石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺及石墨烯镍锌电池的制作方法

本发明涉及一种石墨烯镍锌电池的正/负电极板材料制备方法以及基于此方法制备出的正、负电极板材料实现的石墨烯镍锌电池，属于电池制备技术领域。

背景技术：

当前，电动摩托、电动汽车等电动交通工具主要沿用着铅酸电池、锂电池，这些种类的电池充电速度较慢、深度放电性能不好，循环使用寿命较短，特别是锂电池的安全性差，电池成本过高，回收率却不高，因此从实际使用中可以看到，上述电池的这些致命缺点已成为纯电动汽车发展的最大瓶颈。

从目前的使用需求来看，纯电动汽车对电池的要求较高，其需要高比能量、高比功率、快速充电、良好深度放电性能以及长循环使用寿命和电池高安全性等特点的电池。由此可见，设计出一种使纯电动汽车可充分发挥其高效环保优点的电池，是目前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺及研制的石墨烯镍锌电池，基于此工艺制备出的电极板材料制造的石墨烯镍锌电池具有快速充电、高放电倍率、良好深度放电、循环使用寿命长、成本低等优点。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺，其特征在于，它包括如下步骤：

1)将电极板活性材料与石墨烯混合，加入蒸馏水中稀释搅拌均匀；

2)将稀释后的混合材料放入球磨机的制备仓；

3)在制备仓抽真空，保持恒温的条件下循环进行若干次变速球磨处理，其中：逐级升高转速再逐级降低转速为一周期，逐级升速过程的速度变化次数与逐级降速过程的速度变化次数相同或不同；

4)将变速球磨处理得到的产物进行脱水、干燥，得到石墨烯均匀、充分包覆活性材料的复合电极板材料。

一种石墨烯镍锌电池，其特征在于：它包括电极板，电极板通过所述的石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺制备出的电极板材料制成。

所述石墨烯镍锌电池的能量密度为90Wh/Kg～110Wh/Kg，循环使用寿命不小于1000次。

本发明的优点是：

本发明制备工艺实现了石墨烯对氢氧化镍、氧化锌的有效包覆，包覆均匀、充分、全面、密实，石墨烯包覆使得氢氧化镍、氧化锌具有极好的导电性，提高了电容量，并且，基于制备出的用于制作正负电极板的复合电极板材料而制造得到的石墨烯镍锌电池因此具有了高比能量、高比功率、快速充电、高放电倍率、良好深度放电、循环使用寿命长等优点，且安全性高，不会爆然，环保性能好，材料回收率可达90％以上。

石墨烯镍锌电池的比能量比铅酸电池高一倍左右，但成本仅比铅酸电池高30％左右，成本仅相当于动力锂电池的50％，因此从性价比来看，石墨烯镍锌电池作为动力电池、储能电池，在电动摩托、电动汽车等电动领域以及风能、光能领域都有着广阔的发展前景。

附图说明

图1是本发明制备工艺的流程图。

图2是无石墨烯的镍锌电池与本发明石墨烯镍锌电池的放电容量曲线图。

具体实施方式

如图1，本发明石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺包括如下步骤：

1)将电极板活性材料与石墨烯混合，然后将得到的混合材料加入蒸馏水中进行稀释搅拌均匀；

2)将稀释后的混合材料放入球磨机制备仓；

3)在制备仓抽真空、保持恒温的条件下循环进行若干次变速球磨处理，其中：逐级升高转速再逐级降低转速为一周期(即逐级升高转速再逐级降低转速为一次变速球磨处理过程)，逐级升速过程的速度变化次数与逐级降速过程的速度变化次数相同或不同；

4)将变速球磨处理得到的产物进行脱水、干燥，得到石墨烯均匀、充分包覆活性材料的复合电极板材料，待制作电极板使用。

在本发明中，逐级是指转速按设定的若干等级(每一等级对应有一预定的转速范围)呈阶梯地逐步提高或降低。

在实际制备中：当制备正电极板材料时，电极板活性材料包括氢氧化镍；当制备负电极板材料时，电极板活性材料包括氧化锌。

在电池领域，制备正电极板材料的电极板活性材料除了主要材料氢氧化镍外，还可添加氧化亚钴(CoO)、羧甲基纤维素(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)等辅助材料，辅助材料可根据实际制备需求来合理选择，不受局限。类似地，制备负电极板材料的电极板活性材料除了主要材料氧化锌外，还可添加氧化铋、氧化铅、氢氧化钙、羧甲基纤维素(CMC)、聚四氟乙烯(PTFE)等辅助材料，辅助材料可根据实际制备需求来合理选择，不受局限。

对于混合材料：当制备正电极板材料时，电极板活性材料占混合总重量的95％～98.5％，石墨烯占混合总重量的5％～1.5％；当制备负电极板材料时，电极板活性材料占混合总重量的97％～98.5％，石墨烯占混合总重量的3％～1.5％。

举例说明：

当制备正电极板材料时：电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的95％、5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98.5％、1.5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的96％、4％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的97.5％、2.5％。

当制备负电极板材料时：电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的97％、3％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98.5％、1.5％，或者电极板活性材料、石墨烯分别占混合总重量的98％、2％。

而对于制备正、负电极板时的电极板活性材料中各种材料之间的混合比例，这是本领域的熟知技术，主要材料与辅助材料之间的比例关系应视实际需要而定，不受局限。

需要提及的是，在将电极板活性材料与石墨烯混合时，电极板活性材料的主要材料、辅助材料与石墨烯一起加入蒸馏水进行均匀混合即可。

在本发明的步骤3)中，一周期可定义为：

以A1％的临界转速运行T1时间，然后以A2％的临界转速运行T2时间，然后以A3％的临界转速运行T3时间，最后以A4％的临界转速运行T4时间，完成逐级升速过程，而后，以B1％的临界转速运行T5时间，然后以B2％的临界转速运行T6时间，然后以B3％的临界转速运行T7时间，最后以B4％的临界转速运行T8时间，完成逐级降速过程；

其中：

A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4为大于0且小于100的正实数，A1＜A2＜A3＜A4，B1＞B2＞B3＞B4，在实际实施时，A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4之间可相等或不等，A1与B4、A2与B3、A3与B2、A4与B1可相等或不等，

T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8为大于0的正实数，T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8之间可相等或不等，T1与T8、T2与T7、T3与T6、T4与T5可相等或不等。

在实际设计中，较佳的设定如下：A1＝B4，A2＝B3，A3＝B2，A4＝B1，T1＝T8，T2＝T7，T3＝T6，T4＝T5，这样便于操作与控制，另外，T1～T8设定为30分钟左右为宜，整个变速球磨处理时间持续4～8小时为宜。

在本发明中，临界转速为公知设备球磨机的固有参数，故在这里不再赘述。

举例说明：较佳地，一周期可进行如下设定：以15％的临界转速运行30分钟，然后以30％的临界转速运行30分钟，然后以50％的临界转速运行30分钟，最后以70％的临界转速运行30分钟，完成逐级升速过程，以及，以70％的临界转速运行30分钟，然后以50％的临界转速运行30分钟，然后以30％的临界转速运行30分钟，最后以15％的临界转速运行30分钟，完成逐级降速过程。

需要说明的是，较佳地，逐级升速过程中每次速度升高的幅度相同，同样地，逐级降速过程中每次速度降低的幅度相同。并且进一步较佳地，对于逐级升速过程和逐级降速过程中的相同等级，每个等级的速度升高幅度与和其处于相同等级的速度降低幅度相同。

在本发明中，制备仓的温度在40度至50度之间，优选保持为48度。

另外，本发明还提出了一种石墨烯镍锌电池，它包括电极板，电极板通过上述本发明石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺制备出的电极板材料制成。进一步来说，电极板包括正电极板和负电极板，正电极板通过本发明石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺制备出的正电极板材料制成，负电极板通过本发明石墨烯镍锌电池的电极板材料制备工艺制备出的负电极板材料制成。

当然，石墨烯镍锌电池还应包括正负极片、隔膜、电池壳体，电池壳体内有电解质溶液。需要说明的是，石墨烯镍锌电池中除了正、负电极板之外的结构以及电池制作工艺均属于电池领域的熟知技术，在这里不再详述。

下表列出了经由本发明工艺制备出的电极板材料制造得到的石墨烯镍锌电池所具有的各项性能，其中，循环执行两次如下变速球磨处理过程(一周期)：15％的临界转速运行30分钟→30％的临界转速运行30分钟→50％的临界转速运行30分钟→70％的临界转速运行30分钟→70％的临界转速运行30分钟→50％的临界转速运行30分钟→30％的临界转速运行30分钟→15％的临界转速运行30分钟。

表 镍锌电池和石墨烯镍锌电池性能对比表

由上表可以看出，石墨烯镍锌电池与无石墨烯的镍锌电池相比，其在比能量、比功率、充电速度、放电倍率、放电容量、循环使用寿命等方面都具有极佳的性能。

本发明得到的石墨烯镍锌电池的能量密度可达到90Wh/Kg～110Wh/Kg，循环使用寿命不小于1000次。

另外，图2示出了无石墨烯的镍锌电池与石墨烯镍锌电池的放电容量曲线图。从图2可以看出，石墨烯镍锌电池与无石墨烯的镍锌电池相比，放电容量明显增大，放电持续时间变长，显著地提高了电池使用性能。

在本发明中需要提及的是：

石墨烯应用于电池领域是基于石墨烯所具有的诸多特性，如其具有良好的导电导热性能，其电导率可达10⁸Ω/m，面电阻约为31Ω/sq(310Ω/m²)，比铜或银更低，是室温下导电最好的材料，其比表面积大(2630m²/g，用其制做的电池有很好的电容性能，可实现快速充电)，热导率(室温下5000W·m^-1·K^-1)是硅的36倍，砷化镓的20倍，是铜(室温下401W·m·K)的十倍多，并且其具有极高的强度与柔韧性，还具有良好的光学特性，在物理学、材料学上被广泛使用。

本发明是以镍锌电池为基础研发的石墨烯镍锌电池，其具有快速充电，良好的深度放电、高放电倍率、循环使用寿命长(由石墨烯所具有的导电性能实现)等优点，且其成本低于镍锌材料。

但是，正因为石墨烯具有良好的强度、柔韧，因此如何令石墨烯对氢氧化镍、氧化锌电极板材料实现有效、均匀与充分包覆，是一个很难解决的问题，这需要对石墨烯材料做到均匀、充分地分散处理，而本发明制备工艺便很好地解决了这个难题。

本发明的优点是：

本发明制备工艺实现了石墨烯对氢氧化镍、氧化锌的有效包覆，包覆均匀、充分、全面、密实，石墨烯使得氢氧化镍、氧化锌具有极好的导电性，提高了电容量，并且，基于制备出的用于制作正负电极板的复合电极板材料而制造得到的石墨烯镍锌电池因此具有了高比能量、高比功率、快速充电、高放电倍率、良好深度放电、循环使用寿命长等优点，且安全性高，不会爆然，环保性能好，材料回收率可达90％以上。

石墨烯镍锌电池的比能量比铅酸电池高一倍左右，但成本仅比铅酸电池高30％左右，成本仅相当于动力锂电池的50％，因此从性价比来看，石墨烯镍锌电池作为动力电池、储能电池，在电动摩托、电动汽车等电动领域以及风能、光能领域都有着广阔的发展前景。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。