一種石墨烯電堆制造技術

本發明專利技術公開了一種石墨烯電堆，充電速度快，能夠完全放電，能量密度和功率密度均較高。包括陰極、陽極和中間體，陰極為芯材，由植物碳烯制成的兩個棒材、復合構成的橫截面為“雙魚”結構的復合棒材；陽極包括金屬殼；中間體是由滲入有溴化合物的石墨烯層構成；植物碳烯和石墨烯層中均滲入有足量金屬鋰；中間體與陰極、陽極之間分別設有PET膜；中間體層疊纏繞在陰極上，陽極包裹在外部；陰極的芯材的一端延伸構成石墨烯電堆的陰極接觸點，陽極的金屬殼的一端延伸構成石墨烯電堆的陽極接觸點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于石墨烯應用領域，具體而言，涉及一種石墨烯電堆。
技術介紹
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料，是單層石墨烯、雙層石墨烯和多層石墨烯的統稱。石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；導熱系數高達5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V·s，又比納米碳管或硅晶體高，而電阻率只約1Ω·m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實質上是一種透明、良好的導體，也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。中國專利201210011527.5，公開了一種具有夾層薄片結構的磷酸鐵鋰/石墨烯復合材料及其制法和用途，其結構特征是由磷酸鐵鋰薄層與石墨烯片層相間而成的至少三層的磷酸鐵鋰/石墨烯夾層復合材料，為薄片或薄紗狀，厚度為5-30納米。采用本專利技術方法制備的磷酸鐵鋰/石墨烯復合材料容量高、充放電循環性能好，可以快速充放電，適合用于鋰離子電池材料。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提供一種石墨烯電堆，充電速度快，能夠完全放電，能量密度和功率密度均較高。為了達到上述目的，具體方案如下：一種石墨烯電堆，包括陰極、陽極和中間體，所述陰極為芯材，由植物碳烯制成的兩個棒材、復合構成橫截面為“雙魚”結構的復合棒材；所述陽極包括金屬殼；所述中間體是由滲入有溴化合物的石墨烯層構成；所述植物碳烯和石墨烯層中均滲入有足量金屬鋰；所述中間體與所述陰極、陽極之間分別設有PET膜；所述中間體層疊纏繞在所述陰極上，所述陽極包裹在外部；其中使用的PET膜可以為PET抗靜電膜。所述陰極的芯材的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陰極接觸點，所述陽極的金屬殼的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陽極接觸點。進一步地，所述中間體中的石墨烯層包括三層或三層以上。多層石墨烯層能夠最大可能增加石墨烯的接觸面積，提高溴離子在中間體石墨烯層上的滯留效率。進一步地，三層或三層以上的所述石墨烯層，由同類或不同類石墨烯層構成。進一步地，所述中間體中的石墨烯層包括三層，中間層的石墨烯層的網孔結構大于兩側石墨烯層的網孔結構。該結構中，中間層作為電子的存儲層，而兩側設置的層結構與中間層一起構成夾層的結構，讓電子在中間層上的固定效果更好。根據實驗測得，中間層為椰殼植物碳烯，兩側為花椒植物碳烯時，電子被固定的效果最好。進一步地，所述溴化合物為溴化鈣、溴化鉀、溴化鎂中的任一種。進一步地，所述金屬殼由鎳鋁合金或者鈦合金材料制成。進一步地，所述植物碳烯是從能夠被碳化的植物中提取得到，具體提取方法為：a.將能夠碳化的植物原料投入充氮氣的真空罐中，500-1800℃下碳化3-6h得到碳塊；b.將得到的碳塊投入高速剪切機中，在3800-24000rpm的轉速下剪切為200-500nm粒徑的超細粉；c.將得到的超細粉投入充有氨氣和惰性氣體的容器中，在300-400℃下脫氧4-10h，之后對其繼續進行滲釕改性處理30-180min；d.將滲釕改性處理過的超細粉投入10-50Hz的充有氨氣的低頻振動分離器內進行振動分離處理，得到的半透明片狀粉體即為所述碳烯材料。進一步地，所述植物碳烯為花椒碳烯、椰殼碳烯、金合歡仔碳烯中的任意一種。本專利技術提供的石墨烯電堆和現有的石墨烯電池完全不同，其陽極在外邊，陰極在芯部，而且芯部是由植物碳烯制成的兩個棒材復合，構成的橫截面為“雙魚”結構的復合棒材，而陰極的整體結構根據專利技術人的實驗結果，只有陰極芯材的橫截面為該結構，電堆的性能為最佳。陽極包括金屬殼層，電堆成形后金屬殼作為電堆的外殼。中間體則是在石墨烯層上滲入溴化合物構成，溴化合物中溴離子所攜帶的35個電子滯留在中間體的石墨烯層內，作為儲備電荷。同時，電堆的陰極和中間體中均滲入有足量的金屬鋰，中間體中鋰所攜帶的3個電子也同時被儲存在中間體的石墨烯層上，電堆的電容量整體擴大。電堆開始使用，金屬鋰中的鋰離子作為陽離子在電池的兩極之間遷移產生電流。而中間體中滯留的溴離子所攜帶的35個電荷能夠根據需要被逐次釋放，延長了電堆的放電時間。本石墨烯電堆中，陰極使用特制的植物碳烯，而中間體可以使用普通的石墨烯，為了達到最佳性能，本專利技術提供的石墨烯電堆中的植物碳烯或者普通石墨烯均優選為單層結構，需要使用多個時可以將多個單層疊加使用。根據實驗測試得到，本專利技術提供的石墨烯電堆，其單位時間能夠連續放電功率為6-7kW·h，峰值為7kW·h，功率密度為180-280W/kg，充電電流達到200A，能量密度為300-500wh/kg。附圖說明圖1為本專利技術提供的石墨烯電堆的橫截面圖；圖2為本專利技術提供的石墨烯電堆的外部結構示意圖；1.陽極，2.中間體，3.陰極，4.復合棒材，5.陽極接觸點，6.陰極接觸點。具體實施方式下面通過具體的實施例子對本專利技術做進一步的詳細描述。實施例1：一種石墨烯電堆，如圖1和圖2所示，包括陰極3、陽極1和中間體2，陰極3為芯材，由花椒碳烯制成的兩個棒材、復合構成橫截面為“雙魚”結構的復合棒材4；陽極1為鎳鋁合金殼，鎳鋁合金殼的厚度為0.8mm；中間體2是在花椒碳烯層中滲入溴化鈣構成；陰極3、中間體2中的花椒碳烯中均滲入有足量金屬鋰；中間體2與陰極3、陽極1之間分別設有PET膜；中間體2層疊纏繞在陰極3上，所述陽極1包裹在外部；陰極3的芯材的一端延伸構成石墨烯電堆的陰極接觸點6，陽極1的金屬殼的一端延伸構成石墨烯電堆的陽極接觸點5。其中，使用的花椒碳烯由以下方法制得：a.將花椒殼和花椒籽投入充氮氣的真空罐中，500℃下碳化4h得到碳塊，碳化過程分四次進行；b.將得到的碳塊投入高速剪切機中，在3800rpm的轉速下剪切為500nm粒徑的超細粉；c.將得到的超細粉投入充有氨氣和氬氣的容器中，氨氣和氬氣的體積比為1∶5，氨氣的壓力為0.1MPa，在300℃下脫氧4h，之后對其繼續進行滲釕改性處理30min；d.將滲釕改性處理過的超細粉投入振動頻率為50Hz的充有氨氣的低頻振動分離器內進行振動分離處理，振動分離器內氨氣的壓力為常壓，打開進風口，出風口上設有壓力開關，低頻振動分離器底部的超細粉受震動彈跳，氘燈在其上方照射，當低頻振動分離器內的壓力達到預設值時，壓力開關打開，部分超細粉在從進風口進入的風的攜帶下從出風口溢出，溢出部分為半透明片狀粉體即為花椒碳烯材料；e.將得到花椒碳烯材料投入費托反應器進行鈍化處理，處理的溫度為500℃，壓力20MPa，時間40min，得到花椒棒狀碳烯管材。本實施例制成的石墨烯電堆中柱狀石墨烯電池單體的規格為：直徑10cm，高度28cm，電壓5.5V，能量密度485wh/kg，功率密度250W/kg。實施例2：一種石墨烯電堆，包括陰極3、陽極1和中間體2，陰極3為芯材，由金合歡仔碳烯制成的兩個棒材、復合構成橫截面為“雙魚”結構的復合棒材4；陽極1為鈦合金殼，鈦合金殼的厚度為0.8mm；中間體2由三層金合歡仔碳烯層疊構成，中間層上滲入溴化鈣；陰極3、中間體2中的金合歡仔碳烯中均滲入有本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種石墨烯電堆，其特征在于，包括陰極、陽極和中間體，所述陰極為芯材，由植物碳烯制成的兩個棒材、復合構成橫截面為“雙魚”結構的復合棒材；所述陽極包括金屬殼；所述中間體是由滲入有溴化合物的石墨烯層構成；所述植物碳烯和石墨烯層中均滲入有足量金屬鋰；所述中間體與所述陰極、陽極之間分別設有PET膜；所述中間體層疊纏繞在所述陰極上，所述陽極包裹在外部；所述陰極的芯材的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陰極接觸點，所述陽極的金屬殼的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陽極接觸點。

【技術特征摘要】
1.一種石墨烯電堆，其特征在于，包括陰極、陽極和中間體，所述陰極為芯材，由植物碳烯制成的兩個棒材、復合構成橫截面為“雙魚”結構的復合棒材；所述陽極包括金屬殼；所述中間體是由滲入有溴化合物的石墨烯層構成；所述植物碳烯和石墨烯層中均滲入有足量金屬鋰；所述中間體與所述陰極、陽極之間分別設有PET膜；所述中間體層疊纏繞在所述陰極上，所述陽極包裹在外部；所述陰極的芯材的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陰極接觸點，所述陽極的金屬殼的一端延伸構成所述石墨烯電堆的陽極接觸點。2.根據權利要求1所述的一種石墨烯電堆，其特征在于，所述中間體中的石墨烯層包括三層或三層以上。3.根據權利要求2所述的一種石墨烯電堆，其特征在于，三層或三層以上的所述石墨烯層，由同類或不同類石墨烯層構成。4.根據權利要求3所述的一種石墨烯電堆，其特征在于，所述中間體中的石墨烯層包括三層，中間層的石墨烯層的網孔結構大于兩側石墨烯層的網孔結構。5.根據權利要求1-4任一項所述的一種石墨...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉泳，張英臣，
申請(專利權)人：航天金洲北京能源科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11