一种石墨烯电堆的制作方法

本发明属于石墨烯应用领域，具体而言，涉及一种石墨烯电堆。

背景技术：

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和多层石墨烯的统称。

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3％的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm²/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约1Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

中国专利201210011527.5，公开了一种具有夹层薄片结构的磷酸铁锂/石墨烯复合材料及其制法和用途，其结构特征是由磷酸铁锂薄层与石墨烯片层相间而成的至少三层的磷酸铁锂/石墨烯夹层复合材料，为薄片或薄纱状，厚度为5-30纳米。采用本发明方法制备的磷酸铁锂/石墨烯复合材料容量高、充放电循环性能好，可以快速充放电，适合用于锂离子电池材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯电堆，充电速度快，能够完全放电，能量密度和功率密度均较高。

为了达到上述目的，具体方案如下：

一种石墨烯电堆，包括阴极、阳极和中间体，所述阴极为芯材，由植物碳烯制成的两个棒材、复合构成横截面为“双鱼”结构的复合棒材；所述阳极包括金属壳；所述中间体是由渗入有溴化合物的石墨烯层构成；

所述植物碳烯和石墨烯层中均渗入有足量金属锂；所述中间体与所述阴极、阳极之间分别设有PET膜；所述中间体层叠缠绕在所述阴极上，所述阳极包裹在外部；其中使用的PET膜可以为PET抗静电膜。

所述阴极的芯材的一端延伸构成所述石墨烯电堆的阴极接触点，所述阳极的金属壳的一端延伸构成所述石墨烯电堆的阳极接触点。

进一步地，所述中间体中的石墨烯层包括三层或三层以上。多层石墨烯层能够最大可能增加石墨烯的接触面积，提高溴离子在中间体石墨烯层上的滞留效率。

进一步地，三层或三层以上的所述石墨烯层，由同类或不同类石墨烯层构成。

进一步地，所述中间体中的石墨烯层包括三层，中间层的石墨烯层的网孔结构大于两侧石墨烯层的网孔结构。该结构中，中间层 作为电子的存储层，而两侧设置的层结构与中间层一起构成夹层的结构，让电子在中间层上的固定效果更好。

根据实验测得，中间层为椰壳植物碳烯，两侧为花椒植物碳烯时，电子被固定的效果最好。

进一步地，所述溴化合物为溴化钙、溴化钾、溴化镁中的任一种。

进一步地，所述金属壳由镍铝合金或者钛合金材料制成。

进一步地，所述植物碳烯是从能够被碳化的植物中提取得到，具体提取方法为：

a.将能够碳化的植物原料投入充氮气的真空罐中，500-1800℃下碳化3-6h得到碳块；

b.将得到的碳块投入高速剪切机中，在3800-24000rpm的转速下剪切为200-500nm粒径的超细粉；

c.将得到的超细粉投入充有氨气和惰性气体的容器中，在300-400℃下脱氧4-10h，之后对其继续进行渗钌改性处理30-180min；

d.将渗钌改性处理过的超细粉投入10-50Hz的充有氨气的低频振动分离器内进行振动分离处理，得到的半透明片状粉体即为所述碳烯材料。

进一步地，所述植物碳烯为花椒碳烯、椰壳碳烯、金合欢仔碳烯中的任意一种。

本发明提供的石墨烯电堆和现有的石墨烯电池完全不同，其阳极在外边，阴极在芯部，而且芯部是由植物碳烯制成的两个棒材复 合，构成的横截面为“双鱼”结构的复合棒材，而阴极的整体结构根据发明人的实验结果，只有阴极芯材的横截面为该结构，电堆的性能为最佳。

阳极包括金属壳层，电堆成形后金属壳作为电堆的外壳。中间体则是在石墨烯层上渗入溴化合物构成，溴化合物中溴离子所携带的35个电子滞留在中间体的石墨烯层内，作为储备电荷。同时，电堆的阴极和中间体中均渗入有足量的金属锂，中间体中锂所携带的3个电子也同时被储存在中间体的石墨烯层上，电堆的电容量整体扩大。

电堆开始使用，金属锂中的锂离子作为阳离子在电池的两极之间迁移产生电流。而中间体中滞留的溴离子所携带的35个电荷能够根据需要被逐次释放，延长了电堆的放电时间。

本石墨烯电堆中，阴极使用特制的植物碳烯，而中间体可以使用普通的石墨烯，为了达到最佳性能，本发明提供的石墨烯电堆中的植物碳烯或者普通石墨烯均优选为单层结构，需要使用多个时可以将多个单层叠加使用。

根据实验测试得到，本发明提供的石墨烯电堆，其单位时间能够连续放电功率为6-7kW·h，峰值为7kW·h，功率密度为180-280W/kg，充电电流达到200A，能量密度为300-500wh/kg。

附图说明

图1为本发明提供的石墨烯电堆的横截面图；

图2为本发明提供的石墨烯电堆的外部结构示意图；

1.阳极，2.中间体，3.阴极，4.复合棒材，5.阳极接触点，6.阴极接触点。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。

实施例1：

一种石墨烯电堆，如图1和图2所示，包括阴极3、阳极1和中间体2，阴极3为芯材，由花椒碳烯制成的两个棒材、复合构成横截面为“双鱼”结构的复合棒材4；阳极1为镍铝合金壳，镍铝合金壳的厚度为0.8mm；中间体2是在花椒碳烯层中渗入溴化钙构成；

阴极3、中间体2中的花椒碳烯中均渗入有足量金属锂；中间体2与阴极3、阳极1之间分别设有PET膜；中间体2层叠缠绕在阴极3上，所述阳极1包裹在外部；

阴极3的芯材的一端延伸构成石墨烯电堆的阴极接触点6，阳极1的金属壳的一端延伸构成石墨烯电堆的阳极接触点5。

其中，使用的花椒碳烯由以下方法制得：

a.将花椒壳和花椒籽投入充氮气的真空罐中，500℃下碳化4h得到碳块，碳化过程分四次进行；

b.将得到的碳块投入高速剪切机中，在3800rpm的转速下剪切为500nm粒径的超细粉；

c.将得到的超细粉投入充有氨气和氩气的容器中，氨气和氩气的体积比为1∶5，氨气的压力为0.1MPa，在300℃下脱氧4h，之后对其继续进行渗钌改性处理30min；

d.将渗钌改性处理过的超细粉投入振动频率为50Hz的充有氨气的低频振动分离器内进行振动分离处理，振动分离器内氨气的压力为常压，打开进风口，出风口上设有压力开关，低频振动分离器底部的超细粉受震动弹跳，氘灯在其上方照射，当低频振动分离器内的压力达到预设值时，压力开关打开，部分超细粉在从进风口进入的风的携带下从出风口溢出，溢出部分为半透明片状粉体即为花椒碳烯材料；

e.将得到花椒碳烯材料投入费托反应器进行钝化处理，处理的温度为500℃，压力20MPa，时间40min，得到花椒棒状碳烯管材。

本实施例制成的石墨烯电堆中柱状石墨烯电池单体的规格为：直径10cm，高度28cm，电压5.5V，能量密度485wh/kg，功率密度250W/kg。

实施例2：

一种石墨烯电堆，包括阴极3、阳极1和中间体2，阴极3为芯材，由金合欢仔碳烯制成的两个棒材、复合构成横截面为“双鱼”结构的复合棒材4；阳极1为钛合金壳，钛合金壳的厚度为0.8mm；中间体2由三层金合欢仔碳烯层叠构成，中间层上渗入溴化钙；

阴极3、中间体2中的金合欢仔碳烯中均渗入有足量金属锂；中间体2与阴极3、阳极1之间分别设有PET膜；中间体2层叠缠绕在阴极3上，所述阳极1包裹在外部；

阴极3的芯材的一端延伸构成石墨烯电堆的阴极接触点6，阳极1的金属壳的一端延伸构成石墨烯电堆的阳极接触点5。

其中使用的金合欢仔碳烯由以下方法制得：

a.将金合欢仔投入充氮气真空罐中，1000℃下碳化5h得到碳块，碳化分四次进行；

b.将得到的碳块投入高速剪切机中，在14000rpm的转速下剪切为300nm粒径的超细粉；

c.将得到的超细粉投入充有氨气和氩气的容器中，，氨气和氩气的体积比为1∶6，氨气的压力为0.2MPa，在350℃下脱氧6h，之后对其继续进行渗钌改性处理100min；

d.将渗钌改性处理过的超细粉投入振动频率为30Hz的充有氨气的低频振动分离器内进行振动分离处理，其中氨气压力为常压，打开进风口，出风口上设有压力开关，低频振动分离器底部的超细粉受震动弹跳，氘灯在其上方照射，当低频振动分离器内的压力达到预设值时，压力开关打开，部分超细粉在从进风口进入的风的携带下从出风口溢出，溢出部分为半透明片状粉体即为金合欢仔碳烯材料；

e.将得到金合欢仔碳烯材料投入费托反应器进行钝化处理，处理的温度为1000℃，压力45MPa，时间50min，得到金合欢仔棒状碳烯管材。

本实施例制成的石墨烯电堆中柱状石墨烯电池单体的规格为：直径10cm，高度28cm，电压5.5V，能量密度482wh/kg，功率密度260W/kg。

实施例3：

一种石墨烯电堆，包括阴极3、阳极1和中间体2，阴极3为芯材，由椰壳碳烯制成的两个棒材、复合构成横截面为“双鱼”结构的复合棒材4；阳极1为镍铝合金壳，镍铝合金壳的厚度为0.8mm； 中间体2由两层花椒碳烯和一层椰壳碳烯层叠构成，其中椰壳碳烯为中间层，中间层上渗入溴化钙；

阴极3、中间体2中的椰壳碳烯以及花椒碳烯中均渗入有足量金属锂；中间体2与阴极3、阳极1之间分别设有PET膜；中间体2层叠缠绕在阴极3上，所述阳极1包裹在外部；

阴极3的芯材的一端延伸构成石墨烯电堆的阴极接触点6，阳极1金属壳的一端延伸构成石墨烯电堆的阳极接触点5。

其中使用的椰壳碳烯由以下方法制得：

a.将椰壳投入充氮气的真空罐中，1800℃下碳化6h得到碳块；

b.将得到的碳块投入高速剪切机中，在24000rpm的转速下剪切为200nm粒径的超细粉；

c.将得到的超细粉投入充有氨气和氩气的容器中，氨气和氩气的体积比为1∶5，氨气的压力为0.3MPa，在400℃下脱氧10h，之后，对其继续进行渗钌改性处理180min；

d.将渗钌改性处理过的超细粉投入振动频率为10Hz的充有氨气的低频振动分离器内进行振动分离处理，其中氨气压力为常压，打开进风口，出风口上设有压力开关，低频振动分离器底部的超细粉受震动弹跳，氘灯在其上方照射，当低频振动分离器内的压力达到预设值时，压力开关打开，部分超细粉在从进风口进入的风的携带下从出风口溢出，溢出部分为半透明片状粉体即为椰壳碳烯材料；

e.将得到的椰壳碳烯材料投入费托反应器进行钝化处理，处理的温度为1600℃，压力60MPa，时间80min，得到椰壳棒状碳烯管材。

本实施例制成的石墨烯电堆中柱状石墨烯电池单体的规格为：直径10cm，高度28cm，电压5.5V，能量密度495wh/kg，功率密度275W/kg。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明型，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。