一种石墨烯纤维复合材料超高速飞轮、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于材料、电动汽车能源制造领域，涉及一种用于制造电动汽车用超高速飞轮电池的飞轮部件的石墨烯复合材料的制备方法。本发明专利技术以经过二级催化水解反应生成的半焦木质素(Carbocoal lignin)为原料，依次进行碳化处理、石墨化处理、电解氧化处理、湿法纺丝处理、还原处理、湿法缠绕处理制成石墨烯纤维复合材料。本发明专利技术制造的石墨烯纤维材料飞轮具有质轻、抗拉强度高、高速下使用寿命长等特点，用其制成的飞轮电池具有比功率大、长循环寿命、快速充电和免维护等特点，既可单独用作电动汽车能量源，也可作辅助能量源，是电动汽车高端能量源。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯纤维复合材料超高速飞轮、其制备方法及其应用
本专利技术属于电动汽车能量源制造领域，涉及一种石墨烯复合材料超高速飞轮的生产方法。
技术介绍
使用化学电池的电动汽车目前已试验过几十年，但至今尚未进入实用阶段。太阳能、风能、潮夕能、海浪能，都存在储存问题，目前主要靠化学电池，但受到化学蓄电池寿命及效率的制约，至今尚不能广泛应用，以上诸多问题，促使人们寻求一种效率高、寿命长、储能多、使用方便，而且无污染的绿色储能装置。超高速飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能，就很像标准电池。一个好的储能设备必须有高的储能密度和总容量、模块化、可利用现有的输电设备、运行费用低、高的负载循环。近年来，飞轮储能技术取得突破性进展是基于下述三项技术的飞速发展：一是高能永磁及高温超导技术的出现；二是高强纤维复合材料的问世；三是电力电子技术的飞速发展。而制约飞轮储能技术的最大障碍就是制作飞轮转子使用的高强纤维复合材料。20世纪90年代，美国ActivePower公司研发的飞轮转子材料是4340锻铁，飞轮转速最高可达7700r/min。2010年波音公司设计出碳纤维复合材料飞轮转子，采用环向缠绕的三层圆环结构，根据每一层的受力特点使用了不同规格的碳纤维。2011年，BeaconPower公司同样采用采用世界上最先进的碳纤维复合飞轮转子技术，吸收并释放1MW的电能仅需15min。目前飞轮转子材料主要以碳纤维复合材料为主，本专利将专利技术一种性能更为优异的石墨烯纤维复合材料飞轮转子。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有高速飞轮转子材料及其生产中存在的技术问题提供一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，本专利技术方法制备的石墨烯纤维复合材料可以用作制造电动汽车超高速飞轮电池的飞轮部件材料，合成的材料具有高比能量，材料储能能量大。本专利技术以木质资源水解产生的半焦木质素为原料，制备石墨烯复合材料，增加超高速飞轮的抗拉强度，从而增加飞轮电池的储能、寿命等。为实现本专利技术的目的，本专利技术一方面提供一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，包括对原料半焦木质素依次进行碳化处理、石墨化处理、电解氧化处理、湿法纺丝处理、还原处理、湿法缠绕成型处理制成所述石墨烯纤维复合材料。其中，所述半焦木质素按照如下方法制备而成：将木质原料依次进行酸水解处理、过滤处理和干燥处理。特别是，所述木质原料选择农作物秸秆、木材、废纸、废旧木家具中的一种或多种。尤其是，所述木质原料制成粒径≤1cm的粉末后在进行所述的酸水解处理。其中，所述的酸水解处理分为两个阶段对木质原料进行酸水解，其中第一阶段酸水解处理的温度高于第二阶段酸水解处理温度；第一阶段酸水解处理的压力高于第二阶段酸水解处理压力。特别是，所述酸水解处理是将催化剂酸溶液和木质原料混合，进行水解，其中所述酸溶液选择磷酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液中的一种，优选为磷酸溶液。特别是，所述酸水解处理是将木质原料与催化剂酸溶液混合均匀，在加热、加压条件下进行2次水解处理，其中所述酸溶液选择磷酸溶液、硫酸溶液、盐酸溶液、硝酸溶液中的一种，优选为磷酸溶液。其中，所述第一次酸水解处理的温度高于第二次酸水解处理温度；第一次酸水解处理的压力高于第二次酸水解处理压力。尤其是，所述磷酸溶液的质量百分比浓度为2-8％，优选为5％。尤其是，所述木质原料与催化剂酸溶液的重量份配比为2-7：100，优选为4：100。特别是，第一阶段酸水解包括将木质原料浸泡于催化剂酸溶液中，在温度为200-220℃；相对压力为2.2-2.4MPa的条件下进行酸水解1-5min。尤其是，第一阶段酸水解处理温度优选为210℃；相对压力为2.3MPa的条件下进行酸水解2min。特别是，第二阶段酸水解包括将木质原料和催化剂酸溶液混合，在温度为160-180℃；相对压力为1.0-1.2MPa的条件下进行酸水解30-40min。特别是，第二阶段酸水解包括将木质原料与催化剂酸溶液混合均匀，在温度为160-180℃；相对压力为1.0-1.2MPa的条件下进行酸水解30-40min。尤其是，第二阶段酸水解处理温度优选为170℃；相对压力为1.1MPa的条件下进行酸水解35min。特别是，所述干燥处理的温度为20-30℃；干燥后的半焦木质素的含水量为≤20％，优选为5-10％，进一步优选为2-10％。其中，所述碳化处理温度900-1000℃；石墨化处理温度为2200-2400℃。特别是，所述碳化处理时间为30-60min，优选为35-55min；所述石墨化处理过程中升温速率为7-15℃/min；石墨化处理时间为10-15min，优选为10-14min。尤其是，所述石墨化处理过程中所述惰性气体选择氮气或氩气，优选为氮气。其中，所述电解氧化处理过程中的电解电压为10-15V；电解温度为20-30℃；电解处理时间为3-5h。特别是，所述湿法纺丝处理是首先将氧化石墨烯分散于分散剂中，制成纺丝原液，然后在纺丝机中挤出纺丝原液，并注入凝固浴水中，凝固成氧化石墨烯纤维。尤其是，所述分散剂选择碳酸二糠酯、碳酸二异辛酯或碳酸二辛酯中的一种。特别是，所述氧化石墨烯与分散剂的重量份之比为1：4-6，优选为1:4.9-5.0，进一步优选为1：5。其中，所述还原处理是对湿法纺丝处理制备的氧化石墨烯纤维依次进行碳化处理和石墨化处理。特别是，所述氧化石墨烯纤维的碳化处理温度为900-1000℃；时间20-30min，优选为25min；升温速率为7-15℃/min，优选为10℃/min。特别是，所述氧化石墨烯纤维的石墨化处理温度为2200-2400℃，处理时间为8-15min，优选为10min；升温速率为7-15℃/min，优选为10℃/min。特别是，所述湿法缠绕成型处理是将石墨烯纤维浸入胶状支撑材料中，在温度为60-80℃的条件下进行缠绕，缠绕成型过程中控制张力为10-11MPa。尤其是，所述湿法缠绕成型处理过程在温度优选为70℃。特别是，所述胶状支撑材料选择聚呋喃基环氧乙烷树脂、E-44双酚A型环氧树脂或二缩水甘油基对氨基苯酚中的一种，优选为聚呋喃基环氧乙烷树脂。本专利技术另一方面提供一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，包括如下步骤：1)制备合成石墨首先对半焦木质素(Carbocoallignin)进行碳化处理，制成木质碳粉；接着将木质碳粉在惰性气体保护下进行石墨化处理，制得合成石墨；2)制备氧化石墨烯首先将合成石墨制成棒状，接着将合成石墨棒置于电解液中，进行电解氧化处理，制得氧化石墨烯；3)制备石墨烯纤维首先将氧化石墨烯与分散剂混合，制成纺丝原液后进行纺丝处理，制得氧化石墨烯纤维；接着对氧化石墨烯纤维进行还原处理，制得石墨烯纤维；4、制备复合材料将石墨烯纤维浸入胶状支撑材料中，进行湿法缠绕，即得。其中，步骤1)中所述碳化处理温度900-1000℃；石墨化处理温度为2100-2400℃。特别是，步骤1)中所述碳化处理过程中升温速率为7-15℃/min，优选为10℃/min；碳化处理时间为30-60min，优选为35-55min；所述石墨化处理过程中升温速率为7-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，其特征是，包括对原料半焦木质素依次进行碳化处理、石墨化处理、电解氧化处理、湿法纺丝处理、还原处理、湿法缠绕成型处理，制成所述石墨烯纤维复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，其特征是，包括对原料半焦木质素依次进行碳化处理、石墨化处理、电解氧化处理、湿法纺丝处理、还原处理、湿法缠绕成型处理，制成所述石墨烯纤维复合材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述碳化处理温度900-1000℃；石墨化处理温度为2200-2400℃。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征是，所述半焦木质素按照如下方法制备而成：将木质原料依次进行酸水解处理、过滤处理和干燥处理。4.一种石墨烯纤维复合材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：1)制备合成石墨首先对半焦木质素进行碳化处理，制成木质碳粉；接着将木质碳粉在惰性气体保护下进行石墨化处理，制得合成石墨；2)制备氧化石墨烯首先将合成石墨烯制成棒状，接着将棒状合成石墨置于电解液中，进行电解氧化处理，制得氧化石墨烯；3)制备石墨烯纤维首先将氧化石墨烯与分散剂混合后进行纺丝处理，制得氧化石墨烯纤维；接着对氧化石...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙家伟，王静，颉二旺，
申请(专利权)人：北京特一生物化工有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11