一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，采用化学气相沉积的方法，以铜为衬底，甲烷和氢气为反应气体，氩气为保护气体，在一定的温度、时间和辉光中使铜表面均匀沉积出单层石墨烯，通过湿法转移法在清洗后的锗片上转移铜表面的石墨烯，制备出锗/石墨烯复合电极材料。将这种复合材料作为空气电池阳极，采用羧甲基纤维素钠与氢氧化钾溶液制备出KOH凝胶电解质，再结合铂碳阴极，在纽扣电池模具中组装出新型锗空气电池，通过电化学测试发现，与空白锗片所组装的空气电池相比，这种空气电池的放电电压未发生明显变化，放电时间提高了38％，放电容量有了明显的提升。升。升。

【技术实现步骤摘要】
一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法


[0001]本专利技术涉及电池制备
，具体为一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法。

技术介绍

[0002]电池是一种先进的储存电力的技术，然而充电电池不能满足所有地方的需要，例如在海洋和远离城市的地方，原电池可能是更好的动力来源情况，因为它们通常具有高的能量密度和长使用寿命。原电池在应急救援行动以及作为学校、医院和工厂的备用电池尤为重要。目前，在各种电池能源中，空气电池因其高比能量密度、环境兼容性和工艺简单性而成为极具吸引力的储能技术。由于大气中反应物氧分子的供应充足，空气电池比传统电池和锂离子电池具有相对更高的理论能量密度，常见的空气电池包括金属空气电池和半导体空气电池。
[0003]然而，在放电过程中由于锗表面的自放电和钝化的影响，往往会导致阳极的破坏和容量的减少，严重影响着电池的实际应用。石墨烯是一种填充在二维晶格中的碳单质，石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬、电阻率最小的纳米材料，具有超高强度和超高导热系数，在电池方面，其良好的疏水性和高导电性可以在减缓阳极腐蚀的基础上不影响阳极与电解质之间的电荷转移。

技术实现思路

[0004]针对以上问题，本专利技术提供了一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，采用单层石墨烯在锗片表面形成覆盖层，提升了锗电极的导电能力并有效抑制了锗与水分子的直接接触。
[0005]根据本专利技术的一个目的，本专利技术提供一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1，锗/石墨烯复合阳极的制备
[0007]S101，将清洗后的铜箔放入等离子气相沉积的样品室中，对样品室的气体进行真空处理；
[0008]S102，在氩气和氢气的混合气体中，在一定压强下加热系统到目标温度，达到目标温度后，调整氩气和氢气的气体流速为刻蚀流速；
[0009]S103，在气体流速稳定后，打开等离子体射频装置，并进行1
‑
2min 的蚀刻，随后立即引入甲烷/氩气用于石墨烯生长；
[0010]S104，生长一定时间后，关闭甲烷/氩气混合气体、氢气、辉光和加热系统，在保护氩气下进行降温取出；
[0011]S105，把加工好的铜镀石墨烯用PMMA苯甲醚溶液进行固化，加入刻蚀液中进行刻蚀；
[0012]S106，用清洗后的锗片将刻蚀后的石墨烯薄膜捞到去离子水中浸泡清理一定时
间，用锗片捞起纯净的石墨烯薄膜，之后用洗耳球稍微把薄膜和锗片之间的水吹走，之后将样品进行加热加固；
[0013]S107，加热后石墨烯可以紧密的贴合到锗片上，之后用丙酮溶剂浸泡一段时间,多次操作，浸泡后自然干燥即可得到锗/石墨烯复合电极；
[0014]S2，KOH凝胶电解质的制备
[0015]将CMC置于小烧杯中，加入KOH溶液后用玻璃棒快速搅拌，之后超声充分溶解，制备出一定质量分数的KOH凝胶电解质；
[0016]S3，Pt/C阴极的制备
[0017]将铂碳催化剂至于烧杯中，先用移液管加入Nafion溶液，然后加入异丙醇进行超声溶解，溶解后的溶液用移液管涂抹在碳纸上，最后在室温进行干燥制备出Pt/C阴极；
[0018]S4，空气电池的组装
[0019]将上述所得的锗/石墨烯复合阳极、KOH凝胶电解质、Pt/C阴极在纽扣空气电池模具上进行组装，再用封装机进行封装，制得锗空气电池。
[0020]进一步地，锗片被含有少量褶皱的石墨烯层大范围覆盖。
[0021]进一步地，S102中，开始混合气体中氩气与氢气的体积比为9： 1
‑
11：1，氩气的流速为150
‑
200sccm，目标温度为670
‑
880℃，调整后的氩气为20
‑
40sccm，氢气为5
‑
15sccm。
[0022]进一步地，S103中，引入的甲烷和氩气的占比为体积比3％
‑
7％，流量为7
‑
10sccm，射频功率为50
‑
100W,生长时间为10s
‑
60s。
[0023]进一步地，S105中，固化选取PMMA苯甲醚溶液的质量比为5 wt％
‑
10wt％，刻蚀液的配比：CuSO4：H2O：浓HCl＝1
‑
2g：5
‑
10ml：5
‑
10ml。
[0024]进一步地，S106中，浸泡时间5
‑
10min。
[0025]进一步地，S107中，丙酮溶剂浸泡的时间为3h，重复2
‑
4次。
[0026]进一步地，S2中，CMC的用量为0.5
‑
1g，KOH的浓度为0.1
‑
8mol/L，用量4
‑
4.5mL，制备出的凝胶电解质中CMC的质量比为10wt％
‑
20wt％。
[0027]进一步地，S3中，铂碳催化剂的用量为2
‑
4mg，Nafion溶液用量为600
‑
1000μL，异丙醇用量为200
‑
500μL。
[0028]进一步地，S4中，封装机的压力为40
‑
60Kg cm
‑2。
[0029]本专利技术的有益效果是：本专利技术方法制备的锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池，在阳极制备时，铜的表面可被均匀覆盖，并且在铜选取的单晶，粗糙度较低的情况下，采用CVD的方法，通过控制和优化气体流速、反应时间、温度等条件下生长的石墨烯的质量较好，厚度较薄。在用湿法转移法的过程中衬底选取表面抛光，高度光洁的锗片，在不影响衬底的条件下更有利于石墨烯的转移，转移后的锗表面能被大面积覆盖且不易脱落；在电解质方面，凝胶电解质具有安全、宽温度范围及柔性等特点，这种新型半导体空气电池经过恒流放电测试，具有优异的电化学性能。同时，此方法易于较大面积的制备， CVD法制备铜镀石墨烯的方法在工业上也较为成熟，可选择性购买，其余的石墨烯转移，电解质及阴极的制备也较为简单，使用的试剂也都为安全试剂，廉价易得。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实例中制备的这种电池的模型图；
[0031]图2为本专利技术实施例中得到的锗/石墨烯复合电极的拉曼光谱图；
[0032]图3为本专利技术实施例得到的这种新型扣式锗空气电池在150μA 下的恒流放电测试图。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]实施例1
[0035]如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，锗/石墨烯复合阳极的制备S101，将清洗后的铜箔放入等离子气相沉积的样品室中，对样品室的气体进行真空处理；S102，在氩气和氢气的混合气体中，在一定压强下加热系统到目标温度，达到目标温度后，调整氩气和氢气的气体流速为刻蚀流速；S103，在气体流速稳定后，打开等离子体射频装置，并进行1
‑
2min的蚀刻，随后立即引入甲烷/氩气用于石墨烯生长；S104，生长一定时间后，关闭甲烷/氩气混合气体、氢气、辉光和加热系统，在保护氩气下进行降温取出；S105，把加工好的铜镀石墨烯用PMMA苯甲醚溶液进行固化，加入刻蚀液中进行刻蚀；S106，用清洗后的锗片将刻蚀后的石墨烯薄膜捞到去离子水中浸泡清理一定时间，用锗片捞起纯净的石墨烯薄膜，之后用洗耳球稍微把薄膜和锗片之间的水吹走，之后将样品进行加热加固；S107，加热后石墨烯可以紧密的贴合到锗片上，之后用丙酮溶剂浸泡一段时间,多次操作，浸泡后自然干燥即可得到锗/石墨烯复合电极；S2，KOH凝胶电解质的制备将CMC置于小烧杯中，加入KOH溶液后用玻璃棒快速搅拌，之后超声充分溶解，制备出一定质量分数的KOH凝胶电解质；S3，Pt/C阴极的制备将铂碳催化剂至于烧杯中，先用移液管加入Nafion溶液，然后加入异丙醇进行超声溶解，溶解后的溶液用移液管涂抹在碳纸上，最后在室温进行干燥制备出Pt/C阴极；S4，空气电池的组装将上述所得的锗/石墨烯复合阳极、KOH凝胶电解质、Pt/C阴极在纽扣空气电池模具上进行组装，再用封装机进行封装，制得锗空气电池。2.根据权利要求1所述的锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，其特征在于，锗片被含有少量褶皱的石墨烯层大范围覆盖。3.根据权利要求1所述的锗/石墨烯复合材料作为阳极的锗空气电池制备方法，其特征在于，S102中，开始混合气体中氩气与氢气的体积比为9：1
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11：1，氩气的流速为150
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200sccm，目标温度为670
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880℃，调整后的氩气为20
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【专利技术属性】
技术研发人员：于英健，赵庭宇，张雨航，陈丹硕，
申请(专利权)人：昆明学院，
类型：发明
国别省市：