[發明專利]一種金屬基碳纖維氈

在審

• 申請號: 201410773068.3
• 申請日: 2014-12-12
• 公開（公告）號: CN105742634A
• 公開（公告）日: 2016-07-06
• 發明（設計）人: 孫公權;王二東
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/66;H01M6/34
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

技術領域

本發明涉及一種金屬基碳纖維氈復合材料，具體的說涉及一種用于海水/鹽水中溶氧型電池陰極的金屬基碳纖維氈。

背景技術

在海上或其它含鹽水域中工作的電子設備，如海上航標、水文氣象浮標、水下探測器、無限傳感器等都需要采用電池來作為電源提供能量。上述用電設備對電池的要求是容量大、穩定性高。常規的一次電池，如鋅錳、鋅銀等，價格高、而且質量和體積比能量低，儲存性能差。如果用鉛酸、鎳氫、鋰離子等二次電池，一方面，受其額定容量限制，電池的水下連續使用時間有限；另一方面，在深海工作時，需將電池密封于耐壓容器中進行保護，尤其是鋰離子電池，增加了系統的復雜性。

溶氧型海水電池是一種用于水下的電池，其陽極為鎂、鋁金屬或合金，陰極為氧，電解質為海水或鹽水。該類電池的優點有：一、能量密度高。由于這類電池除金屬陽極外其氧化劑和電解質均由海水提供，因此其理論質量比能量高達數百瓦時每千克。二、原料來源豐富。鎂、鋁均為地球儲量大的金屬元素，且價格低廉。三、儲存性能好。該類電池在不接觸海水時處于不激活狀態，其儲存性能好，儲存時間長達數年。但是，由于溶氧型海水電池利用水中溶解氧作為氧化劑，而海水中的含氧量低(只有0.3mol/m³)，因此陰極必須采用開放式結構與海水接觸。通過增加陰極面積使溶氧型海水電池輸出較大電流。

專利CN1543001A中為了擴大海水電池正極面積，采用發散式正極的結構，電池中央為鎂棒。這種結構的海水電池鎂陽極與陰極距離較遠，增加了離子電導，且陰極材料比表面積較低，使電池性能偏低。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出一種金屬基碳纖維氈復合材料，該材料以金屬基底為集流網，以原位生長于金屬基底內部及表面的碳纖維交織而成的碳纖維氈為陰極復合材料。為實現上述目的，本發明采用以下技術方案來實現。

一種金屬基碳纖維氈，包括帶孔的金屬基底和原位生長于金屬基底的孔內部和外表面的碳纖維，碳纖維間相互交織而成的碳纖維氈。

所述金屬基底為金屬網或泡沫金屬。

所述金屬基碳纖維氈中碳纖維長度為0.3mm-20mm；所述金屬基底表面碳纖維氈的厚度為0.5mm-10mm。

所述金屬基碳纖維氈的電導率為2-10S/cm。

所述金屬網為不銹鋼網、鈦網、鍍鈦網、銀網、鍍銀網、金網、鍍金網中的一種。

所述泡沫金屬為泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鐵鎳中的一種。

所述金屬網的目數為1-100目。

所述泡沫金屬的孔隙率為30％-98％。

與現有技術相比，本發明所述金屬基碳纖維氈，其碳纖維原位生長于金屬基底內部及表面，降低了金屬基底與碳纖維的接觸電阻，增加了單一碳纖維氈的強度，將其作為溶氧型海水/鹽水電池陰極時具有陰極比表面積高、導電性好、結構強度大等優點，從而提高了電池的性能和穩定性。

附圖說明

圖1為碳氈型海水電池陰極結構示意圖；

圖2為采用碳氈型陰極的鎂海水電池放電性能；

圖3放電性能測試圖。

圖中1為碳纖維氈；2為集流體。

具體實施方式

下述實施例為實現本發明的可能途徑，但同領域的技術人員采用下述方式以外的方法來的實現本發明仍在本專利保護的范圍內。

實施例1：

采用如下步驟制備本發明所述金屬基碳纖維氈。

采用目數為20目的鈦網為金屬基底，將聚丙烯氰纖維梭織于鈦網上得金屬基碳纖維氈前體；將所得前體于空氣氣氛中在280℃下預氧化60min，然后在氮氣保護條件1000℃碳化處理60min形成即形成鈦基碳纖維氈。

所得鈦基碳纖維氈中的碳纖維長度為15mm，鈦基碳纖維氈的整體厚度為5mm，其電導率為8S/cm。為考察其作為溶氧型海水/鹽水電池陰極時的性能，將其切割為50cm×18cm的片狀結構，并將其切割邊緣密封于絕緣框架中構成溶氧型海水電池陰極。溶氧型海水電池共包括40片上述陰極。

溶氧型海水/鹽水電池陽極采用AZ61鎂合金材料，組裝的溶氧型海水電池在海水中的放電性能如圖2所示。

實施例2：

將聚丙烯腈聚合體溶于二甲基亞砜和水的混合溶劑中，于60℃條件下持續攪拌8h，得均勻的聚丙烯腈溶液，將泡沫鎳置于盛有上述溶液的裝置中，于50℃條件下真空脫泡12h，將浸入有泡沫鎳的脫泡后溶液蒸干溶劑，并在空氣氣氛中280℃下預氧化100min，然后在氮氣保護條件1000℃碳化處理60min形成即形成泡沫鎳基碳纖維氈。