專利名稱：一種離子熱運動原理發電方法及其石墨烯電池的制作方法
技術領域：
本發明涉及石墨烯薄膜材料在發電和電池領域的應用，尤其涉及一種新的發電方法和一種新的非化學反應類電池。
背景技術：
在2004年英國科學家發現石墨烯材料以來，由于其優異的電學、光學、熱學和力學性能，以及優良的耐酸堿能力，該材料具有巨大的的應用潛力。在目前已知的材料中，石墨烯薄膜材料具有最高的電子傳導速度，大約為光速的 1/300。目前，對于石墨烯材料在發電和儲能領域的研究主要集中于利用石墨烯替代碳作為鋰電池和超級電容器的電極材料。但是，還未有直接利用石墨烯作為發電和電池器件主要功能部件的研究。在納米發電和熱電發電領域，目前的研究有溫差發電，壓電材料發電等技術，但是這些技術面臨著發電效率不高、制造成本高、工藝復雜、器件穩定性差、難以回收利用、對環境造成污染等問題。所以，尋找性能更佳的高效能量轉換技術，必須要新原理突破，發電材料和結構設計已成為納米發電、熱電發電以及電池行業的主要研究方向。
發明內容
本發明要解決的技術問題是克服傳統的電池安全隱患多、需要使用電充電、壽命短、對人體和環境有危害的缺陷，提供一種安全可靠、不需要使用電充電、使用壽命長、對人體和環境無危害的離子熱運動原理發電方法及其石墨烯電池。為了解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案一種離子熱運動原理的發電方法，包括以下步驟
步驟1 將石墨烯轉移至一襯底上，將石墨烯薄膜粘接在襯底上； 步驟2 在石墨烯薄膜的一端沉積比石墨烯的功函數高的導電材料，制成第一電極，在石墨烯薄膜的另一端沉積比石墨烯的功函數低的導電材料，制成第二電極； 步驟3 將兩端的第一電極和第二電極使用兩根金屬導線導出； 步驟4:在一容器外殼中盛放有離子鹽溶液，將襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線整體浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部，將容器外殼進行密封，避免離子鹽溶液的泄露。上述技術方案的進一步限定在于，在步驟3與步驟4之間，還包括如下步驟將第一電極和第二電極本身以及第一電極、第二電極與石墨烯薄膜的邊緣封裝起來，形成一封膠層，避免離子鹽溶液腐蝕第一電極和第二電極，同時避免石墨烯薄膜的脫落；
上述技術方案的進一步限定在于，該離子鹽溶液的正價離子由含有下列離子中的一種、兩種或者多種離子的鹽制成銅離子、鐵離子、鈷離子、鎳離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、 錳離子、鋁離子、鈣離子、鎂離子、鋰離子。上述技術方案的進一步限定在于，該第一電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成的鉬、金、鎳、鐵、石墨、碳、鈷、硅；該第二電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成的銀、鋁、錳、銅、鐵、鉬、鉛、鎢、鋅。
上述技術方案的進一步限定在于，該石墨烯薄膜為一層、兩層、三層、四層以及前述兩種、多種薄膜的混合薄膜。
為了解決上述技術問題，本發明提出以下技術方案一種石墨烯電池，其包括一個容器外殼、盛放在該容器外殼中的離子鹽溶液、一個襯底、一層石墨烯薄膜、一個第一電極、 一個第二電極、兩根金屬導線、一層封膠層；該層石墨烯薄膜粘接在該襯底的一面上；該第一電極由比石墨烯的功函數高的導電材料制成，該第一電極沉積在該石墨烯薄膜的一端；該第二電極由比石墨烯的功函數低或相近的導電材料制成，該第二電極沉積在該石墨烯薄膜的另一端；該兩根金屬導線分別連接該第一電極和該第二電極； 該封膠層包覆在該第一電極以及該第二電極的外部；上述襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線、封膠層成為一個整體，浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部。
上述技術方案的進一步限定在于，該離子鹽溶液的正價離子由含有下列離子中的一種、兩種或者多種離子的鹽制成銅離子、鐵離子、鈷離子、鎳離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、錳離子、鋁離子、鈣離子、鎂離子、鋰離子。
上述技術方案的進一步限定在于，該襯底是由二氧化硅、硅片、PET板、塑料板或料膜材料制成的。
上述技術方案的進一步限定在于，該第一電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成鉬、金、鎳、鐵、石墨、碳、鈷、硅；該第二電極的導電材料是由下列物質中的一種、兩種或者多種混合制成的銀、鋁、錳、銅、鐵、鉬、鉛、鎢、鋅。
上述技術方案的進一步限定在于，該石墨烯薄膜為一層、兩層、三層、四層以及前述兩種、多種薄膜的混合薄膜。
本發明具有如下有益效果1、本發明提出的發電方法及石墨烯電池，利用石墨烯薄膜電池的不對稱電極結構，采用該發電原理從離子熱運動中收集能量將其轉換為電能，并通過該電極結構將電能傳導出來；2、本發明石墨烯電池是一種不需要化學反應的安全電池，所用的發電原理是將離子運動的能量轉化為電能輸出，不同于普通的電化學電池，此過程中不涉及化學反應，也不涉及材料的結晶性能的改變，因此，減少了傳統電池帶來的安全隱患；3、本發明石墨烯電池是一種不需要使用電充電的電池，本發明利用環境溫度發電，使用0. 05m2的石墨烯電池暴露面積的情況下，在25攝氏度的溫度下，可以使正三價鐵離子的溶液中，石墨烯電池產生0.3 V的開路電壓，在37攝氏度的溫度下，可使氯化鐵(FeCl3)溶液產生0.38 V的開路電壓，如圖4所示；4、本發明石墨烯電池是一種長壽命的電池，由于不含化學反應，避免了發電時活性物質的損耗，從而使本發明中的電池在使用過程中不會因為活性物質的減少而發電量減少， 故電池性能衰減很小，從而可以長時間使用，避免頻繁的維護；
5、本發明石墨烯電池是一種環境友好型的電池，使用的電極材料均對環境無害，使用的溶液均不含有毒物質，從而減少電池行業對人體和環境帶來的危害；
6、本發明石墨烯電池利用離子的熱運動發電，無需額外充電，是一種自能器件，本發明基于離子的熱運動作為能量來源，而離子的熱運動由溶液的溫度決定，故本發明的能量轉換方式是將熱能最終轉換為電能，本發明只需將電池所處的溶液環境置于具有一定溫度的環境中中，即可由空氣和溶液壁的熱交換來補充溶液中離子由于轉換電能而損失的能量， 故本發明的器件為一種自能器件，不需額外充電，即可持續工作；
7、石墨烯材料本身的功函數為4.5-4. Sev0通過單種導電材料會導致電子在石墨烯表面的運動方向無法確定，從而使器件的正負極有隨機性，無法準確確定，本發明使用不同功函數的導電材料來調控電子流動方向，使用兩種不同功函數的導電材料，可以建立電子定向流動的通道，從而使器件的正負極確定。8、本發明的另一特征是使用單層、雙層、三層或四層的少層石墨烯薄膜，或者前述兩種或多種混合的石墨烯薄膜材料，使用單層石墨烯、雙層石墨烯和三層石墨烯材料所產生的開路電壓相當。當石墨烯的層數繼續增多時，電池開路電壓開始下降。
圖1為本發明石墨烯電池部分組件的立體圖。圖2為本發明石墨烯電池的立體圖。圖3為本發明使用CoCl2, FeCl3, CuCl2, NaCl, KCl溶液所得到的開路電壓。圖4為本發明石墨烯電池在不同溫度下的開路電壓箱型圖。
具體實施例方式本發明提出一種離子熱運動原理的發電方法，包括以下步驟 步驟1 將石墨烯轉移至一襯底上，將石墨烯薄膜粘接在襯底上；
步驟2 在石墨烯薄膜的一端沉積比石墨烯的功函數高的導電材料，制成第一電極，在石墨烯薄膜的另一端沉積比石墨烯的功函數低的導電材料，制成第二電極； 步驟3 將兩端的第一電極和第二電極使用兩根金屬導線導出； 步驟4:將第一電極和第二電極本身以及第一電極、第二電極與石墨烯薄膜的邊緣封裝起來，形成一封膠層，避免離子鹽溶液腐蝕第一電極和第二電極，同時避免石墨烯薄膜的脫落；
步驟5:在一容器外殼中盛放有離子鹽溶液，將襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線、封膠層整體浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部，將容器外殼進行密封，避免鹽溶液的泄露。上述發電方法形成一種“低功函數導電材料/石墨烯薄膜材料/高功函數導電材料”的結構，利用離子在熱運動的驅使下，在石墨烯表面的吸附和脫附，從而引發電子在石墨烯表面轉移的原理發電。在石墨烯薄膜材料具有高的比表面積，大約2640 m2/g，在其表面形成雙電層。當溶液中的離子處于高于絕對零度的環境中，處于熱運動的離子便具有一定的動能。使離子并非固定在石墨烯薄膜材料的表面，而是處于不斷無規運動過程中，但是作用于石墨烯表面的局域空間內，可以認為，大量離子在不停的與石墨烯表面有效碰撞。離子在石墨烯的不停碰撞便使得石墨烯本身的載流子濃度發生含時變化，從而在外部特征上會表現出持續的電輸出。
使用兩種功函數材料做電極，將所發的電導出，形成電池。在石墨烯的一端使用功函數高于石墨烯的材料。在石墨烯的另一端使用功函數低于或等于石墨烯的材料。這樣就形成一個電子的定向流動通道，從而將所發的電量定向導出。
下面舉例說明上述離子熱運動原理的發電方法的具體實例，首先介紹利用該方法制作的一種石墨烯電池，請參閱圖1至圖2，該石墨烯電池包括一個容器外殼1、盛放在該容器外殼1中的離子鹽溶液2、一個襯底3、一層石墨烯薄膜4、一個第一電極5、一個第二電極 6、兩根金屬導線7、一層封膠層(圖未示)。
該離子鹽溶液2的正價離子由含有下列離子中的一種、兩種或者多種離子的鹽制成銅離子、鐵離子、鈷離子、鎳離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、錳離子、鋁離子、鈣離子、鎂離子、鋰離子。
該襯底3是由二氧化硅、硅片、PET板(PET即聚對苯二甲酸乙二酯)、塑料板、塑料膜等材料制成的。
該層石墨烯薄膜4粘接在該襯底3的一面上。
該第一電極5由比石墨烯的功函數高的導電材料制成，該第一電極5沉積在該石墨烯薄膜4的一端。
該第一電極5的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成鉬、金、鎳、鐵、石墨、碳、鈷、硅。
該第一電極5是電池負極。
該第二電極6由比石墨烯的功函數低或相近的導電材料制成，該第二電極6沉積在該石墨烯薄膜4的另一端。
該第二電極6的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成銀、鋁、錳、銅、鐵、鉬、鉛、鎢、鋅。
該第二電極6是電池正極。
該兩根金屬導線7分別連接該第一電極5和該第二電極6。
該兩根金屬導線7通過導電膠(圖未示)或者錫焊(圖未示)固定在該第一電極5和該第二電極6上，將電池的正負極導出。
該封膠層包覆在該第一電極5以及該第二電極6的外部，避免離子溶液2腐蝕第一電極5和第二電極6，同時避免石墨烯薄膜4脫落。
該封膠層是用膠水將第一電極5和第二電極6本身以及第一電極5和第二電極6 與石墨烯薄膜4的邊緣封裝而成。
上述襯底3、石墨烯薄膜4、第一電極5、第二電極6、兩根金屬導線7、一層封膠層成為一個整體，浸入該離子鹽溶液2中，該兩根金屬導線7引到該容器外殼1的外部。
使用上述石墨烯電池發電的方法，其包括以下步驟步驟1 將石墨烯轉移至襯底3上首先將襯底3清洗干凈，然后在襯底3上旋涂一層有機膠，然后將生長有石墨烯的銅箔(圖未示)裁剪成和襯底3匹配的大小，并將銅箔生長有石墨烯薄膜的一面覆壓在有機膠上，待有機膠固化后，將銅箔使用氯化銅溶液(FeCl3)或者硝酸鐵溶液(Fe (NO3) 3)或者溴化鐵(FeBr3)溶解掉，而石墨烯薄膜4粘接在襯底3上；
步驟2:在石墨烯薄膜4的一端沉積比石墨烯的功函數高的導電材料，制成第一電極5， 在石墨烯薄膜4的另一端沉積比石墨烯的功函數低的導電材料，制成第二電極6 ；
步驟3 將兩端的第一電極5和第二電極6使用金屬導線7導出使用導電膠(圖未示) 或者使用錫焊(圖未示)將金屬導線7固定在第一電極5和第二電極6上，將正負極導出； 步驟4 使用膠水將第一電極5和第二電極6本身以及第一電極5、第二電極6與石墨烯薄膜4的邊緣封裝起來，形成上述封膠層，避免離子鹽溶液2腐蝕第一電極5和第二電極 6，同時避免石墨烯薄膜4的脫落；
步驟5 在容器外殼1中盛放有離子鹽溶液2，將襯底3、石墨烯薄膜4、第一電極5、第二電極6、兩根金屬導線7、封膠層整體浸入該離子鹽溶液2中，該兩根金屬導線7引到該容器外殼1的外部，將容器外殼1進行密封，避免鹽溶液的泄露。實施例1
使用銀電極和金電極分別形成器件的正極和負極。首先將石墨烯薄膜轉移至玻璃襯底上，圖1中3為玻璃襯底，4為石墨烯薄膜，使用蒸鍍的方式分別形成圖1中兩個不接觸的電極即第一電極5、第二電極6。圖1中第一電極5為使用金蒸鍍的電極，圖1中第二電極 6為使用銀蒸鍍制作的電極。其次使用導電膠或者錫焊將兩根導線7固定在電極上。然后將其浸入離子鹽溶液2中，如圖2所示。分別使用CoCl2, FeCl3, CuCl2, NaCl，KCl，得到效果如圖3所示。將裝有離子鹽溶液2和器件的容器外殼1放入具有一定溫度的環境中，得到不同溫度下氯化鐵溶液的開路電壓，如圖4所示。實施例2
將兩個電極(5、6)分別使用含銀和含鎳導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例3
將兩個電極(5、6)分別使用含石墨和含鎳導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例4
將兩個電極(5、6)分別使用含銀和含鉬導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例5
將兩個電極(5、6)分別使用含銀和含銅導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例6
將兩個電極(5、6)分別使用含金和含鋁導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例7
將兩個電極(5、6)分別使用含鋁和含鎳導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例8
將兩個電極(5、6)分別使用含鋁和含石墨導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例9
將兩個電極(5、6)分別使用含鋁和含銅導電材料替代，其余操作如實施例1。實施例10
將兩個電極(5、6)分別使用含錳和含鎳導電材料替代，其余操作如實施例1。
實施例11將兩個電極(5、6)分別使用含錳和含銅導電材料替代，其余操作如實施例1。
權利要求
1.一種離子熱運動原理的發電方法，其特征在于，包括以下步驟步驟1 將石墨烯轉移至一襯底上，將石墨烯薄膜粘接在襯底上；步驟2 在石墨烯薄膜的一端沉積比石墨烯的功函數高的導電材料，制成第一電極，在石墨烯薄膜的另一端沉積比石墨烯的功函數低的導電材料，制成第二電極；步驟3 將兩端的第一電極和第二電極使用兩根金屬導線導出；步驟4:在一容器外殼中盛放有離子鹽溶液，將襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線整體浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部，將容器外殼進行密封，避免離子鹽溶液的泄露。
2.根據權利要求1所述的離子熱運動原理的發電方法，其特征在于，在步驟3與步驟4 之間，還包括如下步驟將第一電極和第二電極本身以及第一電極、第二電極與石墨烯薄膜的邊緣封裝起來，形成一封膠層，避免離子鹽溶液腐蝕第一電極和第二電極，同時避免石墨烯薄膜的脫落。
3.根據權利要求1所述的離子熱運動原理的發電方法，其特征在于，該離子鹽溶液的正價離子由含有下列離子中的一種、兩種或者多種離子的鹽制成銅離子、鐵離子、鈷離子、 鎳離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、錳離子、鋁離子、鈣離子、鎂離子、鋰離子。
4.根據權利要求1所述的離子熱運動原理的發電方法，其特征在于，該第一電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成鉬、金、鎳、鐵、石墨、碳、 鈷、硅；該第二電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種導電材料制成 銀、鋁、錳、銅、鐵、鉬、鉛、鎢、鋅。
5.根據權利要求1所述的離子熱運動原理的發電方法，其特征在于，該石墨烯薄膜為一層、兩層、三層、四層以及前述兩種、多種薄膜的混合薄膜。
6.一種石墨烯電池，其特征在于，其包括一個容器外殼、盛放在該容器外殼中的離子鹽溶液、一個襯底、一層石墨烯薄膜、一個第一電極、一個第二電極、兩根金屬導線、一層封膠層；該層石墨烯薄膜粘接在該襯底的一面上；該第一電極由比石墨烯的功函數高的導電材料制成，該第一電極沉積在該石墨烯薄膜的一端；該第二電極由比石墨烯的功函數低或相近的導電材料制成，該第二電極沉積在該石墨烯薄膜的另一端；該兩根金屬導線分別連接該第一電極和該第二電極；該封膠層包覆在該第一電極以及該第二電極的外部；上述襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線、封膠層成為一個整體，浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部。
7.根據權利要求6所述的一種石墨烯電池，其特征在于，該離子鹽溶液的正價離子由含有下列離子中的一種、兩種或者多種離子的鹽制成銅離子、鐵離子、鈷離子、鎳離子、鋅離子、鉀離子、鈉離子、錳離子、鋁離子、鈣離子、鎂離子、鋰離子。
8.根據權利要求6所述的一種石墨烯電池，其特征在于，該襯底是由二氧化硅、硅片、 PET板、塑料板或料膜材料制成的。
9.根據權利要求6所述的一種石墨烯電池，其特征在于，該第一電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種金屬的導電材料制成鉬、金、鎳、鐵、石墨、碳、鈷、 硅；該第二電極的導電材料是由含有下列物質中的一種、兩種或者多種的導電材料制成 銀、鋁、錳、銅、鐵、鉬、鉛、鎢、鋅。
10.根據權利要求6所述的一種石墨烯電池，其特征在于，該石墨烯薄膜為一層、兩層、 三層、四層以及前述兩種、多種薄膜的混合薄膜。
全文摘要
一種離子熱運動原理的發電方法，包括以下步驟步驟1將石墨烯轉移至一襯底上，將石墨烯薄膜粘接在襯底上；步驟2在石墨烯薄膜的一端沉積比石墨烯的功函數高的導電材料，制成第一電極，在石墨烯薄膜的另一端沉積比石墨烯的功函數低的導電材料，制成第二電極；步驟3將兩端的第一電極和第二電極使用兩根金屬導線導出；步驟4在一容器外殼中盛放有離子鹽溶液，將襯底、石墨烯薄膜、第一電極、第二電極、兩根金屬導線整體浸入該離子鹽溶液中，該兩根金屬導線引到該容器外殼的外部。本發明還提供了利用該方法制作的石墨烯電池。本發明離子熱運動原理發電方法及其石墨烯電池安全可靠、不需要使用電充電、使用壽命長、對人體和環境無危害。
文檔編號H01L35/00GK102496675SQ20111042345
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者臺國安, 許子寒 申請人:深圳市納碳科技有限公司