一种3D石墨烯化碳正极全电池及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种3D石墨烯化碳正极全电池及其制备方法，其特征在于，以石墨纸和含碳导电胶为原料，在石墨纸的一面涂覆一层含碳导电胶，烘干固化，形成石墨纸与含碳导电胶层复合的电极材料；石墨纸的另一面分为极耳区、电池反应区以及其余部分作为第三区，将第三区涂覆疏水胶进行封闭固化；将电池反应区先进行石墨烯化处理，然后作为电池正极阳极氧化化成，形成容量，制成石墨烯化碳正极；以制成的石墨烯化碳电极作为正极，以铝箔、镁板、镁合金板、锌板或镀锌复合板为负极，注入电解液，组装成全电池。本发明专利技术制得高比容量碳正极及高比能量的全电池；原料来源广泛、成本低廉、制备方法简捷环保；产品性能稳定可控，适合工业化生产。

A 3D Graphene Carbon Cathode Full Battery and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种3D石墨烯化碳正极全电池及其制备方法
本专利技术涉及石墨烯碳材料应用于电池或电容化学储能
，具体地说，本专利技术涉及一种3D石墨烯化碳正极全电池及其制备方法。
技术介绍
石墨烯(Graphene)是继富勒烯、碳纳米管之后一种新近为人类所认识的碳元素的同素异形体。石墨烯是一种碳原子以sp2杂化轨道成键，以六元环结构形成的单层二维蜂窝状晶格结构的碳材料。石墨烯的这种独特的结构给它带来了一系列新颖、特殊的性质，比如无色透明(吸收光强度仅为2.3％)、导电率高(单层石墨烯导电率与铜相近)、力学性能优异(抗拉强度可达50～200GPa，弹性模量可达1TPa，单层石墨烯的抗拉强度是同等厚度钢片的100倍)、超大的比表面积(1mm厚度的石墨颗粒具有300多万张石墨烯)。以上特性使得石墨烯在超级电容、化学电池等储能领域具有广阔的应用前景。但是，石墨烯直接用于储能领域生产实践中还存在许多局限，没有完全发挥石墨烯超大比表面、高导电等特性，没能显著提高化学储能器件比容量、比能量等关键技术的性能指标，因此石墨烯储能器件的制备及其应用研究已成为近年来科学研究中的热点。石墨烯储能器件的制备方法归纳起来，主要有：氧化石墨烯溶胶薄膜制备超级电容法和石墨烯浆料混合电池活性材料制备石墨烯基电池法等。其中，氧化石墨烯溶胶薄膜制备超级电容法是将氧化石墨烯从悬浮液中分离出来形成氧化石墨或其混合物溶胶，再将氧化石墨进行还原或与相关的添加物混合形成薄膜贴合到集流体上制成超级电容极片。虽然采用该方法可以制备出较高比容量的超级电容电极，但该方法原料昂贵，制备过程耗时严重，无法实现大规模生产。石墨烯浆料混合电池活性材料制备石墨烯基电池法是将石墨烯或氧化石墨烯与电池活性材料分散于溶液中，通过搅拌或超声使其均匀混合，然后干燥石墨烯或氧化石墨烯复合的电池活性材料，再通过热处理最终获得石墨烯改性的电池电极的活性材料。该方法可以制得性能比原电池有所提高的石墨烯改性的电池电极的活性材料，但是石墨烯的高导电性和高比表面特性没有得到充分发挥，所以电池的比容量及比能量关键性能没有获得显著的提升。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种3D石墨烯化碳正极全电池及其制备方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，以石墨纸和含碳导电胶为原料，在石墨纸的一面涂覆一层含碳导电胶，烘干固化，形成石墨纸与含碳导电胶层复合的电极材料；石墨纸的另一面分为极耳区、电池反应区以及其余部分作为第三区，将第三区涂覆疏水胶进行封闭固化；将电池反应区先进行石墨烯化处理，然后作为电池正极阳极氧化化成，形成容量，制成石墨烯化碳正极；以制成的石墨烯化碳电极作为正极，以铝箔、镁板、镁合金板、锌板或镀锌复合板为负极，注入电解液，组装成全电池。作为优选，镀锌复合板为在铜箔背面电镀锌；更为优选地，在铜箔的正面粘贴聚丙烯(PP)(30Mm)制成的绝缘体膜，以保护面向阴极的铜的正面。其中，所述铝箔为负极时，电解液优选为三乙胺盐酸盐与无水氯化铝的混合溶液，组装成的全电池为碳-铝全电池；其中，所述镁板或所述镁合金板作为负极时，电解液优选为全苯基络合物–氯化铝双盐电解质溶液，组装成的全电池为碳-镁全电池；其中，所述锌板或所述镀锌复合板为负极时，电解液优选为氢氧化钾溶液，组装成的全电池为碳-锌全电池。作为优选，所述石墨烯化处理包括微机械处理、电化学膨胀处理、CV扫描处理中的任意一种或几种的组合以将石墨纸处理以形成石墨烯。其中，所述微机械剥离是用胶带对电池反应区反复粘贴1-100次，直到与含碳导电胶结合不牢的石墨被去除，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第一石墨烯化。作为优选，所述的电化学膨胀处理是将电池反应区作为正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极为碳电极、铂电极或铅电极，通直流电，表面石墨脱落，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第二石墨烯化；其中，所述直流电的电压为0.1V-30V，电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，通电时间为1s-3600s；作为优选，CV扫描处理是将电池反应区作为正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极为碳电极、铂电极或铅电极，参比电极为硫酸亚汞电极，进行CV扫描，表面石墨脱落，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第三石墨烯化；其中，CV扫描对硫酸亚汞电极电压为0V-2V，扫描速率为(0.1*10-9-10*10-8)V/S，扫描圈数1-100。作为优选方案，所述石墨纸为天然膨胀石墨纸或人工石墨纸；所述含碳导电胶的碳源为石墨粉、碳纳米管或石墨烯粉体，所述含碳导电胶的胶源为有机亲水胶、有机疏水胶、无机亲水胶或无机疏水胶。具体地，所述石墨烯化碳正极包括部分石墨烯、以及被氧化为氧化石墨烯或导电碳氢氧化合物。优选地，石墨烯化碳正极具有电池或电容的储电容量达0.1mAh/cm2以上；在1M-10M硫酸溶液中相对于标准氢电极的电极电势为0V-3V。具体地，作为电池正极阳极氧化化成，为三电极阳极氧化化成或二电极阳极氧化化成。优选地，所述的三电极阳极氧化化成，是将石墨烯化的电池反应区作为电池工作正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极负极为碳电极、铂电极或铅电极，参比电极为硫酸亚汞电极，相对于硫酸亚汞电极，通直流电充电，电压为0.1V-30V，电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，时间1s-3600s，恒流放电电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，放电终止电压0V到-1V，充放电循环1-1000次。优选地，所述的二电极阳极氧化化成，是将石墨烯化的电池反应区作为电池正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极负极为碳电极或铅电极，AGM隔膜，通直流电充电，电压为0.1V-30V，电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，时间1s-3600s，恒流放电电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，放电终止电压0V到-1V，充放电循环1-1000次。本专利技术还包括另一种方案，一种3D石墨烯化碳正极全电池，由上述制备方法制备而得，所述3D石墨烯化碳正极全电池为碳-铝全电池、碳-镁全电池或碳-锌全电池。具体地，所述3D石墨烯化碳正极全电池为二电极电池或三电极电池。其中二电极电池采用隔膜，三电极电池不采用隔膜。作为优选，所述碳-铝全电池为二电极电池时，电池的放电电压平台为0V-5V，包含1-5个电压平台；更为优选地，所述隔膜为玻璃纤维纸。所述碳-铝全电池为三电极电池时，参比电极为硫酸亚汞电极，通直流电充电相对于硫酸亚汞电极，恒电流1-15mA充电达1-6V，恒电压1-6V充电1-600min，放电终止电压-1V到1V，放电电压平台-0.6V到5V。作为优选，所述碳-镁全电池为二电极电池时，电池的放电电压平台0V-3V，包含1-5个电压平台；所述碳-镁全电池为三电极电池时，参比电极为银-氯化银电极，通直流电充电相对于银-氯化银电极，恒电流1-15mA充电达1-2.5V，恒电压1-2.5V充电1-600min，放电终止电压-1V到1V，放电电压平台-0.6V到2.3V。作为优选，所述碳-锌全电池为二电极电池时，电池的放电电压平台0V-3V，包含1-5个电压平台；作为优选，隔膜采用聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，以石墨纸和含碳导电胶为原料，在石墨纸的一面涂覆一层含碳导电胶，烘干固化，形成石墨纸与含碳导电胶层复合的电极材料；石墨纸的另一面分为极耳区、电池反应区以及其余部分作为第三区，将第三区涂覆疏水胶进行封闭固化；将电池反应区进行石墨烯化处理，制成石墨烯化碳正极；以制成的石墨烯化碳电极作为正极，以铝箔、镁板、镁合金板、锌板或镀锌复合板为负极，注入电解液，组装成全电池。

【技术特征摘要】
2019.06.24 CN 20191054879481.一种3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，以石墨纸和含碳导电胶为原料，在石墨纸的一面涂覆一层含碳导电胶，烘干固化，形成石墨纸与含碳导电胶层复合的电极材料；石墨纸的另一面分为极耳区、电池反应区以及其余部分作为第三区，将第三区涂覆疏水胶进行封闭固化；将电池反应区进行石墨烯化处理，制成石墨烯化碳正极；以制成的石墨烯化碳电极作为正极，以铝箔、镁板、镁合金板、锌板或镀锌复合板为负极，注入电解液，组装成全电池。2.如权利要求1所述的3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，所述铝箔为负极时，电解液为三乙胺盐酸盐与无水氯化铝的混合溶液，组装成的全电池为碳-铝全电池；所述镁板或所述镁合金板作为负极时，电解液为全苯基络合物–氯化铝双盐电解质溶液，组装成的全电池为碳-镁全电池；所述锌板或所述镀锌复合板为负极时，电解液为氢氧化钾溶液，组装成的全电池为碳-锌全电池。3.如权利要求1所述的3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，所述石墨烯化处理包括微机械处理、电化学膨胀处理、CV扫描处理中的任意一种或几种的组合以将石墨纸处理以形成石墨烯。4.如权利要求3所述的3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，所述微机械剥离是用胶带对电池反应区反复粘贴1-100次，直到与含碳导电胶结合不牢的石墨被去除，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第一石墨烯化；所述的电化学膨胀处理是将电池反应区作为正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极为碳电极、铂电极或铅电极，通直流电，表面石墨脱落，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第二石墨烯化；其中，所述直流电的电压为0.1V-30V，电流0.1mA/cm2-1000mA/cm2，通电时间为1s-3600s。5.如权利要求3或4所述的3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，所述CV扫描处理是将电池反应区作为正极，1M-20M的硫酸溶液为电解质溶液，对电极为碳电极、铂电极或铅电极，参比电极为硫酸亚汞电极，进行CV扫描，表面石墨脱落，留在含碳导电胶层上的石墨部分石墨烯化，即为第三石墨烯化；其中，CV扫描对硫酸亚汞电极电压为0V-2V，扫描速率为(0.1*10-9-10*10-8)V/S，扫描圈数1-100。6.如权利要求1所述3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，所述石墨纸为天然膨胀石墨纸或人工石墨纸；所述含碳导电胶的碳源为石墨粉、碳纳米管或石墨烯粉体，所述含碳导电胶的胶源为有机亲水胶、有机疏水胶、无机亲水胶或无机疏水胶。7.如权利要求1所述3D石墨烯化碳正极全电池制备方法，其特征在于，将电池反应区进行石墨烯化处理之后还包括，将电池...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坚，沈浩，金叶，黄兵，焦昌梅，
申请(专利权)人：盐城市新能源化学储能与动力电源研究中心，
类型：发明
国别省市：江苏,32