CN113519079A - 基于石墨烯的一次化学电流源 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电气工程领域。一次化学电流源是金属氧化碳电化学系统中基于石墨烯的一类新的能量饱和的不可充电化学电流源，其中基于石墨烯类材料的纳米结构材料用作电流形成组件阴极，由于各种含氧官能团的存在，能够与阳极活性材料的离子(例如，锂、钠、镁、钙、钾)形成不可逆的化合物，因此具有增加的放电容量电流形成过程(放电)。技术成果是提高一次化学电源的耗电量特性。
Description
技术领域
本发明属于电气工程领域，并产生了一类新的基于石墨烯的能量饱和一次(不可充电)化学电流源(CPS)。
现有技术
从现有技术中已知多种一次化学电源(见表1)，(化学电流来源：参考书/由N.V.Korovin和A.M.Skundin编辑-莫斯科：MEI出版社，2003年，第138页)其主要缺点是单位能耗不超过650Wh/kg，这缩小了此类型电源的适用范围。
所申请发明的最接近的类似物是包含含碳阴极材料的一次化学电流源-具有通式(CF)n的多单氟代烃(I.A.Kedrinskii等合著者锂电流源。莫斯科，1992年，第143页)。
此类锂-碳氟化合物(CF)n系统的一次化学电流源的缺点是其放电能量容量低，不超过400Wh/kg。
发明摘要
一次化学电流源是金属氧化碳电化学系统中基于石墨烯的一类新的能量饱和的不可充电化学电流源，其中基于石墨烯类材料的纳米结构材料用作电流形成组件阴极，由于各种含氧官能团的存在，能够与阳极活性材料的离子(例如，锂、钠、镁、钙、钾)形成不可逆的化合物，因此具有增加的放电容量电流形成过程(放电)。
技术任务
本发明的目的是创造一种具有高比耗电量特性的一次化学电流源。本发明的技术成果是提高一次化学电源的耗电量特性。
任务解决
指定的技术成果是通过所提出的一次化学电流源是金属氧化碳电化学系统中基于石墨烯的一类新的能量饱和的不可充电化学电流源来实现的，其中基于石墨烯的纳米结构材料-由于各种含氧官能团的存在，能够在电流形成过程中与阳极活性材料的离子(例如，锂、钠、镁、钙、钾)形成不可逆化合物，因此具有增加的放电容量的材料过程(放电)。
指定的技术成果是通过以下方式实现的：基于石墨烯的一次化学电源由外壳组成，外壳中安装有至少一个阳极、至少一个阴极、至少一个电解质、集电器和隔板，其中，根据根据本发明，基于石墨烯类材料的纳米结构材料用作阴极的电流形成部件。
作为石墨烯类材料可以使用：石墨烯、氧化石墨、还原氧化石墨、氟化石墨烯、还原氟化石墨烯、氯化石墨烯、还原氯化石墨烯、溴化石墨烯、还原溴化石墨烯、硝酸石墨烯、还原硝酸石墨烯、硫酸石墨烯、还原石墨烯硫酸石墨烯，所列化合物的混合物。
基于上述一种或多种化合物与碳纳米管的复合物可用作类石墨烯材料；与碳纳米管的氧化产物；含石墨；与石墨氧化产物；带有碳量子点；与碳量子点的氧化产物；有烟灰；含烟灰氧化产物；用活性炭；与活性炭的氧化产物。
基于一种或多种上述化合物与能够与阳极活性材料的离子形成不可逆化合物的金属微粒和纳米颗粒的复合物可用作类石墨烯材料。
纳米结构材料可以以下形式使用：粒径为0.05至300微米的粉末；孔隙率为15％至99.1％的凝胶和气凝胶，或其混合物；厚度为0.01至500微米的薄膜；长度为0.05至50微米，直径为0.01至5微米的纤维；直径为0.02至200微米，球体壁厚为0.002至0.04微米的空心球，或其混合物。
图纸简述
图1显示：a)石墨烯球体的光学数码显微照片；b)石墨烯球体的扫描电子显微镜显微照片。
图2显示：a)还原氧化石墨烯膜的外观；b)还原氧化石墨烯薄膜切割的扫描电子显微照片。
图3显示还原氧化石墨烯薄片表面上锡纳米颗粒的扫描电子显微照片。
图4显示石墨烯气凝胶微粒的扫描电子显微镜显微照片。
进行方案描述
下列的典型例子证明了本发明的实际可行性。
例1
基于质量％比为2∶1的氧化石墨烯粉末(粒径为15至30μm)和烟尘(粒径为25至50μm)的高度分散的复合材料用作电流形成将一次化学电流源的阴极组分与表面活性剂(十二烷基硫酸钠，0.5g/1g混合物)和水(2ml)混合，并使用超声波装置进行分散。将所得的阴极电流形成组分与粘合剂-羧甲基纤维素钠盐(占电流形成组分重量的5％)混合，然后将所得糊剂涂覆在厚度为100～300μm厚的铝箔，并进行干燥和轧制，厚度为60至180μm。接下来，进行尺寸为2,5×1,5cm电极的切割。以此类方式获得的阴极包含在一次化学电源的标准组件中，其中使用1M LiPF6在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(1∶1)中的溶液作为电解质，金属锂作为阳极，分离器为聚丙烯薄膜，孔隙率为30％，厚度为15微米，主体由层压铝制成。当在3.5至1.5V的工作电压范围内以0.02至0.2mA放电时，该元件显示出6-14mAh的容量，换算为化学电源装置阴极的电流形成成分的质量，容量为400至5500mAh/g。
例2
直径为10~100微米、壁厚为0.005~0.02微米的空心石墨烯球粉末(见图1)用作一次化学电源阴极的电流形成组件。为了制造化学电源装置阴极，将空心石墨烯球体与预先溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮-聚偏二氟乙烯(占电流形成组分质量的5％)中的粘合剂混合，然后将所得糊剂涂覆在厚度为100～300μm厚的铝箔，并进行干燥和轧制，厚度为60至180μm。接下来，进行尺寸为2,5×1,5cm电极的切割。以此类方式获得的阴极包含在一次化学电源的标准组件中，其中使用1M LiPF6在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(1∶1)中的溶液作为电解质，金属锂作为阳极，分离器为聚丙烯薄膜，孔隙率为30％，厚度为15微米，主体由层压铝制成。当在3.5至1.5V的工作电压范围内以0.02至0.2mA放电时，该元件显示出6-14mAh的容量，换算为化学电源装置阴极的电流形成成分的质量，容量为400至5500mAh/g。
例3
厚度为0.1至1μm(见图2b)的还原氧化石墨烯薄膜(见图2a)用作一次化学电流源阴极的电流形成组件。为了制造化学电源装置阴极，将还原氧化石墨烯薄膜沉积在铝箔表面，然后在氢气气氛中在70至180℃的温度下进行热处理。同时，在制造化学电源装置阴极未使用粘合剂。接下来，进行尺寸为2,5×1,5cm电极的切割。以此类方式获得的阴极包含在一次化学电源的标准组件中，其中使用NaClO4在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(1∶1)中的溶液作为电解质，金属锂作为阳极，分离器为聚丙烯薄膜，孔隙率为30％，厚度为15微米，主体由层压铝制成。当在3.5至1.5V的工作电压范围内以0.02至0.2mA放电时，该元件显示出3至9mAh的容量，换算为化学电源装置阴极的电流形成成分的质量，容量为450至4800mAh/g。
例4
基于还原氧化石墨烯和锡纳米颗粒的高度分散的复合材料被用作一次化学电流源阴极的电流形成组件。粒径为200至250μm的粉末由涂覆有粒径为0.005至0.01μm的锡纳米颗粒(见图3)的还原氧化石墨烯薄片组成。为了制造化学电源装置阴极，将形成电流的组分与溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮-聚偏二氟乙烯中的粘合剂(占电流形成组分重量的5％)混合，接下来，将所得糊剂涂覆在厚度为100～200μm厚的铝箔，然后在氢气气氛中在70～180℃的温度下进行热处理，轧制成60～120μm的厚度。接下来，进行尺寸为2,5×1,5cm电极的切割。以此类方式获得的阴极包含在一次化学电源的标准组件中，其中使用1M LiPF6在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(1∶1)中的溶液作为电解质，金属锂作为阳极，分离器为聚丙烯薄膜，孔隙率为30％，厚度为15微米，主体由层压铝制成。当在3.5至1.5V的工作电压范围内以0.01至0.1mA放电时，该元件显示出4至16mAh的容量，换算为化学电源装置阴极的电流形成成分的质量，容量为650至5500mAh/g。
例5
平均尺寸为2μm的石墨烯气凝胶微粒被用作一次化学电流源阴极的电流形成组件(见图4)。为了制造化学电源装置阴极，将电流形成组分与溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮-聚偏二氟乙烯(占电流形成组分质量的5％)中的粘合剂混合，然后将所得糊剂涂覆在厚度为100至200μm厚的铝箔，并进行干燥和轧制，厚度为60至120μm。接下来，进行尺寸为2,5×1,5cm电极的切割。以此类方式获得的阴极包含在一次化学电源的标准组件中，其中使用1MLiPF6在碳酸乙烯酯/碳酸二甲酯(1∶1)中的溶液作为电解质，金属锂作为阳极，分离器为聚丙烯薄膜，孔隙率为30％，厚度为15微米，主体由层压铝制成。当在3.5至1.5V的工作电压范围内以0.02至0.2mA放电时，该元件显示出9至24mAh的容量，换算为化学电源装置阴极的电流形成成分的质量，容量为650至5500mAh/g。
因此，所申请的发明的技术结果是一次化学电源的高单位耗电量，超过650瓦时/公斤。
对背景技术的分析表明，在发明的表述中提供的一组基本特征是未知的。这使我们能够得出结论，所申请的技术解决方案满足可专利性的“新颖性”条件。
对比分析表明，背景技术中未发现与所申请的发明的显着特征相吻合的特征的解决方案，也未证实这些特征会影响技术结果。因此，所申请的技术方案满足可专利性“创造性”的条件。
表1：主要的一次化学电流源
工业适用性
上述信息证实了使用所声明的基于石墨烯的一次化学电流源的可能性，本发明可用于电气工程领域，因此满足可专利性“工业适用性”的要求。
Claims (19)
1.一次化学电源包括一个外壳，其中安装有至少一个阳极、至少一个阴极、至少一个电解质、集流器和分离器，其特征在于，基于石墨烯类材料的纳米结构材料被用作阴极的电流形成部件。
2.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用氧化石墨烯作为石墨烯类材料。
3.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用氟化石墨烯作为石墨烯类材料。
4.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用氯化石墨烯作为石墨烯类材料。
5.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用溴化石墨烯作为石墨烯类材料。
6.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用硝酸石墨烯作为石墨烯类材料。
7.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用硫酸石墨烯作为石墨烯类材料。
8.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用2-7项中所列的化合物的混合物作为石墨烯类材料。
9.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与碳纳米管的复合材料作为石墨烯类材料。
10.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与碳纳米管的氧化产物的复合材料作为石墨烯类材料。
11.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与石墨的复合材料作为石墨烯类材料。
12.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与石墨的氧化产物的复合材料作为石墨烯类材料。
13.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与碳量子点的复合材料作为石墨烯类材料。
14.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与碳量子点的氧化产物的复合材料作为石墨烯类材料。
15.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与炭黑的复合材料作为石墨烯类材料。
16.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与炭黑的氧化产物的复合材料作为石墨烯类材料。
17.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与活性炭的复合材料作为石墨烯类材料。
18.根据第1项的一次化学电源，其特征在于使用基于第2-7项中所列一种或多种化合物与活性炭的氧化产物的复合材料作为石墨烯类材料。
19.根据第1项的一次化学电源，其特征在于，所述纳米结构材料以以下形式使用：粒径为0.05至300μm的粉末；孔隙率为15％至99.1％的凝胶和气凝胶，或其混合物；厚度为0.01至500微米的薄膜；长度为0.05至50微米，直径为0.01至5微米的纤维；直径为0.02至200微米，球体壁厚为0.002至0.04微米的空心球，或其混合物。
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