一种石墨烯修饰铝箔的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯修饰铝箔的制备方法，将铝箔放入处理液中，使铝箔表面的氧化铝层与处理液发生腐蚀反应，控制反应时间，使表层部分氧化铝反应溶解，形成粗糙的表面结构；通过控制处理液的种类和反应时间，可确保铝箔表面在形成粗糙结构的同时，氧化铝层不被完全腐蚀溶解。在后续气相沉积生长石墨烯时，裂解的碳易与氧化铝中的氧形成C

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯修饰铝箔的制备方法


[0001]本专利技术属于锂离子电池材料
，具体涉及一种石墨烯修饰铝箔的制备方法。

技术介绍

[0002]铝箔以其良好的机械强度和延展性，较低的价格，以及轻质与高导电率等使用性能而被作为正极集流体的材料广泛地应用于锂离子电池中。
[0003]目前锂离子电池正极使用的铝箔主要为光箔、腐蚀铝箔和涂层铝箔。光箔由于表面比较光滑，与正极材料接触面积有限，因此易导致正极材料和铝箔的界面电阻高，正极材料和铝箔分离等问题，影响电池性能发挥。
[0004]腐蚀铝箔虽然通过对铝箔表面腐蚀会显著提升铝箔的比表面积，但腐蚀过程往往复杂，需要腐蚀溶液和添加电流辅助，同时需将铝箔表面的氧化铝钝化层击穿，工艺复杂且容易导致铝箔机械强度下降。CN109609997A公开了一种腐蚀铝箔的制备方法，将铝箔放置于电解液中施加交流电进行布孔腐蚀，对铝箔表面的钝化膜击穿，进行较深度的腐蚀。
[0005]CN113422065A公开了一种碳化钼涂层铝箔的制备方法，碳化钼具有优异的导电性，用来提高涂层铝箔的导电性能，而碳化钼涂层主要靠聚丙烯腈作为粘结剂来黏附于铝箔表面，聚丙烯腈作为高分子材料，其导电性显著低于碳化钼，因此会显著降低碳化钼涂层的导电性。石墨烯被认为是21世纪的明星材料，具有独特的蜂窝状结构的二维原子晶体，表现出优异的力学、热学、光学、电学等性能，同时具有常温下超高的电子迁移率、最低的电阻率，是目前世界上电阻率最低的材料，在材料、能源等诸多领域具有重要的应用前景。
[0006]等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备方法是采用射频等离子体体辅助进行化学气相沉积反应制备三维结构石墨烯的方法，结合卷对卷技术可以实现原材料的长时间连续生长。该方法利用等离子体对前驱体分子进行有效裂解，降低了化学反应势垒，使整个反应体系在较低温度下实现成膜反应。
[0007]因此，有必要寻求一种既能提升铝箔表面涂层的导电性，又能提升涂层与铝箔界面粘合力的方法，对于提升锂离子电池性能的发挥有重要的意义。

技术实现思路

[0008]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种高剥离强度石墨烯层修饰铝箔的制备方法，从而能够显著提高石墨烯层的导电性，同时提高石墨烯层与铝箔的界面粘合力，提升石墨烯层的剥离强度。该制备方法简单，适合进行规模化大生产。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案:
[0010]本专利技术提供一种高剥离强度石墨烯层修饰铝箔的制备方法，具体包括以下步骤：
[0011]S1、将铝箔放入处理液中，使铝箔表面的氧化铝层与处理液发生腐蚀反应，控制反应时间，使表层部分氧化铝反应溶解，形成粗糙的表面结构；
[0012]S2、将腐蚀后的铝箔用去离子水清洗后并烘干，平铺放入PECVD(等离子体化学气
相沉积)管式气氛炉的加热区，通入非氧化性气体彻底清洗排除炉腔内的空气；
[0013]S3、再对炉腔抽真空，然后通入碳源和非氧化性气体使炉腔产生一定气压，此时非氧化性气体为碳源的载气，将碳源输运至PECVD管式气氛炉的加热区；
[0014]S4、开启等离子体，并升温至等离子体化学气相沉积的生长温度后保温10min～3h，碳源分子通过裂解沉积到铝箔表面并生长形成石墨烯，冷却后即得石墨烯修饰的铝箔。
[0015]根据本专利技术一实施方式，所述处理液为磷酸、亚硝酸、草酸中的一种或多种。相比于采用强酸做腐蚀液或者添加电流辅助的技术手段，本专利技术采用磷酸、亚硝酸或草酸作处理液，条件更温和，操作更可控，在后续气相沉积生长石墨烯时，裂解的碳易与氧化铝中的氧形成C
‑
O
‑
Al共价键，C
‑
O
‑
Al共价键显著提升石墨烯层和铝箔的界面粘合力，提升石墨烯层的剥离强度。
[0016]根据本专利技术一实施方式，在步骤S1中，控制反应时间为20s
‑
3min，反应温度为40
‑
70℃。
[0017]根据本专利技术一实施方式，上述石墨烯层修饰铝箔中含有C
‑
O
‑
Al共价键。
[0018]根据本专利技术一实施方式，铝箔的厚度为10～50μm。
[0019]根据本专利技术一实施方式，在步骤S2中，所述烘干温度为50～100℃，烘干时间为10min～5h。
[0020]根据本专利技术一实施方式，在步骤S2中，所述非氧化性气体为氩气、氦气或氮气中的一种或多种。
[0021]根据本专利技术一实施方式，碳源气体选自甲烷、乙烷和乙炔中的一种或多种。
[0022]根据本专利技术一实施方式，碳源气体的流量为0.02sccm～50sccm；碳源占碳源和非氧化性气体的总体积的百分含量可为0.1％～100％。
[0023]根据本专利技术一实施方式，在所述步骤S3中，通入碳源和非氧化性气体后的气压为2Pa～100Pa。
[0024]根据本专利技术一实施方式，在步骤S4中，所述等离子体化学气相沉积的生长温度为400℃～700℃，所述升温速率为1℃/min～50℃/min。
[0025]根据本专利技术一实施方式，所述等离子体源为射频等离子体、微波等离子体或直流高压等离子体，所述射频功率为10W～1000W。
[0026]与现有技术相比，本专利技术提供的技术方案具有以下有益效果：
[0027]1、铝箔表面在空气中易被氧化形成氧化铝层，通过处理液腐蚀，可使原本光滑的氧化铝层表面形成粗糙结构，有利于提升铝箔的比表面积，因此，在后续气相沉积生长石墨烯时，可显著提升铝箔和石墨烯层的接触面积，提升石墨烯层的剥离强度。
[0028]2、相比传统腐蚀铝箔需将氧化铝层击穿彻底腐蚀，本专利技术采用磷酸或亚硝酸、草酸作腐蚀液并通过控制腐蚀时间，可确保铝箔表面在形成粗糙结构的同时，氧化铝层不被完全腐蚀溶解。因此，在后续气相沉积生长石墨烯时，裂解的碳易与氧化铝中的氧形成C
‑
O
‑
Al共价键，C
‑
O
‑
Al共价键显著提升石墨烯层和铝箔的界面粘合力，提升石墨烯层的剥离强度。
[0029]3、利用本专利技术方法制备的石墨烯修饰铝箔，在其表面涂敷锂离子电池正极材料后，会显著降低铝箔和正极材料的界面电阻，提升电池的充放电容量、倍率性能和循环稳定性。本专利技术制备的石墨烯修饰铝箔成本低，合成方法简单有效，适合于规模化大生产。
附图说明
[0030]图1是本专利技术石墨烯修饰铝箔的制备流程示意图。
[0031]图2是实施例1中铝箔腐蚀前的扫描电子显微镜照片。
[0032]图3是实施例1中铝箔腐蚀后的扫描电子显微镜照片。
[0033]图4是实施例1中石墨烯修饰后的铝箔的扫描电子显微镜照片。
[0034]图5是实施例1中石墨烯修饰后的铝箔的的X射线光电子能谱C1s谱图。
[0035]图6是实施例1中石墨烯修饰后的铝箔的结构示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯层修饰铝箔的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：S1、将铝箔放入处理液中，使铝箔表面的氧化铝层与处理液发生腐蚀反应，控制反应时间，使表层部分氧化铝反应溶解，形成粗糙的表面结构；S2、将腐蚀后的铝箔用去离子水清洗后并烘干，平铺放入PECVD(等离子体化学气相沉积)管式气氛炉的加热区，通入非氧化性气体彻底清洗排除炉腔内的空气；S3、再对炉腔抽真空，然后通入碳源和非氧化性气体使炉腔产生一定气压，此时非氧化性气体为碳源的载气，将碳源输运至PECVD管式气氛炉的加热区；S4、开启等离子体，并升温至等离子体化学气相沉积的生长温度后保温10min～3h，碳源分子通过裂解沉积到铝箔表面并生长形成石墨烯，冷却后即得石墨烯修饰的铝箔。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述处理液为磷酸、亚硝酸和草酸中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤S1中，控制反应时间为20s
‑
3min，反应温度为40
‑
70℃。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层修饰铝箔中含有C
‑
O
‑
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【专利技术属性】
技术研发人员：沈伟，曹风，王雄彪，徐涛，李科，彭海琳，刘忠范，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：