一种石墨烯-镁海水电池装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于海水电池设备技术领域，具体涉及一种石墨烯‑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，基于燃料电池的技术原理，阳极材料采用高电位并加惰的AZ31镁合金，阴极采用导电性好和对海水溶解氧催化还原效率突出的石墨烯复合材料，以溶解氧≥5ppm和氯化钠≥3.5％的海水溶液做电解质；其结构简单，原理科学合理，操作性强，成本低廉，使用环境友好，安全环保，推广价值高，易于推广使用。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯-镁海水电池装置
：本专利技术属于海水电池设备
，涉及一种石墨烯-镁海水电池装置，具体是一种以石墨烯复合材料为阴极，以镁合金材料为阳极，以海水为电解质的单元组合式海水电池。
技术介绍
：随着人们对海洋科研和海洋资源开发活动的深入发展，海洋监测、海洋工程、海洋军事活动、海洋救生及潜航器等海洋装备，特别是海洋深水探测和资源开发生产活动，对电源提出了迫切的需求，仅靠具有很大局限性的电缆输送岸电、船舶供电或复充式电池供电方式是远远不能满足日益突出的海上活动要求，大大限制了人们深入发展和进行海洋科研和生产活动，多年来人们一直在寻求制造一种适应海洋活动使用的、相对长效的独立电源，使用前景广阔的海水电池应运而生。科学家们先后专利技术了氯化银海水电池、铝海水电池和锌海水电池等，均因其材料昂贵或具有不可逆的技术缺陷难以推广使用。镁具有电位高、重量轻、理化性能好和加工成本低等特点，特别是镁合金材料被公认为是目前海水电池最好的阳极材料，所以，以镁合金材料做海水电池的阳极具有成本低廉、技术可达和对环境友好等优势；但是，镁合金存在在海水中腐蚀速度过快，致使极板易松动脱落、使用寿命短以及腐蚀产物聚集后会造成自放电或电池短路的客观缺陷，这些客观缺陷均属于主观技术易于克服的可达范围。现有技术中的镁海水电池的阴极一般采用石墨、碳钢或铜合金等惰性导电材料，其通电密度一般＜1.5mA/cm2，对海水溶氧还原催化效率低、反应速度慢、稳定性差，严重抑制了电能的生成，也大大制约了海水电池的发展与应用推广。因此，寻求一种功能更好、效率更高的阴极材料，设计制造一种综合性能更好的海水电池。石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化轨道组成的六角形、呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料，其厚度仅有0.335nm，比表面积可达2630m2/g；石墨烯具有超强的稳定性：石墨烯中的碳原子均由共价键相连接，C-C键强度比金刚石更加稳定；石墨烯具有突出的导电性：电子迁移率可达到15000cm2/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，电子迁移率基本不受温度影响；石墨烯具有突出的力学性能：石墨烯是已知强度最高的新材料，抗拉强度为125GPa，弹性模量1.1TPa，强度极限为42N/m2，其结构致密、具有很好的柔性，如用100nm的石墨烯膜制成包装袋可承受2T重物品压力；具有突出的导热性能：石墨烯在常温下热导率为5300W/m.k，是铜的13倍；并且石墨烯与高分子材料之间具有良好的理化互溶性。由此可见，石墨烯是镁海水电池惰性阴极的理想材料，为制造一种石墨烯—镁海水电池提供了可能。
技术实现思路
：本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种石墨烯-镁海水电池装置，采用具有突出电功能特性的石墨烯复合材料做海水电池的惰性阴极，镁合金材料做阳极，海水做电解质。为了实现上述目的，本专利技术涉及的石墨烯-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。本专利技术涉及的镁合金阳极极板的主体结构包括负极接线柱、阳极集流板和极板；内空式矩形框状结构的阳极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的负极接线柱，阳极集流板的内部设置有10-16块矩形板状结构的极板；阳极集流板和极板的材质均为AZ31商用镁合金型材；镁合金阳极极板的制备工艺过程为：首先根据腐蚀速率和所需供电时间选用厚度1-25mm的AZ31镁合金板材裁剪为设定尺寸的平板，再将平板机加工成透空板栅状结构的栅板，栅板的外边框为阳极集流板，栅板的内部为极板，在阳极集流板的上端中心处铆接负极接线柱，然后将极板的表面磨光，最后在阳极集流板的外侧涂镀防止极板腐蚀松动或脱落的石墨烯防腐保护层，完成镁合金阳极极板的制备。本专利技术涉及的石墨烯复合阴极极板的主体结构包括正极接线柱、阴极集流板和箔条；内空式矩形框状结构的阴极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的正极接线柱，阴极集流板的内部设置有5-8层矩形板状结构的箔条；阴极集流板和箔条的材质均为铜合金型材；石墨烯复合阴极极板的制备工艺过程为：首先分别制备1.0mm×1.0mm的阴极集流板、0.1mm×0.1mm-0.8mm×0.8mm的箔条和石墨烯复合分散液，石墨烯复合分散液是由80-96质量份N-甲基吡咯烷酮溶液、0.1-20质量份石墨烯、0.1-15质量份环氧固化剂、0.1-5质量份Pd粉剂和0.1-10质量份pH调整剂混合后在70-90℃高温下制备而成的，再将5-8根箔条的上端和下端分别夹压固定在阴极集流板中，在阴极集流板的上端中心处铆接正极接线柱，得到极板粗品，然后将极板粗品浸泡在70-90℃的石墨烯复合分散液中1-3min取出后放入温度为180-260℃的烘烤箱内烘烤0.2-4h，最后将极板粗品取出后自然冷却至室温，完成石墨烯复合阴极极板的制备。本专利技术涉及的石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板的激活速度快，出现稳定放电电压的时间为5min时，稳定电压为1.1V；铜合金箔阴极的激活速度慢，出现稳定放电电压的时间为10min时，稳定电压为0.6V，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有对溶解氧的催化还原效果好、反应速度快以及输出电压高且稳定的优势。本专利技术涉及的石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电功率与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板在相对大功率放电时的电压稳定，其稳定电压为1.1V，输出功率大、出现终止电压时的对应功率为1.5W；在相同条件下，铜合金箔阴极提前出现大幅度压降，稳定电压为0.6V，输出功率小、出现终止电压时的对应功率为1.3W，由此可见，石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比具有在相对大电流放电时，对溶解氧持续催化效果好、反应效率高以及输出电压高且稳定的优势。本专利技术涉及的壳体、内封盖和外封盖的材质均为绝缘和耐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯‑镁海水电池装置，其特征在于由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。...

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于由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。2.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述镁合金阳极极板的主体结构包括负极接线柱、阳极集流板和极板；内空式矩形框状结构的阳极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的负极接线柱，阳极集流板的内部设置有10-16块矩形板状结构的极板；阳极集流板和极板的材质均为AZ31商用镁合金型材；镁合金阳极极板的制备工艺过程为：首先根据腐蚀速率和所需供电时间选用厚度1-25mm的AZ31镁合金板材裁剪为设定尺寸的平板，再将平板机加工成透空板栅状结构的栅板，栅板的外边框为阳极集流板，栅板的内部为极板，在阳极集流板的上端中心处铆接负极接线柱，然后将极板的表面磨光，最后在阳极集流板的外侧涂镀防止极板腐蚀松动或脱落的石墨烯防腐保护层，完成镁合金阳极极板的制备。3.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述石墨烯复合阴极极板的主体结构包括正极接线柱、阴极集流板和箔条；内空式矩形框状结构的阴极集流板的上端中心处铆接有圆柱形结构的正极接线柱，阴极集流板的内部设置有5-8层矩形板状结构的箔条；阴极集流板和箔条的材质均为铜合金型材；石墨烯复合阴极极板的制备工艺过程为：首先分别制备1.0mm×1.0mm的阴极集流板、0.1mm×0.1mm-0.8mm×0.8mm的箔条和石墨烯复合分散液，石墨烯复合分散液是由80-96质量份N-甲基吡咯烷酮溶液、0.1-20质量份石墨烯、0.1-15质量份环氧固化剂、0.1-5质量份Pd粉剂和0.1-10质量份pH调整剂混合后在70-90℃高温下制备而成的，再将5-8根箔条的上端和下端分别夹压固定在阴极集流板中，在阴极集流板的上端中心处铆接正极接线柱，得到极板粗品，然后将极板粗品浸泡在70-90℃的石墨烯复合分散液中1-3min取出后放入温度为180-260℃的烘烤箱内烘烤0.2-4h，最后将极板粗品取出后自然冷却至室温，完成石墨烯复合阴极极板的制备。4.根据权利要求1所述的石墨烯-镁海水电池装置，其特征在于所述石墨烯复合阴极极板与铜合金箔阴极相比的放电时间与电压关系曲线图显示，石墨烯复合阴极极板的激活速度快，出现稳定放电电压的时间为5min时，稳定电压为1.1V；铜合金箔阴极的激活速度慢，出现稳定放电电压的时间为10min时，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王福山，郭洪云，
申请(专利权)人：青岛华高墨烯科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37