CN109192991B - 一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,属于新材料技术领域,制备步骤如下:将金属Mg加热融化,然后加入少量有机保护剂和石墨烯的混合物,高速搅拌以形成纳米Mg球,在此过程中有机保护剂通过聚合在纳米Mg球表面形成高分子膜,石墨烯也包覆于纳米镁球表面;将预保护过的金属镁球倒入超临界态二氧化碳中,并进行二次球磨,然后迅速释放压力,在镁球表面形成MgCO3保护膜;将保护过的金属镁纳米粉材料进行压片,制备出需要的金属镁片。本发明通过二氧化碳超临界方法在金属Mg表面形成MgCO3保护膜,有效防止金属Mg粉接触空气爆炸,高分子膜仅作为预保护膜;本发明通过在Mg粉表面混合石墨烯以提高其导电性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,属于新材料技术领域。
背景技术
伴随着新能源汽车的快速发展,寻找高性能的储能装置已经成为相关领域的关注热点。在各种新型的储能装置中,金属空气电池以其超高能量密度更是受到了人们的极大关注。其中,Mg基金属空气电池更是以其超低的成本最具商业化应用前景。然而金属Mg在反应后产物MgO的导电性都比较差,难以彻底反应,且导致反应后期的反应速度显著变慢,极大的限制了Mg基金属空气电池的发展。因此制备出可在反应后期维持高导电性能的Mg基金属空气电池具有重要的实用价值,也是新能源汽车等亟待解决的重要问题。
发明内容
为了克服上述缺陷,本发明提供一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其制备得到可维持高导电性能、高稳定性的空气电池。
为了实现上述发明目的,本发明采用如下的技术方案:一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:
S1:将金属Mg加热融化,然后加入少量有机保护剂和石墨烯的混合物,高速搅拌以形成纳米Mg球,在此过程中有机保护剂通过聚合在纳米Mg球表面形成高分子膜,石墨烯也包覆于纳米镁球表面,即形成预保护过的金属镁球;
S2:将预保护过的金属镁球倒入超临界态二氧化碳中,并进行二次球磨,然后迅速释放压力,在镁球表面形成MgCO3保护膜,即形成保护过的金属镁纳米粉材料;
S3:将保护过的金属镁纳米粉材料进行压片,制备出需要的金属镁片。
所述S1中,将金属Mg加热融化,加热温度为700-900摄氏度,并且在加热过程中通入Ar气保护,压强为常压。步骤1)中,所述有机保护剂为碳氢类聚合物,搅拌速度为10000-15000转/分钟,以将金属Mg分散成小颗粒并在金属Mg表面形成高分子预保护膜。
所述S2中,将预保护过的金属Mg球导入超临界二氧化碳中,超临界二氧化碳溶解掉高分子保护膜,并在金属Mg表面生长成致密的MgCO3保护膜,具有MgCO3保护膜的金属Mg粉可在空气中稳定放置并且无爆炸风险。
所述S3中,将保护过的金属镁纳米粉材料进行压片,压力控制在55-100MPa。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明通过二氧化碳超临界方法在金属Mg表面形成MgCO3保护膜,有效防止金属Mg粉接触空气爆炸,高分子膜仅作为预保护膜,而传统研究是在Mg粉表面包覆高分子膜以形成保护;本发明通过在Mg粉表面混合石墨烯以提高其导电性能,而传统研究中并无此操作。本发明提供的金属Mg保护技术操作简单,适用范围广,成本低,可有效提高金属Mg粉的空气稳定性,并显著提高其在金属空气电池中的使用效率。
附图说明
图1为本发明的预保护处理过Mg粉的结构示意图;
图2为本发明实施例1提供的保护处理过Mg粉的空气稳定性测试图。
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步地说明。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、
(1)将20g金属Mg加热至700度融化,然后加入1g甘油与0.05g石墨烯混合,高速搅拌10000转/分钟,以形成尺度为600nm的金属Mg球,在此过程中高分子保护剂会在纯金属Mg球表面形成预包覆保护膜;
(2)将预保护过的金属Mg球倒入超临界态二氧化碳中,并再次混入0.05g石墨烯,并进行二次球磨,球磨速度为1000转/分,球磨时间为10小时,然后在二氧化碳保护气氛中迅速释放压力,在Mg球表面可形成超薄的MgCO3保护膜,MgCO3占整个球的比重为2.5%(图1所示);
(3)将经过上述1-2处理的金属Mg粉材料进行压片,压力为100MPa,压成厚度为1毫米,直径2厘米的金属片,用于制备金属空气电池。
将预保护的金属Mg粉与未保护的金属Mg粉同时放置于空气之中,研究发现经过保护处理的金属Mg粉可以保持原形貌,空气在放置24小时后,仍可保持95%以上的Mg含量(图2所示),并且无任何爆炸风险。
对比无包覆处理的金属Mg粉,石墨烯包覆的金属Mg粉在使用过程中的导电性可提升10倍,在相同时间内,Mg的使用效率显著提升。无包覆镁粉的电导率为50 nW·m,而石墨烯包覆镁粉的电导率仅为5 nW·m。将两种同等质量镁粉压制成金属Mg片,应用在金属空气电池中,对外输出相同1000mAh的电量时,纯镁片残余60%的镁,而石墨烯包覆镁还剩余90%的镁,使用效率显著提升。
实施例2、
(1)将100g金属Mg加热至900度融化,然后加入5g沥青与0.2g石墨烯混合,高速搅拌15000转/分钟,以形成尺度为1 μm的金属Mg球,在此过程中高分子保护剂会在纯金属Mg球表面形成预包覆保护膜;
(2)将预保护过的金属Mg球倒入超临界态二氧化碳中,并再次混入0.2g石墨烯,并进行二次球磨,球磨速度为2000转/分,球磨时间为20小时,然后在二氧化碳保护气氛中迅速释放压力,在Mg球表面可形成超薄的MgCO3保护膜,MgCO3占整个球的比重为4%;
(3)将经过上述1-2处理的金属Mg粉材料进行压片,压力为55 MPa,压成厚度为2毫米的金属片,用于制备金属空气电池。
将预保护的金属Mg粉与未保护的金属Mg粉同时放置于空气之中,研究发现经过保护处理的金属Mg粉可以保持原形貌,空气在放置24小时后,仍可保持93%以上的Mg含量,并且无任何爆炸风险。
对比无包覆处理的金属Mg粉,石墨烯包覆的金属Mg粉在使用过程中的导电性可提升8倍,在相同时间内,Mg的使用效率显著提升。无包覆镁粉的电导率为50 nW·m,而石墨烯包覆镁粉的电导率仅为6 nW·m。将同等质量两种镁粉压制成金属Mg片,应用在金属空气电池中,对外输出相同1000mAh电量时,纯镁片残余70%的镁,而石墨烯包覆镁还剩余92%的镁,使用效率显著提升。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和等同形式的替换,这些改进和等同替换得到的技术方案也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于,制备步骤如下:
S1:将金属Mg加热融化,然后加入少量有机保护剂和石墨烯的混合物,高速搅拌以形成纳米Mg球,在此过程中有机保护剂通过聚合在纳米Mg球表面形成高分子膜,石墨烯也包覆于纳米镁球表面,即形成预保护过的金属镁球;
S2:将预保护过的金属镁球倒入超临界态二氧化碳中,并进行二次球磨,然后迅速释放压力,在镁球表面形成MgCO3保护膜,即形成保护过的金属镁纳米粉材料;
S3:将保护过的金属镁纳米粉材料进行压片,制备出需要的金属镁片。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于,所述S1中,将金属Mg加热融化,加热温度为700-900摄氏度,并且在加热过程中通入Ar气保护,压强为常压。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于所述S1中,所述有机保护剂为碳氢类聚合物,搅拌速度为10000-15000转/分钟,以将金属Mg分散成小颗粒并在金属Mg表面形成高分子预保护膜。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于,所述S2中,将预保护过的金属Mg球导入超临界二氧化碳中,超临界二氧化碳溶解掉高分子保护膜,并在金属Mg表面生长成致密的MgCO3保护膜,具有MgCO3保护膜的金属Mg粉可在空气中稳定放置并且无爆炸风险。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法,其特征在于,所述S3中,将保护过的金属镁纳米粉材料进行压片,压力控制在55-100MPa。
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