可膨胀石墨的常见制备方法

常见制备方法

1、化学插层法 制备用的初始原料系高碳鳞片状石墨

,其余化学试剂如浓硫酸(98 %以上) ,过氧化氢(28 %以上) ,高锰酸钾等均使用工业级试剂。

制备的一般步骤为:在适当温度下

,将不同配比的过氧化氢溶液、天然鳞片石墨和浓硫酸以不同的加入程序 ,在不断搅拌下反应一定时间 ,然后水洗至中性，离心分离，脱水后于 60

℃真空干燥。

2、电化学法 在一种强酸电解液中处理石墨粉末以制成可膨胀石墨，水解、清洗和干燥。作为强酸主要使用硫酸或硝酸。此种方法制得的可膨胀石墨有着低硫含量。

3、超声氧化法 制备可膨胀石墨的过程中,对阳极氧化的电解液进行超声波振动 ，超声波振动的时间与阳极氧化的时间相同。

由于超声波对电解液的振动有利于阴、 阳极的极化作用 ,从而加快了阳极氧化的速度 ,缩短了氧化时间。

4、气相扩散法 将石墨和插层物分别致于一真空密封管的两端 ,在插层物端加热 ,利用两端的温差形成必要反应压差 ,使得插层物以小分子的状态进入鳞片石墨层间 ,从而制得可膨胀石墨。此种方法生产的可膨胀石墨的阶层数可控制 ,但其生产成本高。

5、熔盐法 将几种插入物与石墨混合加热复合,形成可膨胀石墨。

扩展资料：

石墨晶体具有由碳元素组成的六角网平面层状结构。层平面上的碳原子以强有力的共价键结合，而层与层间以范德华力结合，结合非常弱，而且层间距离较大。

因此，在适当的条件下，酸、碱金属、盐类等多种化学物质可插入石墨层间，并与碳原子结合形成新的化学相——石墨层间化合物(Graphite

Intercalation on Compounds,简称

GIC)。

这种层间化合物在加热到适当温度时，可瞬间迅速分解，产生大量气体，使石墨沿轴方向膨胀成蠕虫状的新物质，即膨胀石墨。这种未膨胀的石墨层间化合物就是可膨胀石墨。

参考资料：百度百科----可膨胀石墨

氧化石墨与膨胀石墨的区别：

1、氧化石墨正式名称为石墨氧化物或被称为石墨酸，是一种由物质量之比不定的碳、氢、氧元素构成的化合物。氧化石墨可以通过用强氧化剂来处理石墨来制备。所得到的的产物中，氧化程度最高的产物是一种碳、氧数量之比介于2.1到2.9之间黄色固体，并仍然保留石墨的层状结构，但结构变得更复杂。

松散的氧化石墨分散在碱性溶液中形成类似石墨烯结构的单原子厚度的片段。氧化石墨因为具有这个性质，所以具有用于工业化生产石墨烯的可能性，因此吸引了众多科学家参与研究。但直到2010年为止，这条石墨烯制备路线仍存在大量结构方面的问题。

2、膨胀石墨

作为一种新型功能性碳素材料，膨胀石墨是由天然石墨鳞片经插层、水洗、干燥、高温膨化得到的一种疏松多孔的蠕虫状物质。EG 除了具备天然石墨本身的耐冷热、耐腐蚀、自润滑等优良性能以外，还具有天然石墨所没有的柔软、压缩回弹性、吸附性、生态环境协调性、生物相容性、耐辐射性等特性。 早在19世纪60年代初，Brodie将天然石墨与硫酸和硝酸等化学试剂作用后加热，发现了膨胀石墨，然而其应用则在百年之后才开始。从此，众多国家就相继展开了膨胀石墨的研究和开发，取得了重大的科研突破。

膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150~300倍，由片状变为蠕虫状，从而结构松散，多孔而弯曲，表面积扩大、表面能提高、吸附鳞片石墨力增强，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，这样增加了它的柔软性、回弹性和可塑性。

相变材料(PCM) 具有结构简单、潜热高、成本低等优点，在被动散热领域已成为研究热点。然而，由于PCM导热性差、易泄漏、机械性能差，因此应用范围有限，特别是在电池热管理方面。本研究通过将反应物溶解于有机溶剂中，成功制备了新型柔性复合材料SBS@PA/EG，并用于电池热管理(BTM)系统。其中，丁二烯苯乙烯(SBS)为支撑材料，石蜡(PA)为相变材料，膨胀石墨(EG)作为导热增强剂。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜和热导率测量研究了复合PCM的化学性能和结构，并通过测试拉伸/弯曲强度来分析其稳定性。此外，分析了电池模块的最高温度和与充电状态的温差的关系。在5℃放电过程中，电池模块的最高温度可以维持在46℃以下，温差控制在4℃以内。因此，柔性复合SBS@PA/EG可以很好地应用于BTM系统和更广泛的热管理系统。

作者制备了不同配比的SBS@PA/EG材料，具体配比见表1。首先，将SBS颗粒在定量CCl4中溶解24 h直至获得玻璃态SBS。加热PA粒子，然后在70C的水浴温度中保持并熔化。待PA完全融化后，加入不同质量比的EG，然后用磁力搅拌器搅拌混合物。完全混合的复合PCM倒入模具中固化，使用粉碎机加工PCM模块，获得PA/EG复合PCM粉末。最后，将PA/EG复合PCM粉体添加到玻璃状SBS中并充分混合，然后压缩成模块（完整的制备流程见下方示意图）。

接下来作者采用XRD、SEM对材料进行了化学和微观结构表征。在万能试验机上对SBS@PA/EG复合材料进行拉伸强度和弯曲强度的测试。使用DSC研究复合材料的热特性。采用制备的PCM搭建了PCM BTM系统，通过对电池模组进行不同倍率的放电（1C，3C，5C），测量电池的温度。所有用的单体电池容量为16Ah（具体见表2）。每个模组由6只电池组成，组装成2*3的结构。6个模组进行串联，排列成2列*3行的结构。

下图为电池模组的结构示意图。为了清楚地反映电池的温度变化，电池模块中的6个电池各设置了两个热电偶，热电偶可以分别采集电池两侧几何中心的温度。以两者的平均温度作为电池的温度。

PA，EG，SBS和不同配比的SBS@PA/EG的XRD见下图。在19.96°的峰对应SBS。PA的XRD结果显示了19.57°和25.08°的两个尖峰。EG的XRD图谱出现26.3°的特征峰，归属于EG（002）。五种复合PCM的XRD曲线基本一致，没有多余的峰，表明材料之间没有其他的化学反应，复合材料很好地维持了材料的结构和特性。

不同质量比的SBS对复合PCM的机械特性影响见下图。更高比例的SBS能增强材料的柔韧性。2:1复合PCM的拉伸强度介于0.1至0.25MPa之间，而1:1复合PCM的拉伸强度介于0.25至0.38MPa之间.。2:1复合PCM的弯曲强度介于0.2至0.3MPa之间，而1:1复合PCM的弯曲强度介于0.5至0.75MPa之间。此外，当EG含量的增加达到一定程度后，材料的机械性能有下降的趋势。结果表明，在复合材料中加入4%的EG是提高材料力学性能的最佳浓度。从下图可以更直观地观察到不同样品承受外力的能力。

纯PA在外力作用下具有较强的刚性和脆性。当PA/EG被添加到SBS中，施加一定的外力时，1:1复合PCM可以以一定角度弯曲。与1:1复合相变材料相比，当受到外力时，2:1复合相变材料更易弯曲，弯曲180没有骨折，并显示出优越的软性和柔性，产生很大程度的弯曲变形。从以上分析可以得出SBS是提高复合PCM的柔软度和柔韧性的主要因素，这与复合PCM抗拉强度和抗弯强度结果一致。

不同温度下复合材料在外力作用下的沉降程度见下图。随着温度的升高，PA开始熔化进入SBS内部，复合材料的刚性开始降低。然而，在50C(电池表面的共同工作温度)下，1:1复合材料仍然可以起到良好的弹性体作用，保护电池免受外部冲击。在PA粉熔融之前，SBS@PA/EG样品呈现一定程度的刚度。当温度达到PA的熔化温度时，可以观察到SBS的柔性。SBS在保持试样形状和结构稳定方面起着重要作用。

为了进一步分析复合材料SBS@PA/EG力学性能的变化，采用SEM表征了PA、纯SBS、 EG、 PA/EG和SBS@PA/EG的1:1复合材料的微观结构。可以观察到，SBS的结构紧凑，具有良好的块式结构，这使得它具有一定的韧性，在弯曲时不易折断。EG能很好吸收PA，减少了熔化过程中的泄漏。与此同时，因为材料本身的空隙很小，可以紧密覆盖PCM粉末。将PA/EG粉添加到SBS中，得到的复合材料PCM呈条块结构。这是因为在PCM粉末的制备过程中，当进行SBS涂层时，其中一些物质在搅拌过程中容易聚集。然而，复合PCM仍然保持较高的密度，归因于它良好的拉伸和弯曲性能。

随后作者研究了材料在55℃下连续加热的质量变化。未经处理的PA块体产生大量泄漏，可在25分钟内完全熔化成液体。1∶1的复合材料SBS@PA/EG，溶化PA略有渗出，但样品的形状完好无损。与未经处理的PA块相比，复合材料SBS@PA/EG的形状相对稳定并慢慢地渗透到外表面；这种渗透的原因是即使在温度达到熔点之后，SBS包围了PA/EG，限制PA的自由流动。随着SBS浓度的增加，PA/EG也开始更积极地阻止PA的泄漏；因此，2:1合成的复合SBS@PA/EG几乎不存在PA泄漏。

样品的质量保持率随加热时间的变化如下图所示，包括1:1和2:1组合SBS@PA/EGs。连续加热5 h，所有样品的质量保持率均在99%以上。随着SBS质量分数的增加，PA/EG粉末涂层的覆盖率增加，涂层致密化程度提高；因此，2:1复合材料SBS@PA/EG的质量保持率高于1:1复合材料。同时，考虑到EG的多孔结构和对PA的吸附效率增加，随着EG含量的增加，PA的质量泄漏减弱。此外，通过分析SBS的重要作用，可以形成致密的SBS。因此，它在很大程度上影响了复合相变材料的泄漏。

EG可以提高样品的导热系数。不同EG质量分数的SBS@PA/EG复合材料的导热系数如下图所示。随着EG质量的增加，复合相变材料的导热系数以指数的方式增大。

熔融焓(△H)和熔峰温度(Tp)是评价PCM的重要指标。复合材料SBS@PA/EG的DSC升温曲线如下图所示。1:1 SBS@PA/EG和2:1组合SBS@PA/EG的焓值分别为79.8和44.9 J/g，前者几乎是后者的两倍。EG本身对PCM的焓值几乎没有影响。只有当EG的质量分数增加，PA减小时，焓值才会发生变化。因此，1∶1的组合SBS@PA/EG与4% EG是理想的热管理应用的备选，它不仅提供了一个具有相当的焓值，同时也提高了灵活性，以及适当的SBS和EG含量时的热性能。因为PA的过冷度相对较小，复合材料在凝固过程中PA能稳定结晶。此外，复合材料1:1 SBS@PA/EG的热循环性能比SBS含量增加到2:1时更加稳定。

最高温度(Tmax)与最低温度(Tmin)和电池模块的荷电状态(SOC)的关系见下图。从1C的温度曲线可知，电池模组的最高温度仅为34.5℃，表明没有达到PA的熔点。SBS@PA/EG(4%)的Tmin增加至33.8℃，高于没有辅助的电池模组温度（33.2℃）。当放电倍率增加时，电池的最大温度快速增加，放电过程中容量的下降变陡。在3C放电速率时，电池模块在无辅助情况下的最大温度达到43C，电池模块温升超过10C，严重损坏电池。然而，采用SBS@PA/EG复合材料作为热管理系统的电池模块，最大温度刚好为40C，有效地控制了电池的最高温度。

通过比较电池模组的最大温度差异（△T），综合分析了复合SBS@PA/EG施加至BTM系统所带来的影响。随着放电倍率增加，电池模组的△T快速增加。结果表明，SBS具有较大的弹性网络，有利于保持复合PCM的形状，EG具有较高的导热系数，有利于保持复合PCM的均匀温度。

下图为在5℃放电速率下，模块中间电池在10次充放电循环中的温度曲线。在充放电循环过程中，在没有辅助冷却系统的电池模块中热积累更明显，第三个循环之后模块的最高温度明显超过了54C。添加SBS@PA/EG的电池模块，第三个循环后温度可以稳定在51C。主要原因是SBS@PA/EG复合材料对于电池模块可以提供稳定的潜热和高导热性来控制温度，从而保证了电池模块在高速率下获得稳定的吸热和放热过程。

考虑到电池模块的散热还有温差的变化，可以观察到在没有冷却辅助时，电池产生的热量被释放并转移到周围，由于电池模块之间的散热间隙相对较小，热量不可避免地发生聚集，所以模块内的中间电池会同时受到自身产热和外部传热的影响，导致电池温度急剧上升，导致温差较大。PA可以吸收一些电池释放的热量，让电池及时冷却。而导热系数较低的PA具有较好的热稳定性，限制了热管理的效果。更重要的是，当电池模块添加了复合SBS@PA/EG时，具有良好导热网络的EG和支撑复合材料结构稳定性的SBS能发挥与PA的协同作用，起到及时吸收和散热的作用。复合材料SBS@PA/EG能有效控制温升和平衡温度的差异。因此，采用SBS@PA/EG复合材料的电池模块，可达到理想的热管理效果。

参考文献：Thermal management of Lithium-ion battery pack through the application of flexible form-stable composite phase change materials；Applied Thermal Engineering 183 (2021) 116151；Qiqiu Huang, Xinxi Li, Guoqing Zhang, Jian Deng, Changhong Wang.

来源：新能源Leader，作者：逐日

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