CN104882638A - 石墨碳纤维电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了石墨碳纤维电池，由鳞片石墨正极、碳纤维储电层、多孔玻璃纤维隔层、鳞片石墨负极组成，鳞片石墨正极、鳞片石墨负极之间填充碳纤维储电层、多孔玻璃纤维隔层，多孔玻璃纤维隔层中存储复合电解液，所述复合电解液中含有饱和氯化锌水溶液和龙舌兰植物提取液，且饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为4-6：1。本发明以鳞片石墨片作为电池电极材料，降低成本，获得良好的电容量，大大提高它的可逆容量和循环寿命。复合电解液不掺入任何酸性物质，使用了龙舌兰植物提取液，报废后的复合电解液甚至可以用来回收做农业肥料。

Description

石墨碳纤维电池
技术领域
本发明涉及电池领域，具体是石墨碳纤维电池。
背景技术
燃料电池(Proton Exchange Membrane fuel Cell，缩写 ：PEMFC)是一种将燃料与氧化剂中的化学能通过电极上的电催化反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池双极板是燃料电池关键部件之一，一般它是由极板和流场组成的。理想双极板应具备电、热的良导体，良好的机械性能，很好的阻气性能，较低密度，耐腐蚀性好等特点。在常见的 PEMFC 中，流场与极板可以是一体的，也可以是分体的。目前双极板的研究和应用主要集中在金属材料板、模压材料板和石墨材料板，这三种双极板各有优势 ：(1) 金属材料双极板强度好，导电好，不透性好，弱点是耐腐蚀性差。(2) 模压材料双极板，先期一次性投入大，在导电性与强度之间需要取舍。(3) 石墨双极板，具有良好的导电性和耐腐蚀性，弱点是强度低，有气孔，因此需要提高石墨材料的强度，填补石墨材料固有的不规则气孔，从而达到燃料电池堆的使用要求。
在石墨双极板方面，WO0041260中提到了采用柔性石墨板制备双极板，该双极板是先压成型后灌胶，胶粘剂主要是聚偏二氟乙烯，详细制备工艺没有提及，侧重点在双极板结构对阻力的影响，双极板采用两层结构，即氢流场板与水腔作为一块板，氧流场板作为一块板，二者粘结到一起构成一块双极板，缺点是压制工艺复杂，氢板由于两面流场导致成型困难，容易碎，这样导致废品率高。
现有的燃料电池中，还存在以下缺点：材料成本高、放电电位曲线不平稳，电解液中掺入酸性物质，报废后不方便出来，还会造成环境污染。
发明内容
本发明的目的在于提供成本低、电容量良好、环保的石墨碳纤维电池,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
石墨碳纤维电池，由鳞片石墨正极、碳纤维储电层、多孔玻璃纤维隔层、鳞片石墨负极组成，鳞片石墨正极、鳞片石墨负极之间填充碳纤维储电层、多孔玻璃纤维隔层，且碳纤维储电层位于鳞片石墨正极与多孔玻璃纤维隔层之间，多孔玻璃纤维隔层位于碳纤维储电层与鳞片石墨负极之间，其中鳞片石墨正极、鳞片石墨负极均采用鳞片石墨片材质，碳纤维储电层采用碳纤维材料材质，多孔玻璃纤维隔层采用多孔玻璃纤维纸材质；多孔玻璃纤维隔层中存储复合电解液，所述复合电解液中含有饱和氯化锌水溶液和龙舌兰植物提取液，且饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为4-6：1。
作为本发明进一步的方案：所述复合电解液中饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为5：1。
作为本发明进一步的方案：所述碳纤维储电层的厚度为10mm。
作为本发明进一步的方案：所述复合电解液制备的过程：1）电解液活化过程：12V、1A的电源电解饱和氯化锌水溶液，密封处理；电解10次，每次5分钟，每次间隔3分钟；使其呈淡黄色，冷却至温度25℃即得活化电解液；2）将活化电解液倒入不透明玻璃罐密封储存48小时，存储温度＜30℃；3）活化电解液与龙舌兰植物提取液按照上述比例混合搅拌均匀得到复合电解液；4）将复合电解液密封保存灌装72小时后，即分装成瓶作为石墨碳纤维电池的复合电解液成品。
作为本发明进一步的方案：所述鳞片石墨正极1与鳞片石墨负极4的制备步骤包括：第一步，淬火操作：将鳞片石墨放于火上，调制温度为500℃加热1分钟，投入10℃冷水中，反复10次；第二步，干燥封装：将淬火过后的鳞片石墨自然风干后，放入干燥防潮、防尘铝塑袋中生产备用；第三步，裁剪组装：将淬火后的鳞片石墨裁剪成需要的规格，2片一组对应一个电池单格进行组装。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明以鳞片石墨片作为电池电极材料，鳞片石墨是一种层状结构的天然固体润滑剂，资源丰富且价格便宜。鳞片石墨结晶完整，片薄且韧性好，物化性能优异，具有良好的热传导性、 导电性、抗热震性，耐腐蚀性等。不仅降低了成本，还获得了良好的电容量。鳞片石墨片具有很好的层状储存结构，理论容量可以达到372mAh/g，材料价廉易得，以及放电电位曲线平稳等突出的优点。所以改性后的电池电极可以大大提高它的可逆容量和循环寿命。还采用了碳纤维储电材料，其多孔的特性不仅增加储存电量，还具有理想的三维结构强度和通透的孔隙，能有效地集结电流和包容粉体电极活性物质，电极过程中物质和电子的传递引起的阻抗较小。复合电解液不掺入任何酸性物质，使用了龙舌兰植物提取液，报废后的复合电解液甚至可以用来回收做农业肥料。
附图说明
图1是石墨碳纤维电池实施例的纵剖面构造图。
图2是石墨碳纤维电池实施例的充电电路原理图。
图3是复合电解液制备的工艺流程图。
图4是制备鳞片石墨正极与鳞片石墨负极的热处理流程图。
图中：1-鳞片石墨正极、2-碳纤维储电层、3-多孔玻璃纤维隔层、4-鳞片石墨负极、5-充电电源、6-正向二极管。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明实施例中，请参阅图1，鳞片石墨正极1、碳纤维储电层2、多孔玻璃纤维隔层3与鳞片石墨负极4依次采用紧压接触设计，多孔玻璃纤维隔层3防止电池正负极相接触发生短路同时起到存储复合电解液的作用。加入饱和氯化锌水溶液和龙舌兰植物提取液作为复合电解液，且饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为5：1。
在图2所示实施例中，鳞片石墨正极1通过外接电路链接充电电源的正极，且有正向二极管6作为反接保护装置。鳞片石墨负极4接入充电电源5的负极，在充电五分钟的测试中得到了良好稳定的放电曲线。
在电池充电过程中：阳极：Zn-2e-=Zn2+,阴极：Zn2++2e-=Zn，锌离子被存储于碳纤维中并放电形成单质。同时充电过程中产生：Zn+Cl2。本发明在充电过程中碳纤维储电层2用于存储电子；多孔玻璃纤维隔层3用于正负电极之间的隔离，避免正负电极相接触发生短路。鳞片石墨正极1连接充电电源的正极，鳞片石墨负极4用于连接充电电源负极。
石墨碳纤维电池的复合电解液,使用饱和氯化锌水溶液加入云南低海拔亚热带的龙舌兰植物提取液，其主要作用是稀释充电过程中产生的Cl2气体。龙舌兰植物提取液中的主要化学成分包括：龙舌兰皂甙(a-gavoside)A、B、C、C′、D、E、F、G、H。又从叶中得到8个皂甙元：海柯皂甙元(hecogenin)，9-去氢海柯皂甙元(9-dehy-drophecogenin)，替告皂甙元(tigogenin)，洛柯皂甙元(rokoge-nin)，12-表洛柯皂甙元(12-epirockogenin)，芰脱皂甙元(gitoge-nin)，绿莲皂甙元(chlorogenin)，曼诺皂甙元(manogenin)。还含番石榴酸(piscidic acid)，腺甙3′:5′-环单磷酸(adenosine 3′-5′- cyclomonophophate)。地上部分含龙舌兰黄烷酮(agamanone)，三十四烷醇(tratriacontanol)，十六烷酸三十四烷醇酯(tetratriacon-tylhexadecanoate)，5-羟基-7-甲氧基-2-三十三烷基-4(H)-苯并吡喃-4-酮[5-hydroxy-7-methoxy-2-trltrlacontyl -4(H)-benzopyran-4-one]。
请参阅图3，复合电解液制备的过程：1.电解液活化过程：12V、1A的电源电解饱和氯化锌水溶液，密封处理；电解10次，每次5分钟，每次间隔3分钟；使其呈淡黄色，冷却至温度25℃即可制得活化电解液。2.将活化电解液倒入不透明玻璃罐密封储存48小时，存储温度＜30℃。3.活化电解液1L配比200ml滇南龙舌兰植物提取液混合搅拌均匀得到复合电解液。4.将复合电解液密封保存灌装72小时后，即可分装成瓶作为石墨碳纤维电池的复合电解液成品。
请参阅图4，制备鳞片石墨正极1与鳞片石墨负极4这两个鳞片石墨电极板时，需经过热处理流程。第一步，淬火操作：将鳞片石墨放于火上，调制温度为500℃加热1分钟，投入10℃冷水中，反复10次，使鳞片石墨呈现多孔而且防止碳掉屑。第二步，干燥封装：将淬火过后的鳞片石墨自然风干后，放入干燥防潮，防尘铝塑袋中生产备用。第三步，裁剪组装：将淬火后的鳞片石墨裁剪成150mm×200mm规格，2片一组对应一个电池单格进行组装。
石墨碳纤维电池在组装时，首先组装电池干体，从左至右依次为鳞片石墨正极1、碳纤维储电层2、多孔玻璃纤维隔层3与鳞片石墨负极4，再在多孔玻璃纤维隔层3中加入复合电解液，即得。本发明中电池干体与复合电解液均可单独出售，且由商家灌装销售。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.石墨碳纤维电池，由鳞片石墨正极（1）、碳纤维储电层（2）、多孔玻璃纤维隔层（3）、鳞片石墨负极（4）组成，其特征在于，鳞片石墨正极（1）、鳞片石墨负极（4）之间填充碳纤维储电层（2）、多孔玻璃纤维隔层（3），且碳纤维储电层（2）位于鳞片石墨正极（1）与多孔玻璃纤维隔层（3）之间，多孔玻璃纤维隔层（3）位于碳纤维储电层（2）与鳞片石墨负极（4）之间，其中鳞片石墨正极（1）、鳞片石墨负极（4）均采用鳞片石墨片材质，碳纤维储电层（2）采用碳纤维材料材质，多孔玻璃纤维隔层（3）采用多孔玻璃纤维纸材质；多孔玻璃纤维隔层（3）中存储复合电解液，所述复合电解液中含有饱和氯化锌水溶液和龙舌兰植物提取液，且饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为4-6：1。
2.根据权利要求1所述的石墨碳纤维电池，其特征在于，所述复合电解液中饱和氯化锌水溶液与龙舌兰植物提取液的体积比为5：1。
3.根据权利要求1所述的石墨碳纤维电池，其特征在于，所述碳纤维储电层（2）的厚度为10mm。
4.根据权利要求1-2任一所述的石墨碳纤维电池，其特征在于，所述复合电解液制备的过程：1）电解液活化过程：12V、1A的电源电解饱和氯化锌水溶液，密封处理；电解10次，每次5分钟，每次间隔3分钟；使其呈淡黄色，冷却至温度25℃即得活化电解液；2）将活化电解液倒入不透明玻璃罐密封储存48小时，存储温度＜30℃；3）活化电解液与龙舌兰植物提取液按照上述比例混合搅拌均匀得到复合电解液；4）将复合电解液密封保存灌装72小时后，即分装成瓶作为石墨碳纤维电池的复合电解液成品。
5.根据权利要求1所述的石墨碳纤维电池，其特征在于，所述鳞片石墨正极（1）与鳞片石墨负极（4）的制备步骤包括：第一步，淬火操作：将鳞片石墨放于火上，调制温度为500℃加热1分钟，投入10℃冷水中，反复10次；第二步，干燥封装：将淬火过后的鳞片石墨自然风干后，放入干燥防潮、防尘铝塑袋中生产备用；第三步，裁剪组装：将淬火后的鳞片石墨裁剪成需要的规格，2片一组对应一个电池单格进行组装。
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