CN113224337A - 一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应急救援移动电源技术领域，具体涉及一种石墨烯/氯化亚铜‑镁泛水电池及其制备方法，采用石墨烯/氯化亚铜做阴极，加惰镁合金+单质镁做阳极，以水为电解剂，石墨烯/氯化亚铜阴极释放的氯离子为电解质，生成电解液，作为石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间离子电荷流动的介质，通过加惰镁合金+单质镁阳极失电子并发生氧化反应的特性和石墨烯/氯化亚铜阴极得电子并发生催化还原反应生成电流，满足在淡水中的反应条件，石墨烯突出的电化学性能，能有效加剧反应活性物的催化还原反应效率，加速载流子的迁移速率，促使反应效率倍增，高效率的生成电能。
Description
技术领域：
本发明属于应急救援移动电源技术领域，具体涉及一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法，能够为江河湖海全水域的救援装备提供移动电源。
背景技术：
水上应急救援装备移动电源，是支持水上应急救援装备智能化和信息化的基础性和关键性设备，直接影响救援装备的适用性、时效性和有效性，随着水上交通运输业和空中航线的高速拓展，跨大洋航线遍布全球，横跨欧亚拉美，纵至南北两极，海洋科研、海上工程、水下资源开发生产活动不断扩展延伸，已从近海走向大洋，从近岸延伸至江河水系，船舶、水上作业平台、水工作业活动已经涉足到江河湖海广阔水域，船舶海难、水工事故及空难事故在任何水域都有可能发生，因此，对水上应急救援装备的适用水域提出了新的要求，仅能适应海上或内陆水域使用的水上救援装备，已经不能满足日益拓展的水上救援任务需求；特别是随着全球网络化应急救援体系的完善，对水上应急救援装备的智能化、信息化建设提出了具体要求；由国际海事组织﹙IMO﹚主导建立的《全球海上遇险和安全系统》GMDSS、以卫星通信为主的INMARSAT(海事卫星通信系统)、COS-PAS/SARSAT(极轨道卫星搜救系统)和内河、地面无线电通信系统构成的全球海上应急救援网络已建成，并向全球提供用户服务，在海上、江河和湖泊航行作业的船舶、水上作业平台及飞机发生空难时，均可得到快捷的水上应急救援服务，水上应急救援装备智能化和信息化水平在长足发展的同时，凸显了一些技术瓶颈，特别是支持水上应急救援装备的移动电源，与智能化、信息化救援装备技术需求还存在较大差距，严重的掣肘着水上应急救援装备智能化和信息化的建设发展，直接影响到水上应急救援装备在应急救援使用中的适用性、时效性和有效性，船舶、飞机及水上作业平台必备的水上救生装备和求救装备，对水域的适用性，应急使用的有效性，还存在较大差距，基于全球海上应急救援网络系统的求救装备，受制于移动电源适用水域局限和功能技术缺陷，严重影响应急使用的时效性和有效性，诸如，基于《全球海上遇险和安全系统》GMDSS的EPIRB示位标，基于《水上遇险与安全系统》CWDSS的北斗RDSS信标，能发出电信号显示的寻位标，光显位置的示位灯等，以及船载配有相应应急通信和位置显示装备的救生筏、救生艇等水上应急救援装备电源，均使用锂电池或海水电池供电，在使用中逐步发现一些不能容忍的缺陷，锂电池长时间存放易发生电化学性能衰变，致使可靠性差，时有电量不足且无法复充的现象发生，特别是耐候性差，高温环境易变形甚至壳体开裂，低温环境反应性急剧下降，达不到额定放电功率，无法使用；日常维护保养繁琐，附加工作量大，每3个月须充放电保养一次，有些密封装备在寿命周期内无法保养，留下隐患；最突出的问题是安全隐患大，大功率锂电池时有腐蚀性物质溢出，析出易燃易爆酸性气体，轻则损毁设备，严重时会发生爆炸，大功率锂电池已经被很多国家列入危险品管理，成为船载、飞机救生装备尽可能排斥使用锂电池的原因之一。海水电池的技术缺陷主要包括适用水域受限、比能量低，体量大、激活慢，初始低电压时段过长：海水电池仅适用海洋场景,且对水质要求苛刻，必须在满足氯离子Cl-≥3.5％，水溶解氧DO≥5PPm的海水中才能有效反应输出额定功率电能，在江河淡水水域及江河入海交汇的贫氯或贫氧水域，就会失去工作条件，不能输出额定功率电能，严重限制了载体救生装备的使用场景，也有悖国际海事SOLAS公约和IMO规范对救生装备适应水域的要求；海水电池比能量只有100-150Wh/Kg左右，支持发射功率5-15W的示位标或信标的海水电池的重量可达到2-3kg，支持功率35W的空投救生筏展开伺服器的海水电池的重量要达到4-5kg，一只标准限重≯150g、光亮强度0.75cd的海水电池示位灯，有效工作时长只能达到8h左右；海水电池激活时间要60-120s左右,初始在额定电压70-85％的时段50-70min后才能达到额定电压，作为信标或示位标电源时，在发生海难时就要推迟50-70min才能发出载体求救信息，严重贻误救援时机；另外，海水电池进水孔平时采用堵塞封闭，在使用时必须手动拔出堵塞，以使海水进入电极腔激活电池，但是，在海难事故发生时极易在慌乱中遗忘或来不及拔出堵塞，导致无可挽回的恶果，如果堵塞能自动开启，将产生事半功倍的效果。因此，寻求设计一种高效率，使用便捷，适应江河湖海水域使用的泛水电池，以支持水上应急救援装备智能化和信息化建设。所谓“泛水电池”，是基于对电池适用性和功能性的定位，“泛水”，是指广泛的水，是满足电池反应(工作)条件的介质，包括海水和淡水，乃至雨水、沼泽水、地下水、雪溶水、自来水、纯净水等；泛水电池追求适用性广、比能量高、达到额定功率快、供电时间长、安全环保和使用便捷可靠的技术指标；泛水电池的技术定位，着眼广义应急装备需求，诸如，用于矿井透水事故监控报警、应急排水照明，作为救生艇、筏，水下机器人、潜航器等的动力电源，也能作为户外活动应急电源使用，务求电池的功能性和实用性。
石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形、呈蜂巢晶格状的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其比表面积可达到2630m2/g，其厚度只有0.335nm。石墨烯是已知电化学性能最突出的二维材料，电子迁移率为200000cm2/﹙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，可达到光速的1/300，是铜的1.7×106倍，电子迁移率基本不受温度影响；研究表明，石墨烯可以吸附和脱附各种原子、分子及离子，并具有良好的催化性，如二氧化氮NO2、氨气NH3、钾离子K+等吸附物作为给体或受体会导致载流子浓度增值；还具有重量轻、机械强度大、相容性好、结构稳定等特点。石墨烯突出的电化学性能，是用于泛水电池阴极的最好材料。
镁是一种极活泼的轻质碱土金属材料，电极电位为-0.24V，呈较负性，理论能量密度可达到800Wh/kg，具有在溶液中易失电子和氧化反应特性，采用单质镁做阳极材料,具有极高的反应性，突出的缺点是自腐速率太快，导致能量流失大、供电时长短；加惰镁合金材料是镁/铝/锌复合的一种合金材料，保持了镁的基本电化学特性，有效的减缓了自腐速率，是海水电池普遍采用的阳极材料，能有效增加电池供电时长，缺点是：电池激活慢，初始低电压时段过长，这是水上应急救援装备电源不能容忍的缺陷。
中国专利201710191975.0公开的一种石墨烯-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；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；其利用石墨烯突出的电学功能特性，采用石墨烯复合材料做电池阴极，以镁合金材料做阳极，以海水做电解质，制造石墨烯—镁海水电池，极大的提高了海水电池的综合性能，较一般电池，在输出功率和供电时间一定的条件下，电池体积大幅度缩小，重量大幅度减轻，供电时长大幅度增加。中国专利202010185413.7公开的一种海水电池用石墨烯空穴阴极制备方法，基于石墨烯/氯化亚铜共混技术制备用以制作海水电池用阴极材料，对海水溶解氧具有更突出的还原催化效果，能够在海水溶液中获得充足的溶解氧，空穴大幅度提高了阴极有效反应面积，具有倍增的溶解氧还原催化效率，具有结构简单、体积小、重量轻、还原催化效率高的优势，在海水电池实际应用中，通过检测，一块石墨烯空穴阴极，能够支持两块与其体积(表面积)相同的加惰AZ31镁合金阳极，输出电流、电压的稳定性明显提高，实现了海水电池最佳的还原催化效率比和电化反应效率比，大幅度提高了海水电池的比容量，使海水电池体积大幅度缩小，重量大幅度降低。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种比能量高、达到额定功率快、供电时间长、安全性好、使用便捷可靠、安全环保和储能时间长的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池及其制备方法，以适用江河湖海全水域使用的水上应急救援装备移动电源。
为了实现上述目的，本发明涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池的主体结构包括石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极；石墨烯/氯化亚铜阴极的两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极。
本发明涉及的壳体的顶部设置有顶盖板，壳体的底部设置有底盖板，底盖板开设有进水孔，壳体的内部由上盖板分割成上部的导线腔和下部的电极腔，电极腔的中心设置有石墨烯/氯化亚铜阴极，石墨烯/氯化亚铜阴极的左右两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极，石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有透水隔膜，透水隔膜的位置与进水孔的位置相对应，壳体和底盖板与石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有固定用的支撑脚，上盖板开设有接线柱孔，导线腔的侧部开设有导线孔，电极腔的顶部开设有排气孔，阴极导线与石墨烯/氯化亚铜阴极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部，阳极导线与加惰镁合金+单质镁阳极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部。
本发明涉及的石墨烯/氯化亚铜阴极的主体结构包括阴极反应体、电极芯和阴极接线柱；阴极反应体的内部中心设置有电极芯，电极芯延伸至阴极反应体外部的部分为阴极接线柱。
本发明涉及的加惰镁合金+单质镁阳极的主体结构包括镁合金本体、阳极接线柱、单质镁镀层、水溶胶层、阳极反应体；镁合金本体的顶部设置有阳极接线柱，镁合金本体的外侧设置有单质镁镀层，单质镁镀层的外侧设置有水溶胶层，镁合金本体和单质镁镀层共同配合构成阳极反应体。
本发明涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池多个串联连接时，能够达到设定的电压，多个并联时，能够达到设定的电流，得到设定输出功率的泛水电池；增加石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极的反应面积(体积、重量)，得到连续工作几十小时、几十天，乃至几个月的泛水电池；泛水电池能够在包括淡水和海水的任意水体中激活供电，激活速度为3-5s，比能量为375Wh/Kg，4-6min能够达到额定输出功率，具有极高的反应效率比，在输出功率和供电时长一定时，较现有技术中的海水电池，供电品质和稳定性大幅度提高，体积和重量缩小2/3，供电时长提高3倍以上。
本发明涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池的反应机理如下：
本发明与现有技术相比，采用石墨烯/氯化亚铜做阴极，加惰镁合金+单质镁做阳极，以水为电解剂，石墨烯/氯化亚铜阴极释放的氯离子为电解质，生成电解液，作为石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间离子电荷流动的介质，通过加惰镁合金+单质镁阳极失电子并发生氧化反应的特性和石墨烯/氯化亚铜阴极得电子并发生催化还原反应生成电流，满足在淡水中的反应条件，石墨烯突出的电化学性能，能有效加剧反应活性物的催化还原反应效率，加速载流子的迁移速率，高效率的导出电子生成电流，在催化还原反应过程中，高速的电子迁移率拉动还原反应性始终处于非饱和(非稳定)的高效反应态，促使反应效率倍增，高效率的生成电能；其通过合理的电极材料配伍优化电池反应性，产生叠加的电能生成效率，特别是在阴极结构中复合了石墨烯，使得石墨烯/氯化亚铜阴极达到+3.7V较正的电极电位，与加惰镁合金+单质镁阳极-0.24V较负的电极电位形成了较大的电位差，有效加快了阳极与阴极之间离子电荷的流动速度和电子迁移速度。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明涉及的石墨烯/氯化亚铜阴极的主体结构原理示意图。
图3为本发明涉及的加惰镁合金+单质镁阳极的主体结构原理示意图。
图4为本发明涉及的加惰镁合金+单质镁阳极的主体结构剖视图。
图5为本发明涉及的加惰镁合金+单质镁泛水电池与纯AZ31镁合金泛水电池的反应性对比示意图。
图6为本发明涉及的泛水电池示位灯与海水电池示位灯的中间电压和供电时长对比示意图。
具体实施方式
下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。
实施例1：
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池的主体结构包括壳体1、顶盖板2、底盖板3、进水孔4、上盖板5、导线腔6、电极腔7、石墨烯/氯化亚铜阴极8、加惰镁合金+单质镁阳极9、透水隔膜10、支撑脚11、接线柱孔12、导线孔13、排气孔14、阴极导线15和阳极导线16；壳体1的顶部设置有顶盖板2，壳体1的底部设置有底盖板3，底盖板3开设有进水孔4，壳体1的内部由上盖板5分割成上部的导线腔6和下部的电极腔7，电极腔7的中心设置有石墨烯/氯化亚铜阴极8，石墨烯/氯化亚铜阴极8的左右两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极9，石墨烯/氯化亚铜阴极8与加惰镁合金+单质镁阳极9之间设置有透水隔膜10，壳体1和底盖板3与石墨烯/氯化亚铜阴极8和加惰镁合金+单质镁阳极9之间设置有固定用的支撑脚11，上盖板5开设有接线柱孔12，导线腔6的侧部开设有导线孔13，电极腔7的顶部开设有排气孔14，阴极导线15与石墨烯/氯化亚铜阴极8连接后穿过导线孔13延伸至壳体1的外部，阳极导线16与加惰镁合金+单质镁阳极9连接后穿过导线孔13延伸至壳体1的外部；进水孔4的位置与透水隔膜10的位置相对应。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜阴极8的主体结构包括阴极反应体81、电极芯82和阴极接线柱83；阴极反应体81的内部中心设置有电极芯82，电极芯82延伸至阴极反应体81外部的部分为阴极接线柱83。
本实施例涉及的加惰镁合金+单质镁阳极9的主体结构包括镁合金本体91、阳极接线柱92、单质镁镀层93、水溶胶层94、阳极反应体95；镁合金本体91的顶部设置有阳极接线柱92，镁合金本体91的外侧设置有单质镁镀层93，单质镁镀层93的外侧设置有水溶胶层94，镁合金本体91和单质镁镀层93共同配合构成阳极反应体95。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池组装时：将石墨烯/氯化亚铜阴极8装入电极腔7的中心位置，在石墨烯/氯化亚铜阴极8的左右两侧分别安装透水隔膜10，在透水隔膜10外侧分别安装加惰镁合金+单质镁阳极9；通过锡焊将阴极导线15与石墨烯/氯化亚铜阴极8连接，阴极导线15经导线腔6引出壳体1作为输出正极(+)；通过锡焊将阳极导线16与并联的两个加惰镁合金+单质镁阳极9连接，阳极导线16经导线腔6引出壳体1作为输出负极(－)；采用凝胶封闭阴极导线15和阳极导线16穿越导线孔13的间隙，保证水密；胶合封闭顶盖板2、底盖板3和上盖板5，采用水溶胶膜封闭进水孔4和排气孔14，避免石墨烯/氯化亚铜阴极8和加惰镁合金+单质镁阳极9氧化。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池浸入水中后，进水孔4和排气孔14的水溶胶膜1min内自动脱落，水通过进水孔4进入电极腔7，电极腔7内的空气通过排气孔14排出，水进入电极腔7后3-5s，泛水电池被激活；加惰镁合金+单质镁阳极9外层的单质镁最先参与反应，极活泼的单质镁加大了阳极初始失电子量和氧化反应速率，缩短了初始低电压时段，泛水电池激活4-6min后，电压达到峰值，60-70min后，加惰镁合金参与后续反应，保证供电时长。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池能够有效克服现有水上应急救援装备移动电源的缺陷，具有适用性广、比能量高、激活快、达到额定功率快、供电时间长、使用便捷可靠、安全环保和储能时间长的技术优势，长期存放无有害气体析出，无腐蚀性物质溢出，无起火爆炸的隐患，储能时间为5年，期间无须保养，能够满足应急救援装备常备不用、用则有效的要求；制备技术成熟，工艺可达，具有很强的适用性和技术推广性，能够广泛的用于矿井透水事故监控报警、应急排水照明，作为救生艇(筏)、水下机器人、水下监控器和潜航器的动力电源及户外活动应急电源。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池对电能生成反应因子条件要求宽松，对所处水体中含氯离子和溶解氧没有苛求，能在贫氯和贫氧的淡水或海水水体中，靠极间反应生成电能，在淡水水体中，靠石墨烯/氯化亚铜阴极8反应释放的氯离子生成的电解液；泛水电池在淡水中激活后，将进水孔4和排气孔14完全封闭，仍然能够保证输出额定的电压和电流，提供额定的供电时长，具有更大的使用扩展性，不仅能作为淡水和海水水域水上应急救援装备移动电源，也能作为陆地户外活动应急电源使用。
本实施例涉及的壳体1的材质为阻燃、介电、耐酸、耐油和耐候性好以及强度高的PPE(聚丙乙烯)；顶盖板2、底盖板3和上盖板5为便于组装的工艺盖；透水隔膜10为絮状纤维制成的柔性体，具有良好的透水性和含水性，用以支撑石墨烯/氯化亚铜阴极8与加惰镁合金+单质镁阳极9之间的间距，并作为保证电解液稳定的载体。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜阴极8的电位为+3.7V，具有释放氯离子、催化还原和导出电子的多重功能，阴极接线柱83的材质为紫铜，是石墨烯/氯化亚铜阴极8的集流体，其延长段伸入阴极反应体81的中心部位构成电极芯82，通过电极芯82增加与阴极反应体81的接触面积，有效提高载流子的迁移效率。
本实施例涉及的石墨烯/氯化亚铜阴极8的装备方法如下：将电导率＞1×10－2S/m、粒度为0.35nm-10um、单层率＞40％、pH值为6.5-7.0和固含量为3％的水剂石墨烯导电浆料，纯度≥98％、粉末粒度为60-70um和pH值为6.5-7.0的氯化亚铜粉末以及pH值为6.5-7.0的偶联剂按照重量比100:96.5:0.5混合后置于反应釜内以5000r/min的转速，在常温下搅拌15min，得到石墨烯/氯化亚铜膏状共混物；将石墨烯/氯化亚铜膏状共混物装入模具,形成阴极反应体81，在阴极反应体81的中心位置植入电极芯82，电极芯82伸出阴极反应体81的延长部分作为阴极接线柱83，得到石墨烯/氯化亚铜阴极雏形；将石墨烯/氯化亚铜阴极雏形置于压力机上并施加3kg/cm2的压力使其成型，自然晾干去除水分。
本实施例涉及的加惰镁合金+单质镁阳极9的电位为-2.4V，是失电子的氧化反应体，阳极接线柱92的材质为紫铜，是加惰镁合金+单质镁阳极9的集流体。
本实施例涉及的加惰镁合金+单质镁阳极9选用加惰AZ31镁合金做阳极本体，能够满足激活快、缩短初始低电压时段和供电时长的要求，采用真空磁控溅射镀膜技术在阳极本体表面溅射喷镀一层单质镁，制成镁合金+单质镁阳极，利用单质镁极活泼的特性，在初始反应阶段释放足够量的电子并加速氧化反应，增强初始反应性，达到激活快，缩短初始低电压时段的目的；为防止单质镁与空气进行氧化反应，在其表面涂布一层水溶胶，水溶胶浸入水中后瞬时溶解溶入水中，不影响阳极反应性。
本实施例涉及的加惰镁合金+单质镁阳极9的制备方法如下：按照设计功率和供电时长选择尺寸，将AZ31加惰镁合金型材切割制成镁合金本体91，在镁合金本体91的上端中部铆焊阳极接线柱92，采用真空磁控溅射镀膜技术，在镁合金本体91的外层表面溅射喷镀一层厚度为0.2mm、纯度≥98％的单质镁镀层93，得到阳极反应体95，为防止单质镁与空气进行氧化反应，在单质镁镀层93的表面涂布一层厚度为0.05mm的水溶胶层94，得到加惰镁合金+单质镁阳极9。
实施例2：
本实施例涉及石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池的反应性测试，将相同尺寸的加惰镁合金+单质镁阳极8和纯AZ31镁合金阳极分别与相同的石墨烯/氯化亚铜阴极8匹配制成加惰镁合金+单质镁阳极泛水电池和纯AZ31镁合金阳极泛水电池，在同一水质的淡水中，同时激活两块泛水电池，进行比较试验，试验结果如附图5所示：加惰镁合金+单质镁泛水电池的0-60min为单质镁反应段，激活4-6min后，电压突升到1.6V左右，60min后进入AZ31镁合金反应段，电压降到1.5V左右，而后保持1.5V电压进入平稳反应状态；纯AZ31镁合金阳极泛水电池在0-20min时段内电压只升到0.9V左右，到70min左右电压才升到1.5V，而后进入平稳反应状态；由此可见：加惰镁合金+单质镁泛水电池具有突出的初始反应性，能够有效克服AZ31镁合金泛水电池初始反应性差，导致初始低电压时段长的缺陷。
实施例3：
本实施例涉及石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池的中间电压和供电时长测试，将石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池和海水电池分别制成体积和光亮强度相同的泛水电池示位灯和海水电池示位灯，将海水电池示位灯放入海水中，将泛水电池示位灯放入淡水中，进行测试，测试结构如附图6所示，海水电池示位灯70s时激活，中间电压为3.4V,有效供电时长为8.3h；泛水电池示位灯3s时激活，中间电压为3.7V,有效供电时长为26h；期间，泛水电池示位灯由于中间电压高，光亮强度较海水电池示位灯明显增强，泛水电池示位灯电池的有效供电时长是海水电池示位灯电池的有效供电时长的3.6倍；由此可见：泛水电池较海水电池的反应效率大幅度提高，激活快。
Claims (10)
1.一种石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，主体结构包括石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极；石墨烯/氯化亚铜阴极的两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极。
2.根据权利要求1所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，石墨烯/氯化亚铜阴极的主体结构包括阴极反应体、电极芯和阴极接线柱；阴极反应体的内部中心设置有电极芯，电极芯延伸至阴极反应体外部的部分为阴极接线柱；石墨烯/氯化亚铜阴极的电位为+3.7V，具有释放氯离子、催化还原和导出电子的功能，阴极接线柱的材质为紫铜，是石墨烯/氯化亚铜阴极的集流体，其延长段伸入阴极反应体的中心部位构成电极芯，通过电极芯增加与阴极反应体的接触面积，有效提高载流子的迁移效率；石墨烯/氯化亚铜阴极的装备方法如下：将水剂石墨烯导电浆料，氯化亚铜粉末和偶联剂按照重量比100:96.5:0.5混合后置于反应釜内在常温下搅拌，得到石墨烯/氯化亚铜膏状共混物；将石墨烯/氯化亚铜膏状共混物装入模具,形成阴极反应体，在阴极反应体的中心位置植入电极芯，电极芯伸出阴极反应体的延长部分作为阴极接线柱，得到石墨烯/氯化亚铜阴极雏形；将石墨烯/氯化亚铜阴极雏形置于压力机上施加压力使其成型，自然晾干去除水分。
3.根据权利要求1所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，加惰镁合金+单质镁阳极的主体结构包括镁合金本体、阳极接线柱、单质镁镀层、水溶胶层、阳极反应体；镁合金本体的顶部设置有阳极接线柱，镁合金本体的外侧设置有单质镁镀层，单质镁镀层的外侧设置有水溶胶层，镁合金本体和单质镁镀层共同配合构成阳极反应体；加惰镁合金+单质镁阳极的电位为-2.4V，是失电子的氧化反应体，阳极接线柱的材质为紫铜，是加惰镁合金+单质镁阳极的集流体；加惰镁合金+单质镁阳极的制备方法如下：按照设计功率和供电时长选择尺寸，将AZ31加惰镁合金型材切割制成镁合金本体，在镁合金本体的上端中部铆焊阳极接线柱，采用真空磁控溅射镀膜技术，在镁合金本体的外层表面溅射喷镀单质镁镀层，得到阳极反应体，在单质镁镀层的表面涂布水溶胶层。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，主体结构还包括壳体、顶盖板、底盖板、进水孔、上盖板、导线腔、电极腔、透水隔膜、支撑脚、接线柱孔、导线孔、排气孔、阴极导线和阳极导线；壳体的顶部设置有顶盖板，壳体的底部设置有底盖板，底盖板开设有进水孔，壳体的内部由上盖板分割成上部的导线腔和下部的电极腔，电极腔的中心设置有石墨烯/氯化亚铜阴极，石墨烯/氯化亚铜阴极的左右两侧均设置有加惰镁合金+单质镁阳极，石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有透水隔膜，透水隔膜的位置与进水孔的位置相对应，壳体和底盖板与石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极之间设置有固定用的支撑脚，上盖板开设有接线柱孔，导线腔的侧部开设有导线孔，电极腔的顶部开设有排气孔，阴极导线与石墨烯/氯化亚铜阴极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部，阳极导线与加惰镁合金+单质镁阳极连接后穿过导线孔延伸至壳体的外部。
5.根据权利要求4所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，壳体的材质为聚丙乙烯；顶盖板、底盖板和上盖板为工艺盖；透水隔膜为絮状纤维制成的柔性体，用以支撑石墨烯/氯化亚铜阴极与加惰镁合金+单质镁阳极之间的间距，并作为保证电解液稳定的载体。
6.根据权利要求4所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，组装时：将石墨烯/氯化亚铜阴极装入电极腔的中心位置，在石墨烯/氯化亚铜阴极的左右两侧分别安装透水隔膜，在透水隔膜外侧分别安装加惰镁合金+单质镁阳极；通过锡焊将阴极导线与石墨烯/氯化亚铜阴极连接，阴极导线经导线腔引出壳体作为输出正极；通过锡焊将阳极导线与并联的两个加惰镁合金+单质镁阳极连接，阳极导线经导线腔引出壳体作为输出负极；采用凝胶封闭阴极导线和阳极导线穿越导线孔的间隙；胶合封闭顶盖板、底盖板和上盖板，采用水溶胶膜封闭进水孔和排气孔。
7.根据权利要求4任一项所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，浸入水中后，进水孔和排气孔的水溶胶膜1min内自动脱落，水通过进水孔进入电极腔，电极腔内的空气通过排气孔排出，水进入电极腔后3-5s，泛水电池被激活；加惰镁合金+单质镁阳极外层的单质镁最先参与反应，极活泼的单质镁加大了阳极初始失电子量和氧化反应速率，泛水电池激活4-6min后，电压达到峰值，60-70min后，加惰镁合金参与后续反应，。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，反应机理如下：
水充满电极腔后，石墨烯/氯化亚铜阴极释放氯离子溶入水中，生成氯离子含量≥3.5％的电解液；氯离子与石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极发生氧化反应，加惰镁合金+单质镁阳极失电子生成镁离子电荷，镁离子电荷经电解液转移到石墨烯/氯化亚铜阴极；石墨烯/氯化亚铜阴极的氯化亚铜得到镁离子电荷后与包括镁离子电荷、溶解氧在内的反应活性物发生催化还原反应生成电子，电子经石墨烯/氯化亚铜阴极集流体导出产生电流；在此期间，石墨烯加剧反应活性物催化还原反应并导出电子，促使泛水电池的反应性倍增，生成倍增的电能。
9.根据权利要求8所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，多个串联连接时，能够达到设定的电压，多个并联时，能够达到设定的电流，得到设定输出功率的泛水电池；增加石墨烯/氯化亚铜阴极和加惰镁合金+单质镁阳极的反应面积，得到连续工作几十小时、几十天，乃至几个月的泛水电池；泛水电池能够在包括淡水和海水的任意水体中激活供电，激活速度为3-5s，比能量为375Wh/Kg，4-6min能够达到额定输出功率，在输出功率和供电时长一定时，较现有技术中的海水电池，体积和重量缩小2/3，供电时长提高3倍以上。
10.根据权利要求8所述的石墨烯/氯化亚铜-镁泛水电池，其特征在于，储能时间为5年，期间无须保养，能在贫氯和贫氧的淡水或海水水体中，靠极间反应生成电能，在淡水水体中，靠石墨烯/氯化亚铜阴极反应释放的氯离子生成的电解液；能够作为淡水和海水水域水上应急救援装备移动电源，也能作为陆地户外活动应急电源使用，用于矿井透水事故监控报警、应急排水照明，作为救生艇(筏)、水下机器人、水下监控器和潜航器的动力电源及户外活动应急电源。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Denomination of invention: A graphene/cuprous chloride magnesium flooded battery and its preparation method Granted publication date: 20220719 Pledgee: Huagao Holding Group Co.,Ltd. Pledgor: QINGDAO HUAGAO GRAPHENE TECHNOLOGY Corp.,Ltd. Registration number: Y2024980039404 |