攀枝花学院第三届材料工程设计大赛参赛

1、LOGO亮亮剑队剑队攀枝花学院第三届材料工程设计大赛参赛作品年产年产50000m石墨烯薄膜石墨烯薄膜&10万只石墨烯超级电容器万只石墨烯超级电容器联合工厂联合工厂亮剑目录目录一、项目一、项目概况概况四、四、车间部分设备及布置车间部分设备及布置二、产品简介二、产品简介三、生产工艺三、生产工艺五、五、经济效益分析经济效益分析六六、厂区示意图、厂区示意图亮剑一、项目一、项目概况概况v 本项目为设计一座生产石墨烯暨石墨烯超级电本项目为设计一座生产石墨烯暨石墨烯超级电容的联合型工厂。年产量容的联合型工厂。年产量石墨烯薄膜石墨烯薄膜50000m及及石墨烯超级电容器年产石墨烯超级电容器年产10万只万

2、只。石墨烯既可。石墨烯既可用于自身生产超级电容器，大大降低生产成本，用于自身生产超级电容器，大大降低生产成本，也可外销。也可外销。v 项目总投资：项目总投资：33971.25万元万元二、石墨烯二、石墨烯&石墨烯超级电容产品简介石墨烯超级电容产品简介石墨石墨烯简介：烯简介： 石墨烯是一种由碳原子石墨烯是一种由碳原子SP2杂杂化连接形成的单原子层二维晶体，化连接形成的单原子层二维晶体，其其厚度为厚度为0.335nm，碳原子规整的，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。排列于蜂窝状点阵结构单元之中。 电子显微镜下观测的石墨烯电子显微镜下观测的石墨烯片，片，其碳原子间距仅其碳原子间距仅0.

3、142纳米。纳米。石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之石墨烯中的电子不仅与蜂巢晶格之间相互作用强烈，而且电子与电子间相互作用强烈，而且电子与电子之间也有很强的相互作用。之间也有很强的相互作用。最轻最薄最轻最薄载流子迁移率最高载流子迁移率最高电阻率最低电阻率最低强度最大最坚硬强度最大最坚硬导热率最高导热率最高厚厚0.335nm，比表面积为，比表面积为2630m2/g室温下为室温下为20万万cm2/Vs（硅的（硅的100倍）倍）约为约为10-6cm（比铜和银更低）（比铜和银更低）破坏强度：破坏强度：42N/m（结构钢的（结构钢的200倍）倍）3000-5000w/mk（硅的（硅的50倍）倍）石墨石墨烯应

4、用烯应用1.2代替硅生产超级计代替硅生产超级计算机算机3新一代太阳能电池新一代太阳能电池超级电容超级电容4锂电池锂电池薄膜晶体管薄膜晶体管5.6柔性触控柔性触控超级电容器简介：超级电容器简介：超级电容器是介于传统电容器和二次超级电容器是介于传统电容器和二次电池之间的一种化学储能装置。电池之间的一种化学储能装置。具有充放电时间段、使用寿命长、具有充放电时间段、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。特点。根据储能机理不同，可分为双层超级根据储能机理不同，可分为双层超级电容器、赝电容器超级电容器和非对电容器、赝电容器超级电容器和非对称超级电容器。称超级电容

5、器。超级电容器结构组成超级电容器结构组成超级电容器超级电容器电极（活性炭、石墨烯薄膜）集流体（泡沫镍）电解液（KOH）隔膜（PEFT）超级超级电容器组装结构简图电容器组装结构简图1为负极壳，为负极壳，2为不锈钢弹片，为不锈钢弹片，3为不锈钢垫片，为不锈钢垫片，4、6为电极片，为电极片，5为隔膜，为隔膜，7为正极壳。为正极壳。石墨石墨烯超级电容器的应用烯超级电容器的应用辅助电源辅助电源智能表智能表三、生产工艺三、生产工艺化学气象沉积法（化学气象沉积法（CVD法）法）原原理理将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属表面，加热使碳氢气体将碳氢气体吸附于具有催化活性的非金属表面，加热使碳氢气体脱氢在衬底表

6、面形成石墨脱氢在衬底表面形成石墨烯烯。即即利用金属利用金属-碳固溶体或碳化物中的过饱和碳沿晶体台阶析出特碳固溶体或碳化物中的过饱和碳沿晶体台阶析出特定晶面上形成石墨烯。定晶面上形成石墨烯。碳源碳源甲烷（甲烷（CH4）生长基体生长基体铜箔铜箔生长条件生长条件气压气压载气载气温度温度工艺流程工艺流程催化剂的制备催化剂的制备将衬底依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烤干、然后将衬底依次用去离子水、乙醇、丙酮超声清洗后烘箱烤干、然后通过化学气相沉积、真空热蒸镀、磁控溅射、通过化学气相沉积、真空热蒸镀、磁控溅射、等离子体等离子体增强化学增强化学气相沉积或印刷等沉积技术在衬底表面沉积一层金属或金属化合

7、气相沉积或印刷等沉积技术在衬底表面沉积一层金属或金属化合物材料，物材料，以铜作为催化剂。以铜作为催化剂。气相沉积装置气相沉积装置1为管式炉，为管式炉，2为石英管，为石英管，3为衬底，为衬底，4为甲烷，为甲烷，5为三通阀为三通阀反应反应装置的主体部分为电阻炉，以长度为装置的主体部分为电阻炉，以长度为1.5m，内径为，内径为35mm的石英管的石英管为反应室，反应溶液在精密流量泵的带动下通过细管输入反应室。为反应室，反应溶液在精密流量泵的带动下通过细管输入反应室。其步骤为：其步骤为：将沉积有催化剂的衬底置于洁净的石英管中的中部，将石英管放入电炉中，将沉积有催化剂的衬底置于洁净的石英管中的中部，将石英

8、管放入电炉中，使石英管的中部位于电炉的中心区域，在石英管中通入使石英管的中部位于电炉的中心区域，在石英管中通入102000sccm非非氧化性气体氢，氧化性气体氢，11000分钟后开始加热。分钟后开始加热。高温预处理高温预处理1、保持氩气流量、保持氩气流量100sccm不变，将铜箔加热到不变，将铜箔加热到1000摄氏度。摄氏度。2、保持氩气流量、保持氩气流量100sccm不变，分别保温不变，分别保温0h,0.5h,1h,1.5h,2h.3、保持氩气流量、保持氩气流量100sccm不变，采用快速冷却和随炉冷却两种不变，采用快速冷却和随炉冷却两种方式冷却到室温。方式冷却到室温。渗碳及冷却渗碳及冷却渗

9、碳：渗碳：当当电炉中心区域电炉中心区域温度达到温度达到5001200摄氏度时摄氏度时，在非氧化气体，在非氧化气体中通入含碳物质中通入含碳物质甲烷作为碳源甲烷作为碳源，反应开始进行，反应开始进行，碳源在高温反碳源在高温反应区分解出碳原子，碳在应区分解出碳原子，碳在Cu基表面沉积并逐渐生长成连续的基表面沉积并逐渐生长成连续的石墨烯石墨烯薄膜薄膜冷却：冷却：反应进行反应进行100分钟后，停止通入含碳化合物甲烷，同时关闭电分钟后，停止通入含碳化合物甲烷，同时关闭电炉，继续通入非氧化气体氩气致冷到室温，冷却速度为炉，继续通入非氧化气体氩气致冷到室温，冷却速度为1020摄氏度每秒。摄氏度每秒。CVD石墨烯

10、薄膜转移步骤石墨烯薄膜转移步骤采用采用 PMMA 辅助法转移石墨烯的一般步骤如图所示：辅助法转移石墨烯的一般步骤如图所示：1）在生长有石墨烯的铜箔上旋涂一层在生长有石墨烯的铜箔上旋涂一层 PMMA（溶剂为氯苯，浓度（溶剂为氯苯，浓度 40mg/ml），转速），转速 2000 rpm，时间，时间 60 秒，之后秒，之后1801分钟烘干固化；分钟烘干固化；2）将所得）将所得 PMMA/石墨烯石墨烯/铜衬底置于铜刻蚀液（铜衬底置于铜刻蚀液（1M 硝酸铁水溶液）中，数硝酸铁水溶液）中，数小时后，铜衬底被完全刻蚀掉；小时后，铜衬底被完全刻蚀掉；3）将将 PMMA/石墨烯从铜刻蚀液中捞起，石墨烯从铜刻蚀液

11、中捞起，置于去离子水中漂洗，重复多次；置于去离子水中漂洗，重复多次；4）用目标衬底将用目标衬底将 PMMA/石墨烯从去离子水中捞起石墨烯从去离子水中捞起，室温中自然晾干，随，室温中自然晾干，随后置于热板上后置于热板上 70 ，30 分钟，以保证水分完全蒸发并使石墨烯和衬底充分钟，以保证水分完全蒸发并使石墨烯和衬底充分接触；分接触； 5）将将 PMMA/石墨烯石墨烯/目标衬底置于丙酮溶液中浸泡目标衬底置于丙酮溶液中浸泡 10 小时以上，小时以上，随后随后置置换丙酮换丙酮 3 次，至次，至 PMMA 被最大程度去除，即可得目标衬底上的石墨被最大程度去除，即可得目标衬底上的石墨烯烯石墨烯超级石墨烯超

12、级电容器工艺流程电容器工艺流程制电极制电极注液注液组装组装活化活化 包装入库包装入库检测检测制电极制电极v 首先，将电极主材料活性炭和石墨烯于研钵中，过180目筛，按活性炭/石墨烯的质量比8:1的比例机械研磨，使其均匀混合。v 其次，在超声清洗机超声分散及电磁辅助搅拌作用下，将PTFE粘结剂的分散液加入上面干粉混合物中，使其物料混合均匀，乳化成浆。v 最后，将制备得到的浆料均匀涂覆在一定直径的泡沫镍集流体上，真空120干燥制成后，在双辊压片机上20MPA压力下压片成型。制成厚度为0.3mm，质量为1.5g的圆形电极片，单电极质量约为0.04g，烘干后8MPa压力下压成相同大小的圆形泡沫镍集流体

13、上。组装及注液组装及注液v 将压制后的电极片放入120的真空干燥箱烘干2h，以聚丙烯薄膜作为隔膜并在60真空烘干，然后将电极片、正极壳、负极壳、垫片、弹片在120真空烘干，在充满高纯氩气，且水分和氧气需要0.1ppm以下的真空手套箱中组装成扣式电容器。v 其步骤为：v 首先，按照顺序将叠片组装成电芯；v 其次，将未喷涂金属一面与隔膜接触，再用电池壳体密封电芯；v 最后，往设置在电池壳体上的注液口往电池壳体里注电解液，用封口机密封注液口。1为负极壳，为负极壳，2为不锈钢弹片，为不锈钢弹片，3为不锈钢垫片，为不锈钢垫片，4、6为电极片，为电极片，5为隔膜，为隔膜，7为正极壳。为正极壳。超级电容器组装结构简图超级电容器组装结构简图活化及检查活化及检查四、车间部分设备图及布置四、车间部分设备图及布置CVD化学气象沉积炉化学气象沉积炉石墨烯石墨烯CVD生产示意图生产示意图混料机集料斗混料机集料斗混料机进料口混料机进料口真空干燥箱真空干燥箱五、经济效益分析五、经济效益分析本项目总投资为本项目总投资为33971.25万元，其中建筑万元，其中建筑工程投资工程投资12271.25万元，设备及安装工程万元，设备