CN109546083B - 一种石墨烯电池负极板及其制备方法 - Google Patents

一种石墨烯电池负极板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种石墨烯电池负极板，按质量份数计，包括如下组分：石墨烯10‑15份、分散剂20‑30份、粘结剂5‑10份、金属电阻粉末1‑3份、填充剂3‑5份；本发明解决了现有技术中的石墨烯电池在使用过程中容易鼓包破裂甚至爆炸的问题，通过金属电阻粉末的添加，使得电池在温度过高时将电池内部的电流减小，阻止石墨烯负极板温度的继续上升，减慢锂合金正极板中气体产生的速率，以方便气体尽可能多的被石墨烯负极板复合，这样电池中气体含量便会相应降低，有助于锂离子更好的进行穿梭，加快了电池的充电效率，提高了电池在使用过程中的安全性能。

Description

一种石墨烯电池负极板及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种新能源电池，特别涉及一种石墨烯电池负极板及其制备方法。
背景技术
石墨烯是由单碳原子层构成的二维晶体材料，具有优异的电学性能(室温下电子迁移率可达2×105cm2/Vs)和突出的导热性能(5000W/mK)，其导电导热性能完全超过金属，同时还具有良好的耐高温耐腐蚀的优点，因此被人们不断应用于不同的领域中。
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征而研发的一种新能源电池，主要包括锂合金正极板、石墨烯负极板以及连通锂合金正极板和石墨烯负极板的电解质。
然而，石墨烯由于良好的导热性能会使得石墨烯负极板在通电时，电池内部的电流较大，同时电池内的温度上升也较快，加快了锂合金正极板气体的析出，而气体来不及在石墨烯负极板得到复合，因此在电池中不断堆积，使得电池内部的压力不断增加，容易发生鼓包破裂甚至爆炸，存在一定的安全隐患。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种石墨烯电池负极板，其目的在于，通过在石墨烯中添加金属电阻粉末，便于电池安全迅速的进行充电，提高了电池在使用过程中的安全性能。
本发明提供一种石墨烯电池负极板，按质量份数计，包括如下组分：
Figure GDA0003139875670000011
作为本发明进一步的改进，所述分散剂为由多巴胺和氨水的混合物。
作为本发明进一步的改进，所述多巴胺和氨水的质量比为2：1。
作为本发明进一步的改进，所述粘结剂为植物胶、硫酸盐与硫酸盐还原菌菌种液的混合物。
作为本发明进一步的改进，所述硫酸盐还原菌菌种液的质量浓度为10％-12％，所述植物胶、硫酸盐以及硫酸盐还原菌菌种液的质量比为2：3：5。
作为本发明进一步的改进，所述植物胶为田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶、石花胶中的一种或几种的混合物。
作为本发明进一步的改进，所述金属电阻粉末为铂粉、铝粉、铜粉、镍粉中的一种或几种的混合物。
作为本发明进一步的改进，所述填充剂为贝壳粉。
作为本发明进一步的改进，所述贝壳粉由贝壳经含有碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶的酶液处理后研磨成粉而得。
本发明的另一个目的是提供一种石墨烯电池负极板的制备方法，包括如下操作步骤：
S1、按相应质量份数将石墨烯和分散剂充分混合，超声分散后得到石墨烯分散液；
S2、向S1中得到的石墨烯分散液中加入相应质量份数的粘结剂，混合均匀后密封搅拌6-8天，得到搅拌混合液；
S3、向S2中得到的搅拌混合物中依次加入相应质量份数的金属电阻粉末和填充剂，300-450r/min搅拌1h，得到改性石墨烯混合液；
S4、将S3中得到的改性石墨烯混合液离心分离，取离心沉淀物进行压制呈片状，干燥得到石墨烯电池负极板。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明中金属电阻粉末在分散剂和粘结剂的作用下均匀的分散于石墨烯中，对石墨烯电池负极板进行通电，锂离子在电极之间快速穿梭，使得负极板温度不断升高，此时金属电阻粉末的电阻值随着温度的升高而增加，进而使得电池内部的电流减小，阻止石墨烯负极板温度的继续上升，减慢锂合金正极板中气体产生的速率，以方便气体尽可能多的被石墨烯负极板复合，这样电池中气体含量便会相应降低，有助于锂离子更好的进行穿梭，加快了电池的充电效率，提高了电池在使用过程中的安全性能。
2、本发明中多巴胺在碱性条件下自聚形成具有超强附着力的聚多巴胺，聚多巴胺能与石墨烯结合在一起，增加石墨烯的吸附性，使得金属电阻粉末均匀的分散于石墨烯中；此外，多巴胺在水溶液中还具有还原性，从而降低金属电阻粉末被氧化的可能性。
3、本发明在硫酸盐还原菌的作用下，石墨烯能与植物胶复合，增加石墨烯表面的活性基团，从而使得石墨烯更好的与聚多巴胺加以结合，增加分散剂的分散效果；石墨烯在复合时，硫酸盐中的硫元素会被引入石墨烯中，在一定程度上能增加石墨烯的稳定性，提高电池的安全性能；此外，利用微生物粘结具有环保节能的特点，减少电池生产对环境的污染。
4、本发明中使用经过酶液处理的贝壳粉中含有甲壳素，具有一定的抑菌效果，能够有效将多余的硫酸盐还原菌加以杀灭，减少硫酸盐还原菌对石墨烯负极板的侵蚀作用，同时能抑制其他微生物对植物胶的降解，增加了石墨烯负极板的结构稳定性。
具体实施方式
需要说明的是，本发明中使用的组分均采用市售产品，所使用到的加工设备均为本技术人员生产所常用的设备。
其中，分散剂除了多巴胺与氨水混合物之外，还可为其他分散剂；粘接剂除了植物胶、硫酸盐与硫酸盐还原菌菌种液的混合物，还可以为其他粘接剂；金属电阻粉末除了铂粉、铝粉、铜粉、镍粉中的一种或几种的混合物，还可为其他金属粉末；填充剂处理贝壳粉，还可以为其他填充剂。
1、分散剂的制备：
①配制质量分数为38％的氨水备用；
②按2:1的质量比分别称取多巴胺和①中的氨水，将两者置于烧杯中，用恒温数显磁力搅拌器搅拌至多巴胺溶解完全，密封放置一旁待用；
2、粘接剂的制备：
称取4g的植物胶、6g的硫酸盐以及10g质量浓度为10％的硫酸盐还原菌菌种液，将三者置于烧杯中，用恒温数显磁力搅拌器搅拌至三者混合混匀，4℃保存待用；
其中，植物胶在本发明中优选为田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶、石花胶中的一种或几种的混合物，除此之外还可以为其他植物胶；
3、填充剂的制备：
①配置pH为8.0、浓度为0.3mol/L的亚硫酸钠缓冲溶液，用少量曲拉通作为表面活性剂，分别使用碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶等酶的组合酶作催化剂，加酶量为10000U/g，将市售的贝壳浸泡于其中，控制恒温摇床温度为37℃，转速200r/min的条件下水解小时24h；
②取出①中酶处理过的贝壳，沥干表面酶液后，置于处理筒中，加入质量分数为3％的KMnO4溶液，控制固液质量比为1：10，常温下处理30min后，换质量分数为1％的草酸溶液，控制固液质量比为1：20，在70℃水浴中处理15min，以此实现贝壳的脱色；
③用市售的贝壳磨粉机对脱色后的贝壳研磨成粉，过1250目筛网后得到贝壳粉待用。
实施例1
一种石墨烯电池负极板的制备方法，包括如下操作步骤：
S1、称取10g的石墨烯和20g的由多巴胺与氨水配制而成的分散剂，将两者置于烧杯中充分混合，随后再将烧杯放置于超声波混合器中，超声分散3min，得到石墨烯分散液；
S2、向S1中得到的石墨烯分散液中加入5g的由植物胶、硫酸盐和硫酸盐还原菌菌种液配制而成的粘结剂，混合均匀后置于发酵罐中，密封搅拌6-8天，得到搅拌混合液；
S3、向S2中得到的搅拌混合物中依次加入1g的铜粉和3g的贝壳粉，300-450r/min搅拌1h，得到改性石墨烯混合液；
S4、将S3中得到的改性石墨烯混合液置于卧室离心机中进行离心分离，取离心沉淀物进行压制呈片状，干燥得到石墨烯电池负极板。
实施例2-实施例6
实施例2-实施例6均在实施例1的方法基础上，对石墨烯电池负极板的组分以及各组分的质量作出调整，质量单位为g；
实施例1-实施例6的石墨烯电池负极板的组分以及各组分的质量如下表：
组分 石墨烯 分散剂 粘接剂 铂粉 铝粉 铜粉 镍粉 贝壳粉
实施例1 10 20 5 1 / / / 3
实施例2 11 22 6 1 0.5 / / 3.5
实施例3 12 25 7 1 0.5 0.5 / 4
实施例4 13 28 8 / 0.5 1 0.5 4.5
实施例5 14 29 9 / / 1 1.5 4.5
实施例6 15 30 10 0.5 1.5 0.7 0.3 5
对比例1：与实施例1的不同之处在于，对比例1中未添加金属电阻粉末；
对比例2：与实施例1的不同之处在于，对比例2中的分散剂为N-甲基吡咯烷酮；
对比例3：与实施例1的不同之处在于，对比例3中的粘接剂为聚四氟乙烯；
对比例4：与实施例1的不同之处在于，对比例4中未添加贝壳粉。
将实施例1至实施例6以及对比例1至对比例4所制得石墨烯电池负极板按照现有技术中电池的生产工艺制成相应的石墨烯电池，并将该石墨烯电池进行如下性能测试：
1、充电性能：在23℃±2℃的环境温度下，以1ItA充电，当石墨烯电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.02ItA，记录充电时长；
2、放电性能：将石墨烯电池放入55℃±2℃的高温箱中恒温2h，然后以0.2ItA电流放电至终止电压，记录放电时长；
3、过充电保护：石墨烯电池以0.2ItA充电至充电电流小于或等于0.02ItA，电源电压设定为3的标称电压，电流设定为3tA的外接电流，用电源持续给石墨烯电池加载7h；
4、过放电保护：石墨烯电池以0.2ItA放电至终止电压后，外接30Ω负载放电10h；
5、短路保护：石墨烯电池以0.2ItA充电，短路其正负极2h；电流导线电阻80mΩ±20mΩ。
6、抗菌性能：按QB/T 2591-2003中的检测方法进行。
测试结果如下表：
Figure GDA0003139875670000061
参见上表，将对比例1与实施例1至实施例6进行性能比较，可以得出，添加金属电阻粉末能够使所制得的石墨烯电池具有更好的安全性能，能够安全快速的实现充电，并能为电气设备提供较长时间的电源；
将对比例2与实施例1至实施例6进行性能比较，可以得出，以多巴胺和氨水的混合物作为分散剂，能够在一定程度上提高石墨烯电池的充电效率，增加石墨烯电池的安全性能；
将对比例3与实施例1至实施例6进行性能比较，可以得出，以植物胶、硫酸盐、硫酸盐还原菌菌种液的混合物作为粘结剂，能够在一定程度上提高石墨烯电池的充电效率，增加石墨烯电池的安全性能；
将对比例4与实施例1至实施例6进行性能比较，可以得出，贝壳粉的添加能够在一定程度上提高石墨烯电池的充电效率，增加石墨烯电池的安全性能，同时使得石墨烯电池具有良好的抗菌性能，降低微生物对石墨烯电池的侵害，延长其使用时间。
综上，利用本发明所制备的石墨烯电池具有安全、充电迅速、放电时间长、使用时间长的有益效果。
本领域的技术人员在不脱离权利要求书确定的本发明的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (8)

1.一种石墨烯电池负极板，其特征在于，按质量份数计，包括如下组分：
Figure FDA0003139875660000011
所述金属电阻粉末为铂粉、铝粉、铜粉、镍粉中的一种或几种的混合物；
所述填充剂为贝壳粉。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述分散剂为多巴胺和氨水的混合物。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述多巴胺和氨水的质量比为2：1。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述粘接剂为植物胶、硫酸盐与硫酸盐还原菌菌种液的混合物。
5.根据权利要求4所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述硫酸盐还原菌菌种液的质量浓度为10％-12％，所述植物胶、硫酸盐以及硫酸盐还原菌菌种液的质量比为2：3：5。
6.根据权利要求4所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述植物胶为田菁胶、瓜尔胶、胡麻胶、香豆胶、石花胶中的一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯电池负极板，其特征在于，所述贝壳粉由贝壳经含有碱性蛋白酶、木瓜蛋白酶和胰蛋白酶的酶液处理后研磨成粉而得。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯电池负极板的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
S1、按相应质量份数将石墨烯和分散剂充分混合，超声分散后得到石墨烯分散液；
S2、向S1中得到的石墨烯分散液中加入相应质量份数的粘接剂，混合均匀后密封搅拌6-8天，得到搅拌混合液；
S3、向S2中的搅拌混合液中依次加入相应质量份数的金属电阻粉末和填充剂，300-450r/min搅拌1h，得到改性石墨烯混合液；
S4、将S3中得到的改性石墨烯混合液离心分离，取离心沉淀物进行压制呈片状，干燥得到石墨烯电池负极板。
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