[發明專利]基于高強度氧化石墨烯凝膠的鉛炭電池負極材料的制備方法

有效

• 申請號: 201310462380.6
• 申請日: 2013-09-30
• 公開（公告）號: CN103456931A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 陳春年;付緒望;于辰偉
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: H01M4/38
• 分類號: H01M4/38
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 何梅生

技術領域

本發明涉及一種高強度氧化石墨烯凝膠鉛炭電池負極材料的制備方法

背景技術

石墨烯是碳原子以sp²雜化體系緊密堆積而成的蜂窩狀二維晶格結構碳納米材料，具有良好的電學、力學和熱學性質，是極具潛力的儲能材料。氧化石墨烯作為石墨烯的重要衍生物，其結構和性質與石墨烯基本相同。由于在氧化石墨烯表面具有含氧官能團，使氧化石墨烯還具有一些其他的獨特性質。氧化石墨烯(Graphene?Oxide)具有準二維空間結構，層內是由較強的共價鍵結合，層間則是以含氧官能團比如羥基（hydroxyl）、羰基（carbonyl）和羧基（carboxyl?Groups）之間的氫鍵結合。這些官能團使氧化石墨烯可在水溶液中發生水合作用，同時其碳層內部會發生溶脹或層離，具有親水特性和優異的插層性能并且這些官能團使得以氧化石墨烯為基的復合物很容易在水溶液中形成，所以可以用其制備水凝膠。

鉛酸電池由于質量比能量低（35～40Wh/kg）、體積大、使用壽命短（300～800次）、快速充電困難等缺點極大的限制了其應用。鉛炭電極是指在傳統鉛酸電池負極中摻入高比表面積的炭材料，例如活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠或碳納米管等。具有高比表面積的炭材料在電池充放電和脈沖放電時可以提供雙電層電容，減小負極板受到的損害和提高電池放電的比功率；同時高功率充放電下，炭材料的大孔隙率加強了電解液離子在活性物質內部的快速遷移；高比表面積炭材料的高導電性和分散性也起到了提高鉛酸電池負極板中活性物質的利用率的作用，并且有效抑制了負極板中硫酸鉛晶體的長大和失活。現在高碳鉛酸電池，炭材料添加量為4%以上，對于普通的鉛酸電池，炭材料的添加量為0.2%以下，由于不同種類的炭材料性質相差較大，如比表面積、孔隙率、電導率、表面官能團種類、豐度以及嵌入化學性質等均有較大的不同，因此不同炭材料做負極添加劑的效果迥異，且最佳的炭材料添加量也難于確定；鉛粉和碳材料以何種方式加入才能使碳材料與鉛粉均勻混合，且能夠保證負極鉛-碳混合材料涂膏的穩固性、極板和鉛膏的結合能力，達到保證負極板的強度要求，還要繼續改進；炭材料和鉛粉密度相差非常大，添加后負極板的孔隙率大幅度上升，負極易被氧化。

發明內容

為解決現有技術所存在的不足之處，本發明提供一種基于高強度氧化石墨烯凝膠的鉛炭電池負極材料的制備方法，以期可以有效提高鉛炭電池的活性物質的利用率和電池大電流充放電的忍受能力，使鉛碳電池具有超級電容的效果。

本發明解決技術問題采用如下技術方案：

本發明基于高強度氧化石墨烯凝膠的鉛炭電池負極材料的制備方法，其特點在于按如下步驟進行：

a、制備氧化石墨烯

a1、在盛有46.0ml質量濃度為98%的硫酸溶液的反應器中加入2.00g石墨后，將反應器置于冰水浴中，攪拌反應器內物質30分鐘，然后再向反應器中加入6.00g高錳酸鉀，繼續攪拌1小時；

a2、將完成步驟a1的反應器移入溫度為40℃的恒溫水浴鍋中，攪拌30分鐘；

a3、將完成步驟a2的反應器移入冰水浴中，向反應器內加去離子水至反應器內溶液體積為300～400ml，然后再逐滴加入20ml濃度為30%的過氧化氫，得亮黃色液體；

a4、將亮黃色液體靜置，使反應器中固體沉淀，吸除反應器上層溶液，再加入去離子水；

a5、重復步驟a4至反應器中液體呈黑色，即得分散有氧化石墨烯的液體；

b、制備高強度氧化石墨烯凝膠

b1、取步驟a制得的分散有氧化石墨烯的液體加入離心管，然后向離心管中加入去離子水，離心至分層，倒除上層液體，剩余下層固液混合物；

b2、向完成步驟b1的離心管中再加入去離子水，再次離心至分層，倒除上層液體；重復多次至離心管中固液混合物為中性；

b3、取步驟b2制得的固液混合物10ml加入燒杯中，再加去離子水至20ml，超聲30分鐘使氧化石墨烯充分分散，得淡黃色液體，取淡黃色液體8ml置于小瓶中，再往小瓶中加入0.03g乙二胺，然后將小瓶放入水熱反應釜中，在95℃的條件下反應24小時，得氧化石墨烯凝膠與液體的分離結構，將液體倒出；

b4、向完成步驟b1的小瓶中加入溶有0.03g的乙二胺的8ml蒸餾水，然后放入水熱反應釜中在95℃下反應12小時，得高強度氧化石墨烯凝膠與液體的分離結構，將液體倒出，即得高強度氧化石墨烯凝膠；

c、制備高強度氧化石墨烯凝膠鉛炭電池負極材料