结合，避免了锂离子嵌入后引起的体积膨胀造成的脱落现象。

Description

一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜及其制备 方法
技术领域
本发明涉及锂电池技术领域，尤其涉及一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜及其制备方法。
背景技术
锂离子电池是一种新型高效的化学电源，具有能量密度大、循环寿命长、工作电压高、无记忆效应、自放电小和工作温度范围宽等优点，是当今各种便携式电子产品的理想化学电源，也是未来电动汽车优选动力电源，具有广阔的应用空间和经济价值。
锂离子电池通常由正极、负极和电解液组成。当对锂离子电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，到达负极的锂离子嵌入负极中，其中嵌入负极的锂离子数量越多，充电容量越高；当对锂离子电池放电时，嵌在负极中的锂离子脱离，经过电解液回到正极，其中回到正极的锂离子越多，放电容量越高。也就是说，锂离子电池中负极材料的容量性能对锂离子电池的能量密度具有重要的影响。
目前，在锂电池负极材料中应用最广泛的是石墨，其理论容量为372mAh/g，这远未达到迅猛发展的各种便携式产品，尤其是新能源汽车动力电池的高容量需求，此外，在充放电过程中石墨层容易逐渐剥落，从而影响其循环性能。除此之外，硅也可以作为锂电池石墨材料，但硅在锂离子嵌入后其体积膨胀非常大，从而会导致其容量在充放电循环中不断减小，限制了其进一步的应用。
综上，研发一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜及其制备方法，替代现有技术中的锂电池负极材料，显得格外重要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述技术问题，提供一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜，包括从下至上依次设置的金属基底层、石墨烯薄膜层、碳纳米管层和二硒化镍层。
进一步地，所述金属基底层为铜质基底、金质基底或银质基底。
进一步地，所述石墨烯薄膜层为单层石墨烯或少层石墨烯。
相应地，本发明还提供了一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、对金属基底层进行超声波清洗；
S2、将清洗过的所述金属基底层放入真空干燥箱中烘干；
S3、采用化学气相沉积法在所述步骤S2中的金属基底层上直接生长出石墨烯薄膜层；
S4、采用热丝化学气相沉积法在所述步骤S3中的石墨烯薄膜层上制备碳纳米管层；
S5、采用脉冲激光沉积法在所述步骤S4中的碳纳米管层上制备二硒化镍层。
进一步地，所述步骤S5进一步包括：
S501、将镍粉和硒粉研磨混合，研磨后将混合物压成圆片，作为脉冲激光沉积所用的靶材；
S502、控制所述碳纳米管层与所述靶材之间的距离为30-50mm，由Nd:YAG产生脉冲激光，脉冲激光经透镜聚焦后入射到所述靶材上，将所述靶材沉积在所述碳纳米管层上。
进一步地，在所述步骤S502中的脉冲激光沉积过程中，压强为5-15Pa，氩气流量为30sccm，沉积时间为45-60min。
进一步地，在所述步骤S1，所述金属基底层为铜质基底、金质基底或银质基底。
进一步地，在所述步骤S3中，所述石墨烯薄膜层为单层石墨烯或少层石墨烯。
进一步地，在所述步骤S1中，采用丙酮溶液对所述金属基底层进行超声波清洗。
实施本发明，具有如下有益效果：
(1)本发明的薄膜具有充放电性能，该薄膜的电极比容量保持在382.1-451.7Ah/g；
(2)本发明中的薄膜具有优良的力学性能，界面强度达到50N，硬度在10GPa左右；
(3)本发明中的薄膜还具有较大的比表面积，可以适当缓解电极材料在充放电时产生的体积膨胀，并控制电容衰减，有效地提高电极的循环稳定性；
(4)本发明中的薄膜具有良好的膨胀梯度，保证了各层薄膜在充放电过程能够紧密结合，避免了锂离子嵌入后引起的体积膨胀造成的脱落现象。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的结构示意图。
其中，图中附图标记对应为：1-金属基底层，2-石墨烯薄膜层，3-碳纳米管层，4-二硒化镍层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例公开了一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜，该薄膜包括从下至上依次设置的金属基底层1、石墨烯薄膜层2、碳纳米管层3和二硒化镍层4。
所述金属基底层1为铜质基底、金质基底或银质基底，所述石墨烯薄膜层2为单层石墨烯或少层石墨烯。
扫描电镜测试表明，本实施例中的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜由纳米粒子组成，粒子分布均匀。
本实施例中的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜作为锂电池的负极材料使用，该薄膜具有充放电性能，该薄膜的电极比容量保持在382.1-451.7Ah/g。本实施例中的薄膜体系界面强度达到50N，硬度在10GPa左右。本实施例中的薄膜材料还具有较大的比表面积，可以适当缓解电极材料在充放电时产生的体积膨胀，并控制电容衰减，有效地提高电极的循环稳定性。此外，本实施例中的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜具有良好的膨胀梯度，保证了各层薄膜在充放电过程能够紧密结合，避免了锂离子嵌入后引起的体积膨胀造成的脱落现象。
实施例2
本实施例公开了一种制备用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，该方法包括一下步骤：
S1、采用丙酮溶液对金属基底层1进行超声波清洗；
其中，所述步骤S1中的金属基底层1为铜质基底、金质基底或银质基底；
S2、将清洗过的所述金属基底层1放入真空干燥箱中烘干；
S3、采用化学气相沉积法在所述步骤S2中的金属基底层1上直接生长出石墨烯薄膜层2；
其中，所述步骤S3中的所述石墨烯薄膜层2为单层石墨烯或少层石墨烯；
S4、采用热丝化学气相沉积法在所述步骤S3中的石墨烯薄膜层2上制备碳纳米管层3；
S5、采用脉冲激光沉积法在所述步骤S4中的碳纳米管层3上制备二硒化镍层4；
其中，所述步骤S5进一步包括：
S501、将镍粉和硒粉研磨混合，硒粉的物质的量是镍粉的3-5倍，研磨后将混合物压成20mm的小圆片，作为脉冲激光沉积所用的靶材；
S502、控制所述碳纳米管层3与所述靶材之间的距离为30-50mm，压强为5-15Pa，氩气流量为30sccm，由Nd:YAG产生脉冲激光，脉冲激光经透镜聚焦后入射到所述靶材上，将所述靶材沉积在所述碳纳米管层3上，沉积时间为45-60min，本实施例采用脉冲激光法在烧蚀镍粉与硒粉的混合靶直接在碳纳米管层上制备二硒化镍层，使得薄膜材料整体具有理论容量大、化学稳定性好的优点。
实施本发明，具有如下有益效果：
(1)本发明的薄膜具有充放电性能，该薄膜的电极比容量保持在382.1-451.7Ah/g；
(2)本发明中的薄膜具有优良的力学性能，界面强度达到50N，硬度在10GPa左右；
(3)本发明中的薄膜还具有较大的比表面积，可以适当缓解电极材料在充放电时产生的体积膨胀，并控制电容衰减，有效地提高电极的循环稳定性；
(4)本发明中的薄膜具有良好的膨胀梯度，保证了各层薄膜在充放电过程能够紧密结合，避免了锂离子嵌入后引起的体积膨胀造成的脱落现象。
以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜，其特征在于，包括从下至上依次设置的金属基底层(1)、石墨烯薄膜层(2)、碳纳米管层(3)和二硒化镍层(4)。
2.根据权利要求1所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜，其特征在于，所述金属基底层(1)为铜质基底、金质基底或银质基底。
3.根据权利要求1所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜，其特征在于，所述石墨烯薄膜层(2)为单层石墨烯或少层石墨烯。
4.一种用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对金属基底层(1)进行超声波清洗；
S2、将清洗过的所述金属基底层(1)放入真空干燥箱中烘干；
S3、采用化学气相沉积法在所述步骤S2中的金属基底层(1)上直接生长出石墨烯薄膜层(2)；
S4、采用热丝化学气相沉积法在所述步骤S3中的石墨烯薄膜层(2)上制备碳纳米管层(3)；
S5、采用脉冲激光沉积法在所述步骤S4中的碳纳米管层(3)上制备二硒化镍层(4)。
5.根据权利要求4所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：
S501、将镍粉和硒粉研磨混合，研磨后将混合物压成圆片，作为脉冲激光沉积所用的靶材；
S502、控制所述碳纳米管层(3)与所述靶材之间的距离为30-50mm，由Nd:YAG产生脉冲激光，脉冲激光经透镜聚焦后入射到所述靶材上，将所述靶材沉积在所述碳纳米管层(3)上。
6.根据权利要求5所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S502中的脉冲激光沉积过程中，压强为5-15Pa，氩气流量为30sccm，沉积时间为45-60min。
7.根据权利要求4所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1，所述金属基底层(1)为铜质基底、金质基底或银质基底。
8.根据权利要求4所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述石墨烯薄膜层(2)为单层石墨烯或少层石墨烯。
9.根据权利要求4所述的用于锂电池的石墨烯-碳纳米管-二硒化镍薄膜的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，采用丙酮溶液对所述金属基底层(1)进行超声波清洗。
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