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***，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

一种石墨烯复合金属空气电池的制备方法
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***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***，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***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***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***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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