專利名稱：石墨烯、蓄電裝置以及電氣設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種能夠適用于鋰離子二次電池的材料等的、在鋰的透過性及導電性的方面優(yōu)異的石墨烯或多個層的石墨烯。石墨烯是指具有SP2鍵的I原子層的碳分子片。
背景技術：
石墨烯具有高導電率或高遷移率之類的優(yōu)良電特性，且具有柔性或機械強度之類的物理特性，由此正在嘗試將其應用于各種各樣的產(chǎn)品(參照專利文獻I至專利文獻3)。此夕卜，還提出了將石墨烯應用于鋰離子二次電池的技術(專利文獻4)。專利文獻I :美國專利申請公開2011/0070146號公報 專利文獻2 :美國專利申請公開2009/0110627號公報 專利文獻3 :美國專利申請公開2007/0131915號公報 專利文獻4 :美國專利申請公開2007/0081057號公報。已知石墨烯具有高導電率。石墨烯本身不能透過離子，但是通過在石墨烯中的一部分設置孔(間隙)，可以賦予透過離子的能力。

發(fā)明內(nèi)容
設置在石墨烯中的孔越大且每單位面積的孔的數(shù)量越多，就可以越高效地透過離子，但是石墨烯的機械強度降低。本發(fā)明的ー個方式是為了解決該問題而提出的，其目的之一是使設置在石墨烯中的孔的大小及數(shù)量以及石墨烯的機械強度處于最佳狀態(tài)。此外，本發(fā)明的ー個方式的目的之ー是提供充放電特性優(yōu)異的蓄電裝置。或者目的之一是增加每單位重量的蓄電電容。或者，目的之ー是提高循環(huán)特性?；蛘?，目的之ー是提供能夠耐受長期或重復的使用的、可靠性高的電氣設備。本發(fā)明的ー個方式的特征在于，在石墨烯中設置環(huán)元(ring member)數(shù)為9以上的碳環(huán)。環(huán)元數(shù)為9的碳環(huán)的相對于鋰離子的最大勢能幾乎為O電子伏持，因此通過在石墨烯中設置環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)，能夠使其作為可透過鋰離子的孔來起作用。本發(fā)明的ー個方式的特征在于，在石墨烯中設置O. 149nm2以上的孔。通過將設置在石墨烯中的孔的面積設定為O. 149nm2以上，能夠容易地透過鋰離子。當利用這種石墨烯涂覆電極或活性物質(zhì)表面時，可以不阻礙鋰離子的移動而抑制電極或活性物質(zhì)與電解液起反應。此外，本發(fā)明的ー個方式是具有上述石墨烯的電氣設備。另外，本發(fā)明的ー個方式是由上述石墨烯涂覆表面的電極或活性物質(zhì)。本發(fā)明的ー個方式解決上述課題的任何一個。根據(jù)本發(fā)明的ー個方式，能夠提高蓄電裝置的充放電速度。根據(jù)本發(fā)明的ー個方式，能夠增加每單位重量的蓄電電容。根據(jù)本發(fā)明的ー個方式，能夠提高循環(huán)特性。


圖I是示出形成在石墨烯中的碳環(huán)的最佳結(jié)構(gòu)的 圖2是說明鋰離子從碳環(huán)接受的勢能的變化的 圖3是說明設置在石墨烯中的孔的面積a與包括一個孔的石墨烯的面積S的關系的
圖4是說明鋰離子的移動的 圖5是說明硬幣型二次電池的結(jié)構(gòu)的圖； 圖6是說明電氣設備的ー個例子的圖。附圖標號說明
101 電極；102 石墨烯；103 鋰離子；104 孔；105 圓；200 負極集電體；202負極活性物質(zhì)層；204負極；206框體；210分離器；220環(huán)狀絕緣體；228正極集電體；230正極活性物質(zhì)層；232正極；240間隔物；242墊圈；244框體；301碳環(huán)；302碳環(huán)；311曲線；312曲線；401直線；402直線；403直線；5000顯示裝置；5001框體；5002顯示部；5003揚聲器部；5004蓄電裝置；5100照明裝置；5101框體；5102光源；5103蓄電裝置；5104天花板；5105側(cè)壁；5106地板；5107窗戶；5200室內(nèi)機；5201框體；5202送風ロ；5203蓄電裝置；5204室外機；5300 電冷藏冷凍箱；5301框體；5302冷藏室門；5303冷凍室門；5304蓄電裝置。
具體實施例方式以下，對實施方式進行說明。但是，本技術領域技術人員可以容易地理解的是，實施方式可以以多個不同方式來實施，其方式和細節(jié)可以被變換為各種各樣的形式而不脫離本發(fā)明的宗g及其范圍。因此，本發(fā)明不應該被解釋為僅限定在以下的實施方式所記載的內(nèi)容。實施方式I
在本實施方式中，說明使設置在石墨烯中的孔的大小、孔的數(shù)量密度(每石墨烯單位面積的孔的數(shù)量)以及石墨烯的機械強度最佳化的方法。圖I是示出形成在石墨烯中的碳環(huán)的最佳結(jié)構(gòu)的圖，圖2是說明鋰離子從具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)或具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)接受的勢能的變化的圖。此外，圖3是說明任意的機械強度中的、設置在石墨烯中的孔的面積a與包括一個孔的石墨烯的面積S (1/S相當于數(shù)量密度)的關系的圖。首先，作為設置在石墨烯中的最小面積的孔的候選，利用第一原理計算來驗證具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)和具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)的鋰離子透過性。對于計算，使用基于平面波基底贗勢法(plane wave basis pseudopotential method)的第一原理計算軟件 VASP。圖I (A)示出通過第一原理計算而得到的、形成在石墨烯中的具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)的最佳結(jié)構(gòu)。具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)301的環(huán)徑最大為O. 427nm,最小為O. 347nm,并且使用三角形的初等幾何學上的面積為O. 105nm2。圖I (B)示出通過第一原理計算而得到的、形成在石墨烯中的具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)的最佳結(jié)構(gòu)。具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)302的環(huán)徑最大為O. 428nm,最小為O. 422nm,并且使用三角形的初等幾何學上的面積為O. 149nm2。
圖2示出研究鋰離子對圖I (A)和圖I (B)所示的結(jié)構(gòu)的透過性的結(jié)果。圖2示出鋰離子從碳環(huán)接受的勢能相對于鋰離子離碳環(huán)的距離的變化。圖2中的橫軸表示鋰離子離碳環(huán)的距離，縱軸表示鋰離子從碳環(huán)接受的勢能。在圖2中，曲線311表示鋰離子從具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)301接受的勢能的變化，曲線312表示鋰離子從具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)302接受的勢能的變化。具有八元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)301的勢能在與鋰離子的距離為O. 2nm附近成為極小，但是距離進ー步變小時，轉(zhuǎn)變成増加。鋰離子到達碳環(huán)301需要IeV左右的勢能，因此鋰離子不能透過碳環(huán)301。與此相對，在具有九元環(huán)結(jié)構(gòu)的碳環(huán)302中，鋰離子到達碳環(huán)302時的勢能為-O. 26eV左右，因此鋰離子能夠容易地透過碳環(huán)302。一般來說，用于透過碳環(huán)的勢能在碳環(huán)的環(huán)元數(shù)減少時變大，在碳環(huán)的環(huán)元數(shù)增加時變小。因此，為了使鋰離子透過，需要將設置在石墨烯中的碳環(huán)(孔)的環(huán)元數(shù)設為9以上。就是說，需要將孔的面積a設定為大于圖3所示的直線401。鋰離子透過具有孔的石墨烯所需要的時間，主要根據(jù)石墨烯面內(nèi)的鋰離子到達孔的時間來決定。如圖4 (A)所示那樣，當鋰離子103在石墨烯102的面內(nèi)移動并達到孔104時，在與石墨烯102接觸的電極101 (若是蓄電裝置則為活性物質(zhì))為負電位的情況下，移動到下層的石墨烯(當電極101為正電位的情況下移動到上層的石墨烯)。在具有孔104的石墨烯102中移動的鋰離子到達作為環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)的孔104的時間，基于圖4 (B)的模型如下地算出。首先，考慮存在于石墨烯上的鋰離子的擴散。利用ニ維布朗運動中的均方位移與時間的關系式，能夠?qū)⑽挥邳cP的鋰離子在時間t后能夠移動的距離r表達為算式I。在此，D是鋰離子的擴散系數(shù)。[算式I]
權(quán)利要求
1.ー種包括孔的石墨烯，其中，包括所述孔的所述石墨烯的面積S滿足以下所述的算式I和算式2 [算式I]S < 4 mj Df! [算式2]S > ..........................................マ..‘# 其中，a表示所述孔的面積，D表示鋰離子的擴散系數(shù)，、表示所述石墨烯上的離子到達所述孔所需要的時間，并且，k表示相對于沒有孔的石墨烯的機械強度的比率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯，其中所述孔是環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯，其中所述孔的所述面積為O.149nm2以上。
4.一種蓄電裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯。
5.ー種電氣設備，包括根據(jù)權(quán)利要求I所述的石墨烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電氣設備，其中所述電氣設備選自顯示裝置、照明裝置、桌上型個人計算機、筆記本型個人計算機、再生存儲在諸如數(shù)字通用光盤等記錄介質(zhì)中的靜態(tài)圖像或動態(tài)圖像的圖像再生裝置、移動電話、便攜式游戲機、便攜式信息終端、電子書閱讀器、攝像機、數(shù)碼相機、微波爐、電飯煲、洗衣機、空調(diào)器、電冰箱、電冷凍箱、電冷藏冷凍箱、DNA保存用冷凍箱、透析裝置、電動汽車、包括內(nèi)燃機和電動機的混合型汽車以及包括電動輔助自行車的電動自行車。
7.ー種由包括孔的石墨烯涂覆的電極，其中，包括所述孔的所述石墨烯的面積S滿足以下所述的算式I和算式2 [算式I]S <、/4 細/> ! [算式2]S > ^L "(卜Ir 其中，a表示所述孔的面積，D表示鋰離子的擴散系數(shù)，、表示所述石墨烯上的離子到達所述孔所需要的時間，并且，k表示相對于沒有孔的石墨烯的機械強度的比率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極，其中所述孔是環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極，其中所述孔的所述面積為O.149nm2以上。
10.一種蓄電裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的電扱。
11.ー種電氣設備，包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的電極。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電氣設備，其中所述電氣設備選自顯示裝置、照明裝置、桌上型個人計算機、筆記本型個人計算機、再生存儲在諸如數(shù)字通用光盤等記錄介質(zhì)中的靜態(tài)圖像或動態(tài)圖像的圖像再生裝置、移動電話、便攜式游戲機、便攜式信息終端、電子書閱讀器、攝像機、數(shù)碼相機、微波爐、電飯煲、洗衣機、空調(diào)器、電冰箱、電冷凍箱、電冷藏冷凍箱、DNA保存用冷凍箱、透析裝置、電動汽車、包括內(nèi)燃機和電動機的混合型汽車以及包括電動輔助自行車的電動自行車。
13.—種由包括孔的石墨烯涂覆的活性物質(zhì)，其中，包括所述孔的所述石墨烯的面積S滿足以下的算式I和算式2:
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的活性物質(zhì)，其中所述孔是環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的活性物質(zhì)，其中所述孔的所述面積為O.149nm2以上。
16.一種蓄電裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的活性物質(zhì)。
17.ー種電氣設備，包括根據(jù)權(quán)利要求13所述的活性物質(zhì)。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的電氣設備，其中所述電氣設備選自顯示裝置、照明裝置、桌上型個人計算機、筆記本型個人計算機、再生存儲在諸如數(shù)字通用光盤等記錄介質(zhì)中的靜態(tài)圖像或動態(tài)圖像的圖像再生裝置、移動電話、便攜式游戲機、便攜式信息終端、電子書閱讀器、攝像機、數(shù)碼相機、微波爐、電飯煲、洗衣機、空調(diào)器、電冰箱、電冷凍箱、電冷藏冷凍箱、DNA保存用冷凍箱、透析裝置、電動汽車、包括內(nèi)燃機和電動機的混合型汽車以及包括電動輔助自行車的電動自行車。
全文摘要
本發(fā)明的目的是提供能夠用于電氣設備且透過鋰離子的石墨烯。在石墨烯中設置環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)。環(huán)元數(shù)為9以上的碳環(huán)對鋰離子的最大勢能幾乎為0電子伏特，所以可以用作透過鋰離子的孔。當利用這種石墨烯涂覆電極或活性物質(zhì)表面時，能夠不阻礙鋰離子的移動而抑制電極或活性物質(zhì)與電解液起反應。
文檔編號H01M10/0525GK102842718SQ201210209100
公開日2012年12月26日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者廣橋拓也, 足立駿介 申請人:株式會社半導體能源研究所