CN105914429A - 一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜及制备方法 - Google Patents

一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜的制备方法,其特征在于按重量百分比由2%~10%的石墨烯微片和90%~98%的微孔滤膜组成;其中石墨烯微片是氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯微片,厚度为5 nm~80 nm,片径为1μm~5μm;其通过反复真空过滤填充的方法,使石墨烯微片嵌入微孔滤膜的孔隙中,方法简单,利于导热膜的大面积制备。该导热膜可根据锂电池的外形进行一定程度的弯曲,进而使其与锂电池外表面紧密地贴合,以达到更好地散热效果。

Description

一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜及制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜及制备方法,是一种石墨烯导热膜,特别涉及一种具有导热功能的柔性石墨烯膜制备方法。该导热膜可以贴敷于电池单体内外侧,或者缠绕在电池外部,以提高电池的散热效率,降低电池内部温度。
背景技术
近些年来,随着移动通讯、便携式电子设备的高速发展,极大地促进了化学电源中二次电池的发展。在二次电池中,由于锂离子电池具有电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长等优点,成为了二次电池发展的重点。然而,锂电池对于温度是极其敏感的,如果长期处于过热的环境下,则会大幅缩减电池的寿命,严重的过热,电解液分解,内压增大引发***,即使没有***,电池也会在高热中迅速报废。因此,将电池产生的热量快速均匀的传导出去将有助于电池安全性能与使用寿命的提高。
石墨材料属于非金属晶体材料,其导热主要通过晶格的振动,即晶格波(声子)通过晶体结构单元的相互制约和相互协调的振动来实现热的传导。石墨烯是具有碳碳sp2杂化而成的六边形晶格结构的碳单质,形成大π共轭键,石墨烯的声子的平均自由程远远大于通常意义上的高导热石墨材料及其它材料的声子自由程,其声子自由程大约775 nm,经计算可得石墨烯的导热率高达5300 W/m·K。另外,常温下石墨烯内部发生挤撞,其中电子受到的干扰性非常小,从而电子移动自由,其中电子的运动速率达光速的1/300,大大超过了电子在一般导体内的运动速率,室温下电子迁移率可达15000 cm2/(V·s),超过了任何金属的电子迁移率。此外电子在电子轨道中运动,不会因晶格缺陷或杂质原子而发生散射。从这方面讲,石墨烯的导热是由电子的波动性来实现。因此,在声子和电子两个方面共同作用下,使石墨烯具有优秀的导热性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性石墨烯导热膜,该导热膜可根据锂电池的外形进行一定程度的弯曲,进而使其与锂电池外表面紧密地贴合,以达到更好地散热效果。
本发明的另一个目的在于提供一种基于官能团石墨烯还原的柔性导热膜的制备方法,其通过反复真空过滤填充的方法,使石墨烯微片嵌入微孔滤膜的孔隙中,方法简单,利于导热膜的大面积制备。
为了达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种柔性石墨烯导热膜,其特征在于按重量百分比由2%~10%的石墨烯微片和90%~98%的微孔滤膜组成;其中石墨烯微片是氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯微片,厚度为5 nm ~80nm,片径为1μm ~5 μm;
微孔滤膜为醋酸纤维混合纤维微孔滤膜、PP聚丙烯滤膜、尼龙66滤膜、PVDF聚偏氟乙烯滤膜、PTFE聚四氟乙烯亲水膜、PTFE聚四氟乙烯疏水膜、BT玻璃纤维滤膜、PES聚醚砜滤膜中的一种;孔径为8 μm ~18 μm,直径为25 mm ~400 mm。
一种石墨烯柔性导热膜的制备方法,其特征在于具体的制备步骤如下:
采用超声法,将氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散于溶剂中,该溶剂为超纯水水、N~甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、乙二醇中的一种或两种及以上的混合物,分散液的浓度为1 mg/ml ~10mg/ml。
利用离心机,将氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散液进行离心处理1 h ~5h,转速为1000 r/min ~3000r/min,去除沉淀物。
利用真空抽滤装置,通过滤膜将离心处理过的氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散液进行多次过滤,每次过滤后更换滤膜正/反面继续过滤,使氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯渗入到滤膜的内部孔隙中,直至分散液的变得澄清,过滤次数为10次~40次。
将担载有氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯的滤膜置于60℃~120℃真空条件下干燥4h~8h。
将干燥后的滤膜在气氛保护下进行高温处理。其中,保护气氛为氮气、氩气、氦气中的一种,高温处理温度为200℃~600℃,处理时长为4h~8h。
本发明的积极效果是具有滤膜支撑的柔性石墨烯导热膜,拥有优异的导热性、机械强度和柔韧性。可根据锂电池的外形进行弯曲变形,与锂电池外表面紧密地贴合,如图2-4所示。
附图说明
图1为柔性石墨烯导热膜实物照片。
图2为柔性石墨烯导热膜实际应用示意图1。
图3为柔性石墨烯导热膜实际应用示意图2。
图4为柔性石墨烯导热膜实际应用示意图3。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述:
实施例1
利用超声波细胞粉碎机,将氧化石墨烯按照2mg/ml的浓度分散于超纯水中,超声分散时长为3h。将分散液离心处理1h,离心机转速为1000r/min,去除底部沉淀,取上清液。采用孔径为12μm的醋酸纤维滤膜对离心处理过的分散液进行正/反面交替过滤,过滤次数为20次。然后,将担载有氧化石墨烯的滤膜置于80℃真空条件下干燥处理5h。最后,将干燥后的滤膜在氩气氛围保护下400℃处理5h,得到石墨烯柔性导热膜1,如图1所示。石墨烯柔性导热膜1可用于由18650型电池组成的电池组中电池单体2的散热,如图2所示,石墨烯柔性导热膜1可根据电池组中的电池单体2的布局形式,以蛇形的型式贴合在电池单体表面。
实施例2
利用超声波细胞粉碎机,将氮掺杂石墨烯按照5mg/ml的浓度分散于DMF中,超声分散时长为4h。将分散液离心处理3h,离心机转速为2000r/min,去除底部沉淀,取上清液。采用孔径为14μm的聚丙烯滤膜对离心处理过的分散液进行正/反面交替过滤,过滤次数为30次。然后,将担载有氮掺杂石墨烯的滤膜置于90℃真空条件下干燥处理6h。最后,将干燥后的滤膜在氮气氛围保护下200℃处理6h,得到石墨烯柔性导热膜1,如图1所示。石墨烯柔性导热膜1可用于由18650型电池组成的电池组中电池单体2的散热,如图3所示,石墨烯柔性导热膜1可根据电池组中的电池单体2的布局形式,以S形的型式贴合在电池单体表面。
实施例3
利用超声波细胞粉碎机,将氧化石墨烯按照8mg/ml的浓度分散于THF中,超声分散时长为3h。将分散液离心处理4h,离心机转速为3000r/min,去除底部沉淀,取上清液。采用孔径为16μm的PVDF聚偏氟乙烯滤膜对离心处理过的分散液进行正/反面交替过滤,过滤次数为35次。然后,将担载有氧化石墨烯的滤膜置于80℃真空条件下干燥处理8h。最后,将干燥后的滤膜在氩气氛围保护下400℃处理7h,得到石墨烯柔性导热膜1,如图1所示。石墨烯柔性导热膜1可用于方形的电池单体2的散热,如图4所示,石墨烯柔性导热膜1可根据方形电池的外型紧密贴合在电池单体表面。
实施例4
利用超声波细胞粉碎机,将氮掺杂石墨烯按照10mg/ml的浓度分散于乙二醇中,超声分散时长为5h。将分散液离心处理2h,离心机转速为2500r/min,去除底部沉淀,取上清液。采用孔径为18μm的BT玻璃纤维滤膜对离心处理过的分散液进行正/反面交替过滤,过滤次数为40次。然后,将担载有氮掺杂石墨烯的滤膜置于60℃真空条件下干燥处理4h。最后,将干燥后的滤膜在氦气氛围保护下200℃处理8h,得到石墨烯柔性导热膜1,如图1所示。

Claims (2)

1.一种柔性石墨烯导热膜,其特征在于按重量百分比由2%~10%的石墨烯微片和90%~98%的微孔滤膜组成;其中石墨烯微片是氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯微片,厚度为5 nm ~80nm,片径为1μm ~5 μm;微孔滤膜为醋酸纤维混合纤维微孔滤膜、PP聚丙烯滤膜、尼龙66滤膜、PVDF聚偏氟乙烯滤膜、PTFE聚四氟乙烯亲水膜、PTFE聚四氟乙烯疏水膜、BT玻璃纤维滤膜、PES聚醚砜滤膜中的一种;孔径为8 μm ~18 μm,直径为25 mm ~400 mm。
2.一种石墨烯柔性导热膜的制备方法,其特征在于具体的制备步骤如下:
采用超声法,将氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散于溶剂中,该溶剂为超纯水水、N~甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、乙二醇中的一种或两种及以上的混合物,分散液的浓度为1 mg/ml ~10mg/ml;
利用离心机,将氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散液进行离心处理1 h ~5h,转速为1000 r/min ~3000r/min,去除沉淀物;
利用真空抽滤装置,通过滤膜将离心处理过的氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯分散液进行多次过滤,每次过滤后更换滤膜正/反面继续过滤,使氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯渗入到滤膜的内部孔隙中,直至分散液的变得澄清,过滤次数为10次~40次;
将担载有氧化石墨烯或氮掺杂石墨烯的滤膜置于60℃~120℃真空条件下干燥4h~8h;
将干燥后的滤膜在气氛保护下进行高温处理;其中,保护气氛为氮气、氩气、氦气中的一种,高温处理温度为200℃~600℃,处理时长为4h~8h。
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