大容量高电压石墨烯动力蓄电池的制作方法

本实用新型提供一种大容量高电压的石墨烯及其改性动力蓄电池。

背景技术：

由于人类社会的进步和人口的增加，对社会的物资需求的不断提高，而随之造成的环境污染的加重，人们亟待对环境改善的期待，而汽车燃油是造成污染的重要因素，人类对汽车的依赖越来越多，电力汽车是零排放的最佳选择，能找到一款替代燃油动力的蓄电池是重中之重，曾对锂电池寄予厚望，实践证明锂电池存在易发热、爆炸等隐患，充电时间长，续航里程断等缺陷，无论用哪个品牌，最重要的是安全第一，其次是充电时间，第三是续航里程。本实用新型各项技术措施克服了上述传统电池的不是，达到人们的期待。

技术实现要素：

实用新型目的：本实用新型提供一种大容量高电压的石墨烯及其改性动力蓄电池，其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种大容量高电压石墨烯动力蓄电池，其特征在于：该蓄电池包括正极铝箔集流体、正极石墨烯涂层、有机碳棉（固态）电解质硬碳棉、负极硅/褶皱石墨烯涂层和负极铜箔集流体，正极铝箔集流体、正极石墨烯涂层、有机碳棉（固态）电解质硬碳棉、负极硅/褶皱石墨烯涂层和负极铜箔集流体设置在壳体内；有机碳棉（固态）电解质硬碳棉设置在正极铝箔集流体与负极铜箔集流体之间，有机碳棉（固态）电解质硬碳棉上喷涂有凝胶（固态）电解液；正极石墨烯涂层包覆在正极铝箔集流体外围，负极硅/褶皱石墨烯涂层包覆在负极铜箔集流体外围；在壳体上端设置有封闭壳体的壳体盖，在壳体盖上设置有正极极柱和负极极柱，正极极柱连接正极铝箔集流体，负极极柱连接负极铜箔集流体。

在壳体盖上设置有出气阀；出气阀连接有机碳棉（固态）电解质硬碳棉所在的腔体。

有机碳棉（固态）电解质硬碳棉与正极铝箔集流体之间以及有机碳棉（固态）电解质硬碳棉与负极铜箔集流体之间均具有使其成为大电容的小间距。

有机碳棉（固态）电解质硬碳棉由具有绝缘高分子微观空隙的碳素网构成，在碳素网上设置有硬碳的活性物质固态电解质。

在正极石墨烯涂层及负极硅/褶皱石墨烯涂层外均包覆有绝缘隔膜。

如上述的大容量高电压石墨烯动力蓄电池的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将50-150g氧化石墨烯超声分散在400-600ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为5-15nm的二氧化硅400-600mg超声分散在50-150ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散10-40min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N2氮气中，以700-1500℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅，经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺选择下述方法之一：

方法1：以乳化沥青和常规固体粉末沥青为包覆剂的喷雾干燥法：

以硅粉经水球磨后，经乳化沥青混合料喷雾干燥，喷雾和进口温度为150-350℃，出口温度为90-150℃，当在惰性气体条件下碳化烧结而得；

方法2：将一氧化碳及人造石墨按1-2.5:0.5-1.5（质量比）装在锆珠的聚四氟乙烯中球磨5-15h后，转数为350-600转/min，室温（20-25℃）条件下，把罐中的混合物再进行通氩气条件下高温处理，使得罐中的氩气的压力保持在0.1MPa，升温速度为7-15℃/min，温升至150-350℃，再研磨得包覆纳米“硅”，即sio/c；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按1-25:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按3-7:70-150质量混合搅拌，超声震荡后200-350℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为15—20μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

优点及效果：本实用新型专利提供一种大容量高电压石墨烯动力蓄电池及其制备方法，本实用新型采用正极为铝箔表面涂布石墨烯，负极为铜箔表面涂覆褶皱石墨烯，正负极之间的电解质为固态微孔硬碳碳棉。

此电芯是一种新型电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中，只有石墨离子、硅、碳离子在正负极之间嵌入和脱出（如图1所示，）而没有金属锂的存在，因此石墨烯离子电芯可大电流，高电压充放电，更加安全稳定，因为纳米碳表面积比锂离子材料大700倍，而石墨烯比表面积2600㎡/g，又是纳米谈表面积的数十倍，大大增加了电池容量。

石墨烯作为储能材料，在充放电过程中不发生电池反应，是物理变化过程，本实用新型所用材料为石墨烯和硅氧/碳及褶皱石墨烯，其大大降低成本，且采用该材料比传统锂电池充电速度快，其循环寿命长、安全性能好，无环境污染，续航里程长。

附图说明：

图1为本单体电池结构；

图2为单体负极或正极结构；

图3为等效电路图。

1、正极铝箔集流体；

2、正极石墨烯涂层；

3、有机碳棉（固态）电解质硬碳棉；

4、负极硅/褶皱石墨烯涂层；

5、负极铜箔集流体；

6、绝缘隔膜；

7、壳体盖；

8、正极极柱；

9、负极极柱；

10、 壳体。

具体实施方式：下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

如图1所示，本实用新型提供一种大容量高电压石墨烯动力蓄电池，一种大容量高电压石墨烯动力蓄电池，该蓄电池包括正极铝箔集流体1、正极石墨烯涂层2、有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3、负极硅/褶皱石墨烯涂层4和负极铜箔集流体5，正极铝箔集流体1、正极石墨烯涂层2、有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3、负极硅/褶皱石墨烯涂层4和负极铜箔集流体5设置在壳体10内；有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3设置在正极铝箔集流体1与负极铜箔集流体5之间，有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3上喷涂有凝胶（固态）电解液；；正极石墨烯涂层2包覆在正极铝箔集流体1外围，负极硅/褶皱石墨烯涂层4包覆在负极铜箔集流体5外围；在壳体10上端设置有封闭壳体10的壳体盖7，在壳体盖7上设置有正极极柱8和负极极柱9，正极极柱8连接正极铝箔集流体1，负极极柱9连接负极铜箔集流体5。

在壳体盖7上设置有出气阀11；出气阀11连接有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3所在的腔体，用于排放产生的多余气体。

有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3与正极铝箔集流体1之间以及有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3与负极铜箔集流体5之间均具有使其成为大电容的小间距。

有机碳棉（固态）电解质硬碳棉3由具有绝缘高分子微观空隙的碳素网构成，在碳素网上设置有硬碳的活性物质固态电解质。

在正极石墨烯涂层2及负极硅/褶皱石墨烯涂层4外均包覆有绝缘隔膜6。

实施例1：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将100g氧化石墨烯超声分散在500ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为10nm的二氧化硅（sio2）500mg超声分散在100ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散30min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以1000℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

以乳化沥青和常规固体粉末沥青为包覆剂的喷雾干燥法：

以硅粉经水球磨后，经乳化沥青混合料喷雾干燥，喷雾和进口温度为300℃，出口温度为110℃，当在惰性气体条件下碳化烧结而得；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按1:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按6:100质量混合搅拌，超声震荡后300℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为15μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

实施例2：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将50g氧化石墨烯超声分散在400ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为15nm的二氧化硅（sio2）600mg超声分散在150ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散10min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以700℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

以乳化沥青和常规固体粉末沥青为包覆剂的喷雾干燥法：

以硅粉经水球磨后，经乳化沥青混合料喷雾干燥，喷雾和进口温度为350℃，出口温度为150℃，当在惰性气体条件下碳化烧结而得；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按25:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按7:150质量混合搅拌，超声震荡后200℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为20μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

实施例3：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将150g氧化石墨烯超声分散在600ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为5nm的二氧化硅（sio2）400mg超声分散在50ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散10min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以1500℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

以乳化沥青和常规固体粉末沥青为包覆剂的喷雾干燥法：

以硅粉经水球磨后，经乳化沥青混合料喷雾干燥，喷雾和进口温度为150℃，出口温度为90℃，当在惰性气体条件下碳化烧结而得；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按15:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按3:70质量混合搅拌，超声震荡后350℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为18μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

实施例4：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将100g氧化石墨烯超声分散在500ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为10nm的二氧化硅（sio2）500mg超声分散在100ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散30min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以1000℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

将一氧化碳及人造石墨按2:1（质量比）装在锆珠的聚四氟乙烯中球磨10h后，转数为500转/min，室温（20-25℃）条件下，把罐中的混合物再进行通氩气条件下高温处理，使得罐中的氩气的压力保持在0.1MPa，升温速度为10℃/min，温升至300℃，再研磨得包覆纳米“硅”，即sio/c；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按1:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按6:100质量混合搅拌，超声震荡后300℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为15μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

实施例5：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将50g氧化石墨烯超声分散在400ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为15nm的二氧化硅（sio2）600mg超声分散在150ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散10min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以700℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

将一氧化碳及人造石墨按1:1.5（质量比）装在锆珠的聚四氟乙烯中球磨15h后，转数为350转/min，室温（20-25℃）条件下，把罐中的混合物再进行通氩气条件下高温处理，使得罐中的氩气的压力保持在0.1MPa，升温速度为7℃/min，温升至350℃，再研磨得包覆纳米“硅”，即sio/c；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按25:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按7:150质量混合搅拌，超声震荡后200℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为20μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

实施例6：

正极材料：直接喷涂石墨烯；

负极材料：褶皱石墨烯和纳米“硅”的符合材料。

褶皱石墨烯的制备工艺：

（1）、将150g氧化石墨烯超声分散在600ml去离子水中形成均匀的悬浮液；

（2）、将粒径为5nm的二氧化硅（sio2）400mg超声分散在50ml的去离子水中；

（3）、将上述两种溶液混合超声分散10min后，在冰水器皿中冷冻。

（4）、混合液在N₂氮气中，以1500℃热处理。

（5）、用氢氟酸（FH）溶液，蚀刻掉二氧化硅（sio2），经干燥而得褶皱石墨烯；

包覆纳米“硅”的制备工艺：

将一氧化碳及人造石墨按2.5:0.5（质量比）装在锆珠的聚四氟乙烯中球磨5h后，转数为600转/min，室温（20-25℃）条件下，把罐中的混合物再进行通氩气条件下高温处理，使得罐中的氩气的压力保持在0.1MPa，升温速度为15℃/min，温升至150℃，再研磨得包覆纳米“硅”，即sio/c；

待褶皱石墨烯和包覆纳米“硅”制作完成后，把褶皱石墨烯与包覆纳米“硅”材料按15:1（质量比）的比例混合成硅/褶皱石墨烯的复合材料做为负极；

硬碳和硬碳棉的制备工艺：

（1）、硬碳石墨改性技术，将天然石墨破碎，筛选与硬脂酸按3:70质量混合搅拌，超声震荡后350℃以上碳化处理，研磨即为有机硬碳，粒度为18μm。

（2）、硬碳与导电凝胶混合后喷涂在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即为有机硬碳棉，有机硬碳棉是固态电解质的重要元素和载体；硬碳与导电凝胶的混合比例只要满足硬碳能均匀的粘接在高绝缘微观多孔耐高温碳棉上即可。

上述的“（4）”步骤中混合液在N₂氮气中进行，N₂氮气的压力最好保持在0.1MPa。

本实用新型中在正极铝箔集流体与负极铜箔集流体5之间空间设置有微观空隙，有机碳棉3上喷涂有凝胶（固态）电解液。

填充在电池壳体10中的电解液是经固化和凝胶设有流动和溢流条件。正负极和有机碳棉涂层之间均具有使其成为大电容的小间距。在正极铝箔集流体上涂覆有活性材料石墨烯涂层2，在负极铜箔集流体5设置有活性硅/褶皱石墨烯涂层4.涂层均是在真空条件下喷制，经过辊压厚度均匀，粘结度高。

为了提高极性的导电性，加入了导电剂和粘结剂。如图2所示，用铝箔或铝带支撑的引线做为正极引线与壳体盖上的正极极柱焊接。负极制作工艺同正极。

正极与负极之间有一层碳棉，碳棉内有绝缘高分子微观空隙的碳素网和网上附有硬碳的活性物质固态电解质组成，此电芯是一种创新型电池能源，它不含金属锂，在充放电过程中只有石墨烯离子，在正负极之间嵌入和脱出，穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，所以，电池更安全稳定。

如图2所示，正极两面均喷制辊压粘合其表面的石墨烯活性物质。如图3所示，负极两面均喷制辊压粘合其表面的褶皱石墨烯/纳米“硅”活性物质。正极铝箔集流体1顶端引出电极与正极极柱8焊接成一个整体构成电池正极，负极铜箔集流体5顶端引出电极与负极极柱9焊成一个整体构成电池负极。每一组正负极及其与硬碳棉之间都有一个小间隙，小间隙间形成一个法拉级的大电容。

如图3所示，大容量高电压石墨烯动力电池等效于一个大电池E和一个电容C并联，其总能量P=E+W，为两个之件功率之和。

这种结构的电池，正负极之间和邮寄碳棉见都具备小间距形成大容量电容，具有法拉级电容和大功率电池的特性。

从图3分析，当充电时，电容首先充电，相当于外电路并联多个吸收电容，能防止电流过大而爆炸，尤其适用于大电流快充。因为充电电流等于电容和电池充电电流之和，当瞬间放电时，因为电容具有超前角特性，首先放电适应大电流放电的需要，如果长时间放电，电池就能适应慢放电的需要而长时间慢放电，一般负载需要长时间工作，是个慢放电的过程，放电电流也等于电容和电池放电电流之和，这也是电容性电池的优点。

从电池等效电路可以看出，电容和电池由于是并联工作，电压是相等的，并不会产生流动电流，设电池的电流为I，其功率为E=IV，设电容的容量为C，其功率W=1/2CV²，总能量P=E+W，即两个元件功率之和，所以，这种工艺结构的电池体总能量已超过单体电池和单体电容。

由于总能量大大提高，所以制造出相同能量的电池，其体积和重量也就大大减轻，减轻了车辆的运输负担，减轻了动力装置的体积，增加了动力。

综上所述，本实用新型大容量高电压石墨烯动力蓄电池属于电容性电池，大电容容量从几法拉至数千法拉以上，功率可达万安时以上，能量容量密度可超过300Ｗh/L。重量容量密度可达到125Ｗh/L。

纳米碳纤维形成的表面积比传统锂离子材料大700倍，而活性石墨烯的表面积，又是纳米碳纤维的数十倍，因此，石墨烯电池容量比纳米碳纤维容量要大大提高，石墨烯电池可以安全稳定的大电流高电压充电，而充电时间只需几分钟甚至数秒完成，续航里程大大提高。此电池可以在一切用电领域内应用。