CN106898764A - 一种石墨烯‑镁海水电池装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于海水电池设备技术领域，具体涉及一种石墨烯‑镁海水电池装置，由1‑n组石墨烯‑镁海水电池单元构成，石墨烯‑镁海水电池单元的主体结构包括壳体、上部透水孔、底部透水孔、凸起锥、镁合金阳极极板、负极接线柱、石墨烯复合阴极极板、正极接线柱、导离子板栅、内封盖、接线柱通孔、外封盖、导线孔、耐压区、负极输出导线和正极输出导线，基于燃料电池的技术原理，阳极材料采用高电位并加惰的AZ31镁合金，阴极采用导电性好和对海水溶解氧催化还原效率突出的石墨烯复合材料，以溶解氧≥5ppm和氯化钠≥3.5％的海水溶液做电解质；其结构简单，原理科学合理，操作性强，成本低廉，使用环境友好，安全环保，推广价值高，易于推广使用。
Description
技术领域：
本发明属于海水电池设备技术领域，涉及一种石墨烯-镁海水电池装置，具体是一种以石墨烯复合材料为阴极，以镁合金材料为阳极，以海水为电解质的单元组合式海水电池。
背景技术：
随着人们对海洋科研和海洋资源开发活动的深入发展，海洋监测、海洋工程、海洋军事活动、海洋救生及潜航器等海洋装备，特别是海洋深水探测和资源开发生产活动，对电源提出了迫切的需求，仅靠具有很大局限性的电缆输送岸电、船舶供电或复充式电池供电方式是远远不能满足日益突出的海上活动要求，大大限制了人们深入发展和进行海洋科研和生产活动，多年来人们一直在寻求制造一种适应海洋活动使用的、相对长效的独立电源，使用前景广阔的海水电池应运而生。科学家们先后发明了氯化银海水电池、铝海水电池和锌海水电池等，均因其材料昂贵或具有不可逆的技术缺陷难以推广使用。镁具有电位高、重量轻、理化性能好和加工成本低等特点，特别是镁合金材料被公认为是目前海水电池最好的阳极材料，所以，以镁合金材料做海水电池的阳极具有成本低廉、技术可达和对环境友好等优势；但是，镁合金存在在海水中腐蚀速度过快，致使极板易松动脱落、使用寿命短以及腐蚀产物聚集后会造成自放电或电池短路的客观缺陷，这些客观缺陷均属于主观技术易于克服的可达范围。现有技术中的镁海水电池的阴极一般采用石墨、碳钢或铜合金等惰性导电材料，其通电密度一般＜1.5mA/cm2，对海水溶氧还原催化效率低、反应速度慢、稳定性差，严重抑制了电能的生成，也大大制约了海水电池的发展与应用推广。因此，寻求一种功能更好、效率更高的阴极材料，设计制造一种综合性能更好的海水电池。
石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形、呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其厚度仅有0.335nm，比表面积可达2630m2/g；石墨烯具有超强的稳定性：石墨烯中的碳原子均由共价键相连接，C-C键强度比金刚石更加稳定；石墨烯具有突出的导电性：电子迁移率可达到15000cm2/v.s，是单晶硅中电子迁移率(1400cm2/v.s)的150倍以上，电子在石墨烯中的运动速度可达到光速的1/300(光速300000km/s)，其电导率可达到108S/m，电子迁移率基本不受温度影响；石墨烯具有突出的力学性能：石墨烯是已知强度最高的新材料，抗拉强度为125GPa，弹性模量1.1TPa，强度极限为42N/m2，其结构致密、具有很好的柔性，如用100nm的石墨烯膜制成包装袋可承受2T重物品压力；具有突出的导热性能：石墨烯在常温下热导率为5300W/m.k，是铜的13倍；并且石墨烯与高分子材料之间具有良好的理化互溶性。由此可见，石墨烯是镁海水电池惰性阴极的理想材料，为制造一种石墨烯—镁海水电池提供了可能。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种石墨烯-镁海水电池装置，采用具有突出电功能特性的石墨烯复合材料做海水电池的惰性阴极，镁合金材料做阳极，海水做电解质。
为了实现上述目的，本发明涉及的石墨烯-镁海水电池装置由1-n组石墨烯-镁海水电池单元构成，石墨烯-镁海水电池单元的主体结构包括壳体、上部透水孔、底部透水孔、凸起锥、镁合金阳极极板、负极接线柱、石墨烯复合阴极极板、正极接线柱、导离子板栅、内封盖、接线柱通孔、外封盖、导线孔、耐压区、负极输出导线和正极输出导线；U形槽状结构的壳体的上部开设有上部透水孔，壳体的底部开设底部透水孔，壳体的上部和底部均设置有三角形结构的凸起锥，壳体的内部中心位置处设置有矩形板状结构的镁合金阳极极板，镁合金阳极极板的顶端设置有圆柱形结构的负极接线柱，壳体的内部位于镁合金阳极极板的左侧和右侧处分别设置有矩形板状结构的石墨烯复合阴极极板，石墨烯复合阴极极板的顶端设置有圆柱形结构的正极接线柱，镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板之间设置有矩形板状结构的导离子板栅，壳体的顶端设置有矩形板状结构的内封盖，内封盖与负极接线柱和正极接线柱相交处开设有圆柱形结构的接线柱通孔，内封盖的顶部设置有倒U形槽状结构的外封盖，外封盖的顶部中心处开设有圆形结构的导线孔，内封盖与外封盖之间的空间形成耐压区，与负极接线柱连接的负极输出导线和与正极接线柱连接的正极输出导线从耐压区通过导线孔穿出，两个正极接线柱通过正极输出导线并联连接；内封盖与外封盖之间、接线柱通孔和导线孔均采用抗水溶胶进行耐压密封处理。
本发明涉及的镁合金阳极极板的主体结构包括负极接线柱、阳极集流板和极板；内空式矩形框状结构的阳极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的负极接线柱，阳极集流板的内部设置有10-16块矩形板状结构的极板；阳极集流板和极板的材质均为AZ31商用镁合金型材；镁合金阳极极板的制备工艺过程为：首先根据腐蚀速率和所需供电时间选用厚度1-25mm的AZ31镁合金板材裁剪为设定尺寸的平板，再将平板机加工成透空板栅状结构的栅板，栅板的外边框为阳极集流板，栅板的内部为极板，在阳极集流板的上端中心处铆接负极接线柱，然后将极板的表面磨光，最后在阳极集流板的外侧涂镀防止极板腐蚀松动或脱落的石墨烯防腐保护层，完成镁合金阳极极板的制备。
本发明涉及的石墨烯复合阴极极板的主体结构包括正极接线柱、阴极集流板和箔条；内空式矩形框状结构的阴极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的正极接线柱，阴极集流板的内部设置有5-8层矩形板状结构的箔条；阴极集流板和箔条的材质均为铜合金型材；石墨烯复合阴极极板的制备工艺过程为：首先分别制备1.0mm×1.0mm的阴极集流板、0.1mm×0.1mm-0.8mm×0.8mm的箔条和石墨烯复合分散液，石墨烯复合分散液是由80-96质量份N-甲基吡咯烷酮溶液、0.1-20质量份石墨烯、0.1-15质量份环氧固化剂、0.1-5质量份Pd粉剂和0.1-10质量份pH调整剂混合后在70-90℃高温下制备而成的，再将5-8根箔条的上端和下端分别夹压固定在阴极集流板中，在阴极集流板的上端中心处铆接正极接线柱，得到极板粗品，然后将极板粗品浸泡在70-90℃的石墨烯复合分散液中1-3min取出后放入温度为180-260℃的烘烤箱内烘烤0.2-4h，最后将极板粗品取出后自然冷却至室温，完成石墨烯复合阴极极板的制备。
本发明涉及的石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板的激活速度快，出现稳定放电电压的时间为5min时，稳定电压为1.1V；铜合金箔阴极的激活速度慢，出现稳定放电电压的时间为10min时，稳定电压为0.6V，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有对溶解氧的催化还原效果好、反应速度快以及输出电压高且稳定的优势。
本发明涉及的石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电功率与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板在相对大功率放电时的电压稳定，其稳定电压为1.1V，输出功率大、出现终止电压时的对应功率为1.5W；在相同条件下，铜合金箔阴极提前出现大幅度压降，稳定电压为0.6V，输出功率小、出现终止电压时的对应功率为1.3W，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有在相对大电流放电时，对溶解氧持续催化效果好、反应效率高以及输出电压高且稳定的优势。
本发明涉及的壳体、内封盖和外封盖的材质均为绝缘和耐压的高分子材料，壳体是镁合金阳极极板、石墨烯复合阴极极板和导离子板栅的托架；上部透水孔和底部透水孔形成海水在壳体中的对流通道和腐蚀产物的排出通道，有利于增大溶氧量提高反应速度，保证供电的稳定性，上部透水孔和底部透水孔在存放期内均用水溶胶质膜封闭，防止镁合金阳极极板和石墨烯复合阴极极板遭受空气氧化，延长储能时间，石墨烯-镁海水电池装置在水溶胶质膜封闭条件下的储存时间为3-5年，储存期间无需保养，使用时，将石墨烯-镁海水电池装置浸入海水2min后内水溶胶质膜自动脱落，海水充满壳体的内腔3-5min后将石墨烯-镁海水电池装置激活供电，使用方便；凸起锥用于固定镁合金阳极极板、石墨烯复合阴极极板和导离子板栅的位置；镁合金阳极极板的腐蚀速率低、电极活性溶解和电化学性能突出；负极接线柱的材质为铜合金；石墨烯复合阴极极板为具有良好的海水通透性的蓬松疏状结构，能够在海水溶液中获得充足的溶解氧，石墨烯复合阴极极板的电流密度＞680mA/cm2，石墨烯复合阴极极板的有效反应面积是镁合金阳极极板的有效反应面积的5-8倍；导离子板栅为由厚度为0.5-15mm的聚酯绝缘板材制成镂空状结构的板栅，导离子板栅用以隔离和固定镁合金阳极极板和石墨烯复合阴极极板，导离子板栅具有高效的导离子功效；耐压区能够保证负极接线柱与负极输出导线和正极接线柱与正极输出导线连接的水密性要求，耐压区是电源稳压设备和相关电源控件的安装空间。
本发明涉及的石墨烯-镁海水电池装置的1组石墨烯-镁海水电池单元中采用两块石墨烯复合阴极极板和一块镁合金阳极极板，两块石墨烯复合阴极极板的反应总面积是镁合金阳极极板的反应总面积的10-16倍，提高了石墨烯-镁海水电池单元的氧还原催化效率和稳定性，石墨烯-镁海水电池单元的输出电压为0.5-1.8V，通过调整镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板的之间的水平距离实现所需电压，将多个石墨烯-镁海水电池单元并联或串联组装，能够获得所需的输出电压和电流；电压一定时，输出电流随镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板的有效反应表面积的增大而增大，反之则减小；在镁合金阳极极板腐蚀速率一定条件下，镁合金阳极极板的有效反应体积决定石墨烯-镁海水电池装置的供电寿命，根据需要缩小或增大镁合金阳极极板的有效反应体积，制成连续供电几小时、几天、几十天或一年以上的石墨烯—镁海水电池装置；石墨烯-镁海水电池装置使用时，海水溶液中的溶解氧通过石墨烯复合阴极极板催化还原生成阴极活性物质，石墨烯-镁海水电池装置在微速流动的海水环境中与静止的海水环境中相比能够获得更多的溶解氧；石墨烯-镁海水电池装置在深水环境中与在浅水环境中相比，海水溶解氧密度更大，更有利于石墨烯-镁海水电池装置的高效反应、高品质供电和持续稳定的供电。
本发明与现有技术相比，基于燃料电池的技术原理，阳极材料采用高电位并加惰的AZ31镁合金，阴极采用导电性好和对海水溶解氧催化还原效率突出的石墨烯复合材料，以溶解氧≥5ppm和氯化钠≥3.5％的海水溶液做电解质，电池透水孔采用了水溶胶质膜封闭技术，存放储能时间可长达3-5年，能够为海洋科研、海洋生产和海洋军事活动等海洋领域提供长效稳定的独立电源，水溶胶质膜被海水浸泡后能在短时间内自动脱落，使得石墨烯—镁海水电池更适合船舶、飞机、海上作业平台等海上救生装备的配套电源，方便长时间储备无需保养，应急使用时能有效供电，能够保证常备不用，用则有效，石墨烯—镁海水电池能够在高于冰点至50℃的海水溶液中正常工作；其结构简单，原理科学合理，操作性强，成本低廉，使用环境友好，安全环保，推广价值高，易于推广使用。
附图说明：
图1为本发明涉及的石墨烯-镁海水电池单元的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的镁合金阳极极板的主体结构原理示意图。
图3为本发明涉及的石墨烯复合阴极极板的主体结构原理示意图。
图4为本发明涉及的导离子板栅的主体结构原理示意图。
图5为本发明涉及的石墨烯复合阴极与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图。
图6为本发明涉及的石墨烯复合阴极与铜合金箔阴极相比的放电功率与电压关系曲线图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例涉及的石墨烯-镁海水电池装置由1组石墨烯-镁海水电池单元构成，石墨烯-镁海水电池单元的主体结构如附图1所示包括壳体1、上部透水孔2、底部透水孔3、凸起锥4、镁合金阳极极板5、负极接线柱6、石墨烯复合阴极极板7、正极接线柱8、导离子板栅9、内封盖10、接线柱通孔11、外封盖12、导线孔13、耐压区14、负极输出导线15和正极输出导线16；U形槽状结构的壳体1的上部开设有上部透水孔2，壳体1的底部开设底部透水孔3，壳体1的上部和底部均设置有三角形结构的凸起锥4，壳体1的内部中心位置处设置有矩形板状结构的镁合金阳极极板5，镁合金阳极极板5的顶端设置有圆柱形结构的负极接线柱6，壳体1的内部位于镁合金阳极极板5的左侧和右侧处分别设置有矩形板状结构的石墨烯复合阴极极板7，石墨烯复合阴极极板7的顶端设置有圆柱形结构的正极接线柱8，镁合金阳极极板5与石墨烯复合阴极极板7之间设置有矩形板状结构的导离子板栅9，壳体1的顶端设置有矩形板状结构的内封盖10，内封盖10与负极接线柱6和正极接线柱8相交处开设有圆柱形结构的接线柱通孔11，内封盖10的顶部设置有倒U形槽状结构的外封盖12，外封盖12的顶部中心处开设有圆形结构的导线孔13，内封盖10与外封盖12之间的空间形成耐压区14，与负极接线柱6连接的负极输出导线15和与正极接线柱8连接的正极输出导线16从耐压区14通过导线孔13穿出，两个正极接线柱8通过正极输出导线16并联连接；内封盖10与外封盖12之间、接线柱通孔11和导线孔13均采用抗水溶胶进行耐压密封处理。
本实施例涉及的镁合金阳极极板5的主体结构如附图2所示包括负极接线柱6、阳极集流板20和极板21；内空式矩形框状结构的阳极集流板20的上端中心处铆接有圆柱形结构的负极接线柱6，阳极集流板20的内部设置有10-16块矩形板状结构的极板21；阳极集流板20和极板21的材质均为AZ31商用镁合金型材；镁合金阳极极板5的制备工艺过程为：首先根据腐蚀速率和所需供电时间选用厚度1-25mm的AZ31镁合金板材裁剪为设定尺寸的平板，再将平板机加工成透空板栅状结构的栅板，栅板的外边框为阳极集流板20，栅板的内部为极板21，在阳极集流板20的上端中心处铆接负极接线柱6，然后将极板21的表面磨光，最后在阳极集流板20的外侧涂镀防止极板21腐蚀松动或脱落的石墨烯防腐保护层，完成镁合金阳极极板5的制备。
本实施例涉及的石墨烯复合阴极极板7的主体结构如附图3所示包括正极接线柱8、阴极集流板22和箔条23；内空式矩形框状结构的阴极集流板22的上端中心处铆接有圆柱形结构的正极接线柱8，阴极集流板22的内部设置有5-8层矩形板状结构的箔条23；阴极集流板22和箔条23的材质均为铜合金型材；石墨烯复合阴极极板7的制备工艺过程为：首先分别制备1.0mm×1.0mm的阴极集流板22、0.1mm×0.1mm-0.8mm×0.8mm的箔条23和石墨烯复合分散液，石墨烯复合分散液是由80-96质量份N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液、0.1-20质量份石墨烯、0.1-15质量份环氧固化剂、0.1-5质量份Pd粉剂和0.1-10质量份pH调整剂混合后在70-90℃高温下制备而成的，再将5-8根箔条23的上端和下端分别夹压固定在阴极集流板22中，在阴极集流板22的上端中心处铆接正极接线柱8，得到极板粗品，然后将极板粗品浸泡在70-90℃的石墨烯复合分散液中1-3min取出后放入温度为180-260℃的烘烤箱内烘烤0.2-4h，最后将极板粗品取出后自然冷却至室温，完成石墨烯复合阴极极板7的制备。
本实施例涉及的石墨烯复合阴极极板7与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图如附图5显示，石墨烯复合阴极极板7的激活速度快，出现稳定放电电压的时间为5min时，稳定电压为1.1V；铜合金箔阴极的激活速度慢，出现稳定放电电压的时间为10min时，稳定电压为0.6V，由此可见，石墨烯复合阴极极板7与铜合金箔阴极相比具有对溶解氧的催化还原效果好、反应速度快以及输出电压高且稳定的优势。
本实施例涉及的石墨烯复合阴极极板7与铜合金箔阴极相比的放电功率与电压关系曲线图如附图6显示，石墨烯复合阴极极板7在相对大功率放电时的电压稳定，其稳定电压为1.1V，输出功率大、出现终止电压时的对应功率为1.5W；在相同条件下，铜合金箔阴极提前出现大幅度压降，稳定电压为0.6V，输出功率小、出现终止电压时的对应功率为1.3W，由此可见，石墨烯复合阴极极板7与铜合金箔阴极相比具有在相对大电流放电时，对溶解氧持续催化效果好、反应效率高以及输出电压高且稳定的优势。
本实施例涉及的壳体1、内封盖10和外封盖12的材质均为绝缘和耐压的高分子材料，壳体1是镁合金阳极极板5、石墨烯复合阴极极板7和导离子板栅9的托架；上部透水孔2和底部透水孔3形成海水在壳体1中的对流通道和腐蚀产物的排出通道，有利于增大溶氧量提高反应速度，保证供电的稳定性，上部透水孔2和底部透水孔3在存放期内均用水溶胶质膜封闭，防止镁合金阳极极板5和石墨烯复合阴极极板7遭受空气氧化，延长储能时间，石墨烯-镁海水电池装置在水溶胶质膜封闭条件下的储存时间为3-5年，储存期间无需保养，使用时，将石墨烯-镁海水电池装置浸入海水2min后内水溶胶质膜自动脱落，海水充满壳体1的内腔3-5min后将石墨烯-镁海水电池装置激活供电，使用方便；凸起锥4用于固定镁合金阳极极板5、石墨烯复合阴极极板7和导离子板栅9的位置；镁合金阳极极板5的腐蚀速率低、电极活性溶解和电化学性能突出；负极接线柱6的材质为铜合金；石墨烯复合阴极极板7为具有良好的海水通透性的蓬松疏状结构，能够在海水溶液中获得充足的溶解氧，石墨烯复合阴极极板7的电流密度＞680mA/cm2，石墨烯复合阴极极板7的有效反应面积是镁合金阳极极板5的有效反应面积的5-8倍；导离子板栅9为由厚度为0.5-15mm的聚酯绝缘板材制成镂空状结构的板栅，导离子板栅9用以隔离和固定镁合金阳极极板5和石墨烯复合阴极极板7，导离子板栅9具有高效的导离子功效；耐压区14能够保证负极接线柱6与负极输出导线15和正极接线柱8与正极输出导线16连接的水密性要求，耐压区14是电源稳压设备和相关电源控件的安装空间。
本实施例制备的石墨烯-镁海水电池装置的1组石墨烯-镁海水电池单元中采用两块石墨烯复合阴极极板7和一块镁合金阳极极板5，两块石墨烯复合阴极极板7的反应总面积是镁合金阳极极板5的反应总面积的10-16倍，提高了石墨烯-镁海水电池单元的氧还原催化效率和稳定性，石墨烯-镁海水电池单元的输出电压为0.5-1.8V，通过调整镁合金阳极极板5与石墨烯复合阴极极板7的之间的水平距离实现所需电压，将多个石墨烯-镁海水电池单元并联或串联组装，能够获得所需的输出电压和电流(功率)；电压一定时，输出电流随镁合金阳极极板5与石墨烯复合阴极极板7的有效反应表面积的增大而增大，反之则减小；在镁合金阳极极板5腐蚀速率一定条件下，镁合金阳极极板5的有效反应体积决定石墨烯-镁海水电池装置的供电寿命，根据需要缩小或增大镁合金阳极极板5的有效反应体积，制成连续供电几小时、几天、几十天或一年以上的石墨烯—镁海水电池装置；石墨烯-镁海水电池装置使用时，海水溶液中的溶解氧通过石墨烯复合阴极极板7催化还原生成阴极活性物质，石墨烯-镁海水电池装置在微速流动的海水环境中与静止的海水环境中相比能够获得更多的溶解氧；石墨烯-镁海水电池装置在深水环境中与在浅水环境中相比，海水溶解氧密度更大，更有利于石墨烯-镁海水电池装置的高效反应、高品质供电和持续稳定的供电。
Claims (7)
1.一种石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于由1-n组石墨烯-镁海水电池单元构成，石墨烯-镁海水电池单元的主体结构包括壳体、上部透水孔、底部透水孔、凸起锥、镁合金阳极极板、负极接线柱、石墨烯复合阴极极板、正极接线柱、导离子板栅、内封盖、接线柱通孔、外封盖、导线孔、耐压区、负极输出导线和正极输出导线；U形槽状结构的壳体的上部开设有上部透水孔，壳体的底部开设底部透水孔，壳体的上部和底部均设置有三角形结构的凸起锥，壳体的内部中心位置处设置有矩形板状结构的镁合金阳极极板，镁合金阳极极板的顶端设置有圆柱形结构的负极接线柱，壳体的内部位于镁合金阳极极板的左侧和右侧处分别设置有矩形板状结构的石墨烯复合阴极极板，石墨烯复合阴极极板的顶端设置有圆柱形结构的正极接线柱，镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板之间设置有矩形板状结构的导离子板栅，壳体的顶端设置有矩形板状结构的内封盖，内封盖与负极接线柱和正极接线柱相交处开设有圆柱形结构的接线柱通孔，内封盖的顶部设置有倒U形槽状结构的外封盖，外封盖的顶部中心处开设有圆形结构的导线孔，内封盖与外封盖之间的空间形成耐压区，与负极接线柱连接的负极输出导线和与正极接线柱连接的正极输出导线从耐压区通过导线孔穿出，两个正极接线柱通过正极输出导线并联连接；内封盖与外封盖之间、接线柱通孔和导线孔均采用抗水溶胶进行耐压密封处理。
2.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述镁合金阳极极板的主体结构包括负极接线柱、阳极集流板和极板；内空式矩形框状结构的阳极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的负极接线柱，阳极集流板的内部设置有10-16块矩形板状结构的极板；阳极集流板和极板的材质均为AZ31商用镁合金型材；镁合金阳极极板的制备工艺过程为：首先根据腐蚀速率和所需供电时间选用厚度1-25mm的AZ31镁合金板材裁剪为设定尺寸的平板，再将平板机加工成透空板栅状结构的栅板，栅板的外边框为阳极集流板，栅板的内部为极板，在阳极集流板的上端中心处铆接负极接线柱，然后将极板的表面磨光，最后在阳极集流板的外侧涂镀防止极板腐蚀松动或脱落的石墨烯防腐保护层，完成镁合金阳极极板的制备。
3.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述石墨烯复合阴极极板的主体结构包括正极接线柱、阴极集流板和箔条；内空式矩形框状结构的阴极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的正极接线柱，阴极集流板的内部设置有5-8层矩形板状结构的箔条；阴极集流板和箔条的材质均为铜合金型材；石墨烯复合阴极极板的制备工艺过程为：首先分别制备1.0mm×1.0mm的阴极集流板、0.1mm×0.1mm-0.8mm×0.8mm的箔条和石墨烯复合分散液，石墨烯复合分散液是由80-96质量份N-甲基吡咯烷酮溶液、0.1-20质量份石墨烯、0.1-15质量份环氧固化剂、0.1-5质量份Pd粉剂和0.1-10质量份pH调整剂混合后在70-90℃高温下制备而成的，再将5-8根箔条的上端和下端分别夹压固定在阴极集流板中，在阴极集流板的上端中心处铆接正极接线柱，得到极板粗品，然后将极板粗品浸泡在70-90℃的石墨烯复合分散液中1-3min取出后放入温度为180-260℃的烘烤箱内烘烤0.2-4h，最后将极板粗品取出后自然冷却至室温，完成石墨烯复合阴极极板的制备。
4.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板的激活速度快，出现稳定放电电压的时间为5min时，稳定电压为1.1V；铜合金箔阴极的激活速度慢，出现稳定放电电压的时间为10min时，稳定电压为0.6V，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有对溶解氧的催化还原效果好、反应速度快以及输出电压高且稳定的优势。
5.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电功率与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板在相对大功率放电时的电压稳定，其稳定电压为1.1V，输出功率大、出现终止电压时的对应功率为1.5W；在相同条件下，铜合金箔阴极提前出现大幅度压降，稳定电压为0.6V，输出功率小、出现终止电压时的对应功率为1.3W，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有在相对大电流放电时，对溶解氧持续催化效果好、反应效率高以及输出电压高且稳定的优势。
6.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述壳体、内封盖和外封盖的材质均为绝缘和耐压的高分子材料，壳体是镁合金阳极极板、石墨烯复合阴极极板和导离子板栅的托架；上部透水孔和底部透水孔形成海水在壳体中的对流通道和腐蚀产物的排出通道，有利于增大溶氧量提高反应速度，保证供电的稳定性，上部透水孔和底部透水孔在存放期内均用水溶胶质膜封闭，防止镁合金阳极极板和石墨烯复合阴极极板遭受空气氧化，延长储能时间，石墨烯-镁海水电池装置在水溶胶质膜封闭条件下的储存时间为3-5年，储存期间无需保养，使用时，将石墨烯-镁海水电池装置浸入海水2min后内水溶胶质膜自动脱落，海水充满壳体的内腔3-5min后将石墨烯-镁海水电池装置激活供电，使用方便；凸起锥用于固定镁合金阳极极板、石墨烯复合阴极极板和导离子板栅的位置；镁合金阳极极板的腐蚀速率低、电极活性溶解和电化学性能突出；负极接线柱的材质为铜合金；石墨烯复合阴极极板为具有良好的海水通透性的蓬松疏状结构，能够在海水溶液中获得充足的溶解氧，石墨烯复合阴极极板的电流密度＞680mA/cm2，石墨烯复合阴极极板的有效反应面积是镁合金阳极极板的有效反应面积的5-8倍；导离子板栅为由厚度为0.5-15mm的聚酯绝缘板材制成镂空状结构的板栅，导离子板栅用以隔离和固定镁合金阳极极板和石墨烯复合阴极极板，导离子板栅具有高效的导离子功效；耐压区能够保证负极接线柱与负极输出导线和正极接线柱与正极输出导线连接的水密性要求，耐压区是电源稳压设备和相关电源控件的安装空间。
7.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于1组石墨烯-镁海水电池单元中采用两块石墨烯复合阴极极板和一块镁合金阳极极板，两块石墨烯复合阴极极板的反应总面积是镁合金阳极极板的反应总面积的10-16倍，提高了石墨烯-镁海水电池单元的氧还原催化效率和稳定性，石墨烯-镁海水电池单元的输出电压为0.5-1.8V，通过调整镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板的之间的水平距离实现所需电压，将多个石墨烯-镁海水电池单元并联或串联组装，能够获得所需的输出电压和电流；电压一定时，输出电流随镁合金阳极极板与石墨烯复合阴极极板的有效反应表面积的增大而增大，反之则减小；在镁合金阳极极板腐蚀速率一定条件下，镁合金阳极极板的有效反应体积决定石墨烯-镁海水电池装置的供电寿命，根据需要缩小或增大镁合金阳极极板的有效反应体积，制成连续供电几小时、几天、几十天或一年以上的石墨烯—镁海水电池装置；石墨烯-镁海水电池装置使用时，海水溶液中的溶解氧通过石墨烯复合阴极极板催化还原生成阴极活性物质，石墨烯-镁海水电池装置在流动的海水环境中与静止的海水环境中相比能够获得更多的溶解氧；石墨烯-镁海水电池装置在深水环境中与在浅水环境中相比，海水溶解氧密度更大，更有利于石墨烯-镁海水电池装置的高效反应、高品质供电和持续稳定的供电。
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Denomination of invention: A graphene magnesium seawater battery device Granted publication date: 20190621 Pledgee: Huagao Holding Group Co.,Ltd. Pledgor: QINGDAO HUAGAO GRAPHENE TECHNOLOGY Corp.,Ltd. Registration number: Y2024980039404 |