[发明专利]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

说明书

本发明属于材料、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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Active Power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，Beacon Power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，本专利将发明一种性能更为优异的石墨烯纤维复合材料飞轮转子。

发明内容

本发明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，本发明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。本发明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。

为实现本发明的目的，本发明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。