一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法技术

本发明专利技术属于应急救援移动电源技术领域，具体涉及一种石墨烯/氯化亚铜‑镁泛水电池及其制备方法，采用石墨烯/氯化亚铜做阴极，加惰镁合金+单质镁做阳极，以水为电解剂，石墨烯/氯化亚铜阴极释放的氯离子为电解质，生成电解液，作为石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间离子电荷流动的介质，通过加惰镁合金+单质镁阳极失电子并发生氧化反应的特性和石墨烯/氯化亚铜阴极得电子并发生催化还原反应生成电流，满足在淡水中的反应条件，石墨烯突出的电化学性能，能有效加剧反应活性物的催化还原反应效率，加速载流子的迁移速率，促使反应效率倍增，高效率的生成电能。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法
：本专利技术属于应急救援移动电源
，具体涉及一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法，能够为江河湖海全水域的救援装备提供移动电源。
技术介绍
：水上应急救援装备移动电源，是支持水上应急救援装备智能化和信息化的基础性和关键性设备，直接影响救援装备的适用性、时效性和有效性，随着水上交通运输业和空中航线的高速拓展，跨大洋航线遍布全球，横跨欧亚拉美，纵至南北两极，海洋科研、海上工程、水下资源开发生产活动不断扩展延伸，已从近海走向大洋，从近岸延伸至江河水系，船舶、水上作业平台、水工作业活动已经涉足到江河湖海广阔水域，船舶海难、水工事故及空难事故在任何水域都有可能发生，因此，对水上应急救援装备的适用水域提出了新的要求，仅能适应海上或内陆水域使用的水上救援装备，已经不能满足日益拓展的水上救援任务需求；特别是随着全球网络化应急救援体系的完善，对水上应急救援装备的智能化、信息化建设提出了具体要求；由国际海事组织﹙IMO﹚主导建立的《全球海上遇险和安全系统》GMDSS、以卫星通信为主的INMARSAT(海事卫星通信系统)、COS-PAS/SARSAT(极轨道卫星搜救系统)和内河、地面无线电通信系统构成的全球海上应急救援网络已建成，并向全球提供用户服务，在海上、江河和湖泊航行作业的船舶、水上作业平台及飞机发生空难时，均可得到快捷的水上应急救援服务，水上应急救援装备智能化和信息化水平在长足发展的同时，凸显了一些技术瓶颈，特别是支持水上应急救援装备的移动电源，与智能化、信息化救援装备技术需求还存在较大差距，严重的掣肘着水上应急救援装备智能化和信息化的建设发展，直接影响到水上应急救援装备在应急救援使用中的适用性、时效性和有效性，船舶、飞机及水上作业平台必备的水上救生装备和求救装备，对水域的适用性，应急使用的有效性，还存在较大差距，基于全球海上应急救援网络系统的求救装备，受制于移动电源适用水域局限和功能技术缺陷，严重影响应急使用的时效性和有效性，诸如，基于《全球海上遇险和安全系统》GMDSS的EPIRB示位标，基于《水上遇险与安全系统》CWDSS的北斗RDSS信标，能发出电信号显示的寻位标，光显位置的示位灯等，以及船载配有相应应急通信和位置显示装备的救生筏、救生艇等水上应急救援装备电源，均使用锂电池或海水电池供电，在使用中逐步发现一些不能容忍的缺陷，锂电池长时间存放易发生电化学性能衰变，致使可靠性差，时有电量不足且无法复充的现象发生，特别是耐候性差，高温环境易变形甚至壳体开裂，低温环境反应性急剧下降，达不到额定放电功率，无法使用；日常维护保养繁琐，附加工作量大，每3个月须充放电保养一次，有些密封装备在寿命周期内无法保养，留下隐患；最突出的问题是安全隐患大，大功率锂电池时有腐蚀性物质溢出，析出易燃易爆酸性气体，轻则损毁设备，严重时会发生爆炸，大功率锂电池已经被很多国家列入危险品管理，成为船载、飞机救生装备尽可能排斥使用锂电池的原因之一。海水电池的技术缺陷主要包括适用水域受限、比能量低，体量大、激活慢，初始低电压时段过长：海水电池仅适用海洋场景,且对水质要求苛刻，必须在满足氯离子Cl-≥3.5％，水溶解氧DO≥5PPm的海水中才能有效反应输出额定功率电能，在江河淡水水域及江河入海交汇的贫氯或贫氧水域，就会失去工作条件，不能输出额定功率电能，严重限制了载体救生装备的使用场景，也有悖国际海事SOLAS公约和IMO规范对救生装备适应水域的要求；海水电池比能量只有100-150Wh/Kg左右，支持发射功率5-15W的示位标或信标的海水电池的重量可达到2-3kg，支持功率35W的空投救生筏展开伺服器的海水电池的重量要达到4-5kg，一只标准限重≯150g、光亮强度0.75cd的海水电池示位灯，有效工作时长只能达到8h左右；海水电池激活时间要60-120s左右,初始在额定电压70-85％的时段50-70min后才能达到额定电压，作为信标或示位标电源时，在发生海难时就要推迟50-70min才能发出载体求救信息，严重贻误救援时机；另外，海水电池进水孔平时采用堵塞封闭，在使用时必须手动拔出堵塞，以使海水进入电极腔激活电池，但是，在海难事故发生时极易在慌乱中遗忘或来不及拔出堵塞，导致无可挽回的恶果，如果堵塞能自动开启，将产生事半功倍的效果。因此，寻求设计一种高效率，使用便捷，适应江河湖海水域使用的泛水电池，以支持水上应急救援装备智能化和信息化建设。所谓“泛水电池”，是基于对电池适用性和功能性的定位，“泛水”，是指广泛的水，是满足电池反应(工作)条件的介质，包括海水和淡水，乃至雨水、沼泽水、地下水、雪溶水、自来水、纯净水等；泛水电池追求适用性广、比能量高、达到额定功率快、供电时间长、安全环保和使用便捷可靠的技术指标；泛水电池的技术定位，着眼广义应急装备需求，诸如，用于矿井透水事故监控报警、应急排水照明，作为救生艇、筏，水下机器人、潜航器等的动力电源，也能作为户外活动应急电源使用，务求电池的功能性和实用性。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形、呈蜂巢晶格状的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其比表面积可达到2630m2/g，其厚度只有0.335nm。石墨烯是已知电化学性能最突出的二维材料，电子迁移率为200000cm2/﹙V.s﹚、是单晶硅中电子迁移率(1400cm2/V.s)的150倍以上，电子在石墨烯中的运动速度可达到光速的1/300(光速300000km/s)，其电导率可达到108S/m，可达到光速的1/300，是铜的1.7×106倍，电子迁移率基本不受温度影响；研究表明，石墨烯可以吸附和脱附各种原子、分子及离子，并具有良好的催化性，如二氧化氮NO2、氨气NH3、钾离子K+等吸附物作为给体或受体会导致载流子浓度增值；还具有重量轻、机械强度大、相容性好、结构稳定等特点。石墨烯突出的电化学性能，是用于泛水电池阴极的最好材料。镁是一种极活泼的轻质碱土金属材料，电极电位为-0.24V，呈较负性，理论能量密度可达到800Wh/kg，具有在溶液中易失电子和氧化反应特性，采用单质镁做阳极材料,具有极高的反应性，突出的缺点是自腐速率太快，导致能量流失大、供电时长短；加惰镁合金材料是镁/铝/锌复合的一种合金材料，保持了镁的基本电化学特性，有效的减缓了自腐速率，是海水电池普遍采用的阳极材料，能有效增加电池供电时长，缺点是：电池激活慢，初始低电压时段过长，这是水上应急救援装备电源不能容忍的缺陷。中国专利201710191975.0公开的一种石墨烯-镁海水电池装置由1-n组石墨烯-镁海水电池单元构成，石墨烯-镁海水电池单元的主体结构包括壳体、上部透水孔、底部透水孔、凸起锥、镁合金阳极极板、负极接线柱、石墨烯复合阴极极板、正极接线柱、导离子板栅、内封盖、接线柱通孔、外封盖、导线孔、耐压区、负极输出导线和正极输出导线；U形槽状结构的壳体的上部开设有上部透水孔，壳体的底部开设底部透水孔，壳体的上部和底部均设置有三角形结构的凸起锥，壳体的内部中心位置处设置有矩形板状结构的镁合金阳极极板，镁合金阳极极板的顶端设置有圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，主体结构包括石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极；石墨烯/氯化亚铜阴极的两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极。/n

【技术特征摘要】
20210226 CN 20211021396251.一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，主体结构包括石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极；石墨烯/氯化亚铜阴极的两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极。


2.根据权利要求1所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，石墨烯/氯化亚铜阴极的主体结构包括阴极反应体、电极芯和阴极接线柱；阴极反应体的内部中心设置有电极芯，电极芯延伸至阴极反应体外部的部分为阴极接线柱；石墨烯/氯化亚铜阴极的电位为+3.7V，具有释放氯离子、催化还原和导出电子的功能，阴极接线柱的材质为紫铜，是石墨烯/氯化亚铜阴极的集流体，其延长段伸入阴极反应体的中心部位构成电极芯，通过电极芯增加与阴极反应体的接触面积，有效提高载流子的迁移效率；石墨烯/氯化亚铜阴极的装备方法如下：将水剂石墨烯导电浆料，氯化亚铜粉末和偶联剂按照重量比100:96.5:0.5混合后置于反应釜内在常温下搅拌，得到石墨烯/氯化亚铜膏状共混物；将石墨烯/氯化亚铜膏状共混物装入模具,形成阴极反应体，在阴极反应体的中心位置植入电极芯，电极芯伸出阴极反应体的延长部分作为阴极接线柱，得到石墨烯/氯化亚铜阴极雏形；将石墨烯/氯化亚铜阴极雏形置于压力机上施加压力使其成型，自然晾干去除水分。


3.根据权利要求1所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，加惰镁合金+单质镁阳极的主体结构包括镁合金本体、阳极接线柱、单质镁镀层、水溶胶层、阳极反应体；镁合金本体的顶部设置有阳极接线柱，镁合金本体的外侧设置有单质镁镀层，单质镁镀层的外侧设置有水溶胶层，镁合金本体和单质镁镀层共同配合构成阳极反应体；加惰镁合金+单质镁阳极的电位为-2.4V，是失电子的氧化反应体，阳极接线柱的材质为紫铜，是加惰镁合金+单质镁阳极的集流体；加惰镁合金+单质镁阳极的制备方法如下：按照设计功率和供电时长选择尺寸，将AZ31加惰镁合金型材切割制成镁合金本体，在镁合金本体的上端中部铆焊阳极接线柱，采用真空磁控溅射镀膜技术，在镁合金本体的外层表面溅射喷镀单质镁镀层，得到阳极反应体，在单质镁镀层的表面涂布水溶胶层。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，主体结构还包括壳体、顶盖板、底盖板、进水孔、上盖板、导线腔、电极腔、透水隔膜、支撑脚、接线柱孔、导线孔、排气孔、阴极导线和阳极导线；壳体的顶部设置有顶盖板，壳体的底部设置有底盖板，底盖板开设有进水孔，壳体的内部由上盖板分割成上部的导线腔和下部的电极腔，电极腔的中心设置有石墨烯/氯化亚铜阴极，石墨烯/氯化亚铜阴极的左右两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极，石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有透水隔膜，透水隔膜的位置与进水孔的位置相对应，壳体和底盖板与石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有固定用的支撑脚，上盖板开设有接线柱孔，导线腔的侧部开设有导线孔，电极腔的顶部开设有排气孔，阴极导线与石墨烯/氯化亚铜阴极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部，阳极导线与加惰镁合金+单质镁阳极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部。


5.根据权利要求4所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福山，
申请(专利权)人：青岛华高墨烯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37