本发明涉及电池技术领域，特别是，涉及一种大容量快速充电的石墨烯电池。
背景技术：
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块，其具有最薄、最大比表面积、最硬、最抗拉等诸多史上最强性质和高性能传感器功能、类似催化剂功能等独特性质。石墨烯的出现，有望在构造材料、电子器件功能性材料等诸多领域引发材料革命。由于其具有许多特殊性质.许多学者称石墨烯为“改变21世纪的材料”，并预测“21世纪将是碳(C)的时代”。相比于现有材料，石墨烯拥有众多“史上最强”性能。最薄的材料：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，厚度大约为0.335nm，相当于一个头发的20万分之一，1毫米厚的石墨中有将近150万层左右的石墨烯。
石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发出的一种新能源电池。目前，随着石墨烯电池的技术的快速发展，它广泛应用于汽车、移动设备、航空航天、新能源电池领域。然而，由于电动脚踏车、电动机车或电动汽车等电动运输工具的能量来源，仅能依赖于随车携带的充电电池，却得受限于充电电池所提供的有限续航力与极长的充电时间，从而导致电动运输工具的推广遭遇了难以突破的瓶颈，同时，现有的石墨烯电池容量较小，从而增加了充电次数，降低了电池的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种大容量快速充电的石墨烯电池，以解决目前石墨烯电池应用于汽车行业时，出现的充电时间较长、容量过小导致的充电次数增加的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种大容量快速充电的石墨烯电池。
本发明的大容量快速充电的石墨烯电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳组成，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在铝箔上组成，所述的负极材料由三氧化二铁、微米硅粉、改性氧化石墨烯、尖晶石锰酸锂、脂肪醇聚氧乙烯醚、负极导电剂、负极粘结剂组成；所述的负极粘结剂由萜烯树脂、羧甲基纤维素、聚丙烯酸和适量乙醇组成；所述的负极导电剂是由炭黑和碳纳米管组成；所述的正极材料是由尖晶石钛酸锂、氟化石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮、正极导电剂、正极粘结剂组成；所述的正极粘结剂是由明胶、壳聚糖、海藻酸钠和适量蒸馏水组成；所述的正极导电剂是由聚苯胺、纳米碳纤维、膨胀石墨和N-甲基吡咯烷酮组成。
进一步，所述的负极材料由以下重量份数的原料组成：1-2份三氧化二铁、5-10份微米硅粉、1-5份氧化石墨烯、3-5份尖晶石锰酸锂、7-11份脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5-3.5份负极导电剂、4-6份负极粘结剂。
进一步，所述的正极材料由以下重量份数的原料组成：2.5-4份尖晶石钛酸锂、1-5份氟化石墨烯、6-12份聚乙烯吡咯烷酮、1-3份正极导电剂、4-6份正极粘结剂。
进一步，所述的电解液是将二乙基碳酸酯、碳酸丙烯酯和二甲基碳酸酯按重量比1:3:1比例混合置于聚乙烯瓶中，然后混合物重量0.5倍的浓度为1mol/L的二氟草酸硼酸锂封口保存，静置24h，然后再将氯化钠与硅酸锂按重量比1:2混合后加入至聚乙烯瓶中，摇匀，加入量为混合物重量的1倍，继续静置24h，即得电解液。
进一步，所述的负极粘结剂由以下重量份数的原料组成：10-15份萜烯树脂、5-10份羧甲基纤维素、5-7份聚丙烯酸、适量乙醇。
进一步，所述的负极导电剂由以下重量份数的原料组成：1.1-2.2份炭黑、2.4-4.8份碳纳米管。
进一步，所述的正极粘结剂由以下重量份数的原料组成：2-8份明胶、3-6份壳聚糖、2.5-4.5份海藻酸钠、适量蒸馏水。
进一步，所述的正极导电剂由以下重量份数的原料组成：1.2-3.8份聚苯胺、2.2-3.4份纳米碳纤维、1-3份膨胀石墨、6-7份N-甲基吡咯烷酮。
进一步，所述的负极粘结剂中的萜烯树脂、羧甲基纤维素重量比为12-14:6-9。
优选地，负极粘结剂中的萜烯树脂、羧甲基纤维素重量比为13:7.5。
进一步，所述的正极粘结剂中的明胶、壳聚糖、海藻酸钠重量比为：3-7:4-5:3-4。
优选地，正极粘结剂中的明胶、壳聚糖、海藻酸钠重量比为：1:0.9:0.7。
进一步，所述的大容量快速充电的石墨烯电池制备方法，包括以下步骤：
①正极导电剂制备：取所述重量份数的膨胀石墨经过气流粉碎机粉碎成粒径为0.8um，然后同纳米碳纤维、聚苯胺和N-甲基吡咯烷酮一起置于高速搅拌机中，控制转速2000r/min，搅拌3min,再将混合物研磨为分散均匀得正极导电剂；
②正极粘结剂制备：将所述重量份数的明胶与蒸馏水按照重量比1:6比例混合，边搅拌边加热直至明胶完全溶剂，然后控制溶液温度为55℃，再加入壳聚糖和海藻酸钠，继续搅拌至溶液中无沉淀即得正极粘结剂；
③正极材料制备：按重量份数，将尖晶石钛酸锂、氟化石墨烯、正极导电剂、正极粘结剂混合后置于磁力搅拌器中，然后将聚乙烯吡咯烷酮配制成50％的溶液，再边搅拌边加入50％的聚乙烯吡咯烷酮溶液、控制加入速度，在30min内添加完毕，再将物料置于玛瑙研钵中研磨，直至研磨过200目筛，得正极材料；
④负极导电剂制备：按重量份数，将炭黑、碳纳米管分别放入放入真空烘箱100℃真空烘烤48h，然后混合进行研磨，研磨至粒径为0.8um，即得负极导电剂；
⑤负极粘结剂制备：按重量份数，将萜烯树脂、羧甲基纤维素、聚丙烯酸置于球磨罐中，加入混合重量7倍的乙醇，再加入5颗粒径为2cm的玛瑙球磨珠，在行星式球磨机上进行8h持续湿法球磨，转速为250r/min，然后在氮气的保护下，取出后置于120℃下恒温加热2h，然后于200℃下下恒温加热40min，待自然冷却后即得负极粘结剂；
⑥负极材料制备：按重量份数，将三氧化二铁、微米硅粉、氧化石墨烯、尖晶石锰酸锂、负极导电剂、负极粘结剂混合，超声处理15min,再加入脂肪醇聚氧乙烯醚、搅拌3h抽真空，200目过筛，得负极材料；
⑦电池制备：将正极材料和负极材料分别涂覆在铝箔上，涂布后，在真空干燥箱中于40℃下干燥2h，再以4MPa下压片后作正极片和负极片，再放入真空烘箱100℃真空烘烤40min,然后按常规方法将正极片、负极片和电池外壳密封装配成一体，将电解液注入封装处理后的正极片和负极片之间，即得大容量快速充电的石墨烯电池。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明制备的大容量快速充电的石墨烯电池，解决了现有的石墨烯电池储存容量小和充电速度慢的现象，同时，增强了电池的耐腐蚀性，延长了使用寿命，稳定性较好，而且对人体和环境无害。经验证，与传统市售石墨烯电池相比，在相同的充电条件下，充电时间明显缩短34.94％，电池充放电效率能够达到87.73％。
2、本发明的负极材料是以三氧化二铁/氧化石墨烯复合材料，再加以微米硅粉、尖晶石锰酸锂、脂肪醇聚氧乙烯醚、负极导电剂、负极粘结剂组成，其中石墨烯具有单层二维蜂窝状晶格结构，能将三氧化二铁颗粒在其表面完美结合形成三氧化二铁/氧化石墨烯复合材料，一方面三氧化二铁固定在石墨烯片层上可防止团聚和堆积，提高可利用的石墨烯表面积，使复合物具有更高的电化学性能；另一方面，石墨烯片层支撑三氧化二铁，诱使其纳米粒子成核、长大并均匀分散在石墨烯片层表面，有效控制三氧化二铁在其表面上的形态，使得制备的氧化石墨烯电池因此具有很高的电容量，而且三氧化二铁/氧化石墨烯复合材料所具有的二维超高比表面积和优异的传输电子性能，能显著改善三氧化二铁本身的导电能力并提高锂离子的传输扩散能力，加之，反应体系中还加入了微米硅粉，使得硅颗粒与镶嵌在晶格中的三氧化二铁颗粒被包裹在石墨烯片上，二维的石墨烯片作为粒子之间的导电网络，降低了整个负极的接触电阻，提高了硅和三氧化二铁的利用率，同时包裹后还能显著的缓冲硅的体积膨胀，更有利于锂离子的脱嵌，进一步提高锂离子电池的充放电性能经验证，本发明石墨烯电池的负极材料在电流密度为100mAh/g下，充、放电容量分别高达1279和1687mAh/g，100个循环周期后，其容量依然高达1018mAh。
3、在制备正极材料时，选用了由壳聚糖、明胶和海藻酸钠制备而成的粘结剂，海藻酸钠是在褐藻类提取出的一种多糖，化学结构中含有羧基、羟基、醚等含氧官能团，与正极中的活性材料：尖晶石钛酸锂发生化学相互作用，还能缓冲活性物质的膨胀，提高正电极的整体性和稳定性，减小了极化与阻抗，使得正极材料表现出良好的电化学性能，同时在体系中加入的明胶作为分散剂，不仅更加环保，而且明胶具有高度分散性、高粘度特性、分散稳定性，能够减小电极与电解液的界面阻抗和电池的整体内阻，提高了正极材料的到导电性，能够有效解决正极材料在电池中易发生溶胀，而使各种物质发生团聚，降低正极导电性的技术问题。在本发明中制备正极粘结剂时，将明胶、壳聚糖和海藻酸钠按重量比1:0.9:0.7进行混合，也就是说明胶、壳聚糖和海藻酸钠质量分别为38.5％、34.6％和26.9％，经过多次试验可知，在明胶、壳聚糖和海藻酸钠组成的粘结剂体系中，当明胶、壳聚糖和海藻酸钠三者的一种或两种加入过大时，由于明胶、壳聚糖和海藻酸钠都是具有亲水性，则会吸收电解液而发生膨胀使得正极破坏，正极中的各种活性物质之间接触变差，严重导致正极的强极化作用和低循环性能。当明胶、壳聚糖和海藻酸钠三者的一种或两种加入过少时，粘结效果不佳的局部区域在电解液渗入的情况下容易散落，使正极电极的结构稳定性变差，因此，只有当明胶、壳聚糖和海藻酸钠三者按重量比1:0.9:0.7进行混合时，才能正极材料中的各种活性物质发挥最大的作用，整体正极体系稳定性最高，化学性能最好。
4、在制备负极材料时，选用了由萜烯树脂、羧甲基纤维素和聚丙烯酸制备而成的粘结剂，当萜烯树脂、羧甲基纤维素和聚丙烯酸三种物质形成复合水系粘结剂添加进入负极材料中时，由于萜烯树脂是一种优良的增粘剂,具有粘接力强、抗老化性能好、耐热、耐光、耐酸碱、无毒等优良性能,与羧甲基纤维素、聚丙烯酸，能够显著提高负极材料的分散稳定性，提高负电极的导电性，改善电池的性能，循环稳定性好，在本发明中，由萜烯树脂、羧甲基纤维素和聚丙烯酸组成的负极粘结剂体系中，当萜烯树脂、羧甲基纤维素重量比大于13:7.5时，也就是说萜烯树脂质量过大，则导致粘结性能太强，使得负极材料各种活性物质分散不均匀，从而使得负极循环性能不稳定，从而影响电池的整体稳定性和化学性能。当萜烯树脂、羧甲基纤维素重量比小于13:7.5时，也就是说萜烯树脂质量过小，则负极粘结效果不好，则电池中的电解液会对负极材料浸润，电容量丧失率则大大提高，电容量减少，会显著降低电池的化学性能，缩短电池的循环寿命。因此，只有当萜烯树脂、羧甲基纤维素重量比为13:7.5时，粘结性能最优，分散性最好，负电极的极化阻抗最低，而且不会使得电解液对负极材料进行浸润，电池的化学性能最优，循环性能也最佳。经验证，按本发明所述的重量比混合的负极粘结剂的负极，以175mA/g的电流在2.5-4.2V循环500次，放电比容量从135.9mAh/g下降到134.2mAh/g。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
一种大容量快速充电的石墨烯电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳组成，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在铝箔上组成，所述的负极材料所述的负极材料由以下重量份数的原料组成：1份三氧化二铁、5份微米硅粉、1份氧化石墨烯、3份尖晶石锰酸锂、7份脂肪醇聚氧乙烯醚、1.5份负极导电剂、4份负极粘结剂；所述的正极材料由以下重量份数的原料组成：2.5份尖晶石钛酸锂、1份氟化石墨烯、6份聚乙烯吡咯烷酮、1份正极导电剂、4份正极粘结剂；所述的负极粘结剂由以下重量份数的原料组成：10份萜烯树脂、5份羧甲基纤维素、5份聚丙烯酸、适量乙醇；所述的负极导电剂由以下重量份数的原料组成：1.1份炭黑、2.4份碳纳米管；所述的正极粘结剂由以下重量份数的原料组成：2份明胶、3份壳聚糖、2.5份海藻酸钠、适量蒸馏水；所述的正极导电剂由以下重量份数的原料组成：1.2份聚苯胺、2.2份纳米碳纤维、1份膨胀石墨、6份N-甲基吡咯烷酮；所述的电解液是将二乙基碳酸酯、碳酸丙烯酯和二甲基碳酸酯按重量比1:3:1比例混合置于聚乙烯瓶中，然后混合物重量0.5倍的浓度为1mol/L的二氟草酸硼酸锂封口保存，静置24h，然后再将氯化钠与硅酸锂按重量比1:2混合后加入至聚乙烯瓶中，摇匀，加入量为混合物重量的1倍，继续静置24h，即得电解液；
实施例2
一种大容量快速充电的石墨烯电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳组成，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在铝箔上组成，所述的负极材料由以下重量份数的原料组成：2份三氧化二铁、10份微米硅粉、5份氧化石墨烯、5份尖晶石锰酸锂、11份脂肪醇聚氧乙烯醚、3.5份负极导电剂、6份负极粘结剂；所述的正极材料由以下重量份数的原料组成：4份尖晶石钛酸锂、5份氟化石墨烯、12份聚乙烯吡咯烷酮、3份正极导电剂、6份正极粘结剂；所述的负极粘结剂由以下重量份数的原料组成：15份萜烯树脂、10份羧甲基纤维素、7份聚丙烯酸、适量乙醇；所述的负极导电剂由以下重量份数的原料组成：2.2份炭黑、4.8份碳纳米管；所述的正极粘结剂由以下重量份数的原料组成：8份明胶、6份壳聚糖、4.5份海藻酸钠、适量蒸馏水；所述的正极导电剂由以下重量份数的原料组成：3.8份聚苯胺、3.4份纳米碳纤维、3份膨胀石墨、7份N-甲基吡咯烷酮；所述的电解液是将二乙基碳酸酯、碳酸丙烯酯和二甲基碳酸酯按重量比1:3:1比例混合置于聚乙烯瓶中，然后混合物重量0.5倍的浓度为1mol/L的二氟草酸硼酸锂封口保存，静置24h，然后再将氯化钠与硅酸锂按重量比1:2混合后加入至聚乙烯瓶中，摇匀，加入量为混合物重量的1倍，继续静置24h，即得电解液。
实施例3
一种大容量快速充电的石墨烯电池，由正极片、负极片、隔膜、电解液及电池外壳组成，所述正极片、负极片分别由正、负极材料涂在铝箔上组成，所述的负极材料由以下重量份数的原料组成：1.5份三氧化二铁、7份微米硅粉、3份氧化石墨烯、4份尖晶石锰酸锂、9份脂肪醇聚氧乙烯醚、2.5份负极导电剂、5份负极粘结剂；所述的正极材料由以下重量份数的原料组成：3.2份尖晶石钛酸锂、3份氟化石墨烯、9份聚乙烯吡咯烷酮、2份正极导电剂、5份正极粘结剂；所述的负极粘结剂由以下重量份数的原料组成：13.5份萜烯树脂、7.5份羧甲基纤维素、6份聚丙烯酸、适量乙醇；所述的负极导电剂由以下重量份数的原料组成：1.7份炭黑、3.6份碳纳米管；所述的正极粘结剂由以下重量份数的原料组成：5份明胶、4.5份壳聚糖、3.5份海藻酸钠、适量蒸馏水；所述的正极导电剂由以下重量份数的原料组成：2.5份聚苯胺、2.8份纳米碳纤维、2份膨胀石墨、6.5份N-甲基吡咯烷酮；所述的电解液是将二乙基碳酸酯、碳酸丙烯酯和二甲基碳酸酯按重量比1:3:1比例混合置于聚乙烯瓶中，然后混合物重量0.5倍的浓度为1mol/L的二氟草酸硼酸锂封口保存，静置24h，然后再将氯化钠与硅酸锂按重量比1:2混合后加入至聚乙烯瓶中，摇匀，加入量为混合物重量的1倍，继续静置24h，即得电解液。
实施例4
上述实施例1-实施例3所述的一种大容量快速充电的石墨烯电池制备方法包括以下步骤:
①正极导电剂制备：取所述重量份数的膨胀石墨经过气流粉碎机粉碎成粒径为0.8um，然后同纳米碳纤维、聚苯胺和N-甲基吡咯烷酮一起置于高速搅拌机中，控制转速2000r/min，搅拌3min,再将混合物研磨为分散均匀得正极导电剂；
②正极粘结剂制备：将所述重量份数的明胶与蒸馏水按照重量比1:6比例混合，边搅拌边加热直至明胶完全溶剂，然后控制溶液温度为55℃，再加入壳聚糖和海藻酸钠，继续搅拌至溶液中无沉淀即得正极粘结剂；
③正极材料制备：按重量份数，将尖晶石钛酸锂、氟化石墨烯、正极导电剂、正极粘结剂混合后置于磁力搅拌器中，然后将聚乙烯吡咯烷酮配制成50％的溶液，再边搅拌边加入50％的聚乙烯吡咯烷酮溶液、控制加入速度，在30min内添加完毕，再将物料置于玛瑙研钵中研磨，直至研磨过200目筛，得正极材料；
④负极导电剂制备：按重量份数，将炭黑、碳纳米管分别放入放入真空烘箱100℃真空烘烤48h，然后混合进行研磨，研磨至粒径为0.8um，即得负极导电剂；
⑤负极粘结剂制备：按重量份数，将萜烯树脂、羧甲基纤维素、聚丙烯酸置于球磨罐中，加入混合重量7倍的乙醇，再加入5颗粒径为2cm的玛瑙球磨珠，在行星式球磨机上进行8h持续湿法球磨，转速为250r/min，然后在氮气的保护下，取出后置于120℃下恒温加热2h，然后于200℃下下恒温加热40min，待自然冷却后即得负极粘结剂；
⑥负极材料制备：按重量份数，将三氧化二铁、微米硅粉、氧化石墨烯、尖晶石锰酸锂、负极导电剂、负极粘结剂混合，超声处理15min,再加入脂肪醇聚氧乙烯醚、搅拌3h抽真空，200目过筛，得负极材料；
⑦电池制备：将正极材料和负极材料分别涂覆在铝箔上，涂布后，在真空干燥箱中于40℃下干燥2h，再以4MPa下压片后作正极片和负极片，再放入真空烘箱100℃真空烘烤40min,然后按常规方法将正极片、负极片和电池外壳密封装配成一体，将电解液注入封装处理后的正极片和负极片之间，即得大容量快速充电的石墨烯电池。
表1市售石墨烯锂电池和本发明实施例制备的石墨烯电池充电时间对比
由表1明显可知，与市售的石墨烯电池相比，本发明实施例1-3制备的石墨烯电池在相同的充电条件下，充电时间显著缩短。
表2市售大容量石墨烯电池和本发明实施例制备的石墨烯电池充放电性能相比(在0.5mA/mg的电流、2.5V的电压进行充放电实验)
由表2可知，本发明实施例制备的石墨烯电池比市售的大容量石墨烯电池充放电效率明显提高。
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，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。