[發(fā)明專利]高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏及其制備方法

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• 申請日: 2017-11-13
• 公開（公告）號: CN107819128A
• 公開（公告）日: 2018-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 白丹丹;閆新華;李松林;楊前進(jìn)
• 申請（專利權(quán)）人: 河南超威電源有限公司
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62
• 代理公司: 鄭州大通專利商標(biāo)代理有限公司41111
• 代理人: 陳勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏及其制備方法。

技術(shù)背景

鉛-炭電池作為新一代的鉛蓄電池，在保持傳統(tǒng)蓄電池安全可靠、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、回收利用率高和生產(chǎn)技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上，通過在負(fù)極添加不同數(shù)量、不同品種的碳材料來抑制硫酸鹽積聚，進(jìn)而提高蓄電池在高倍率部分電荷(HRPSoC)工況下的使用壽命。然而，由于活性炭材料密度低、顆粒極細(xì)，不易在負(fù)極活性物質(zhì)中均勻分散，呈現(xiàn)一定的團(tuán)聚狀，由此給電池帶來的負(fù)面效應(yīng)無法避免；而且，在深循環(huán)條件下，用作動力電池的鉛-炭電池的使用壽命并不令人滿意。

為了上述問題，國內(nèi)外研究者已從多個(gè)角度對碳材料的作用機(jī)制進(jìn)行了研究。早期主要將電導(dǎo)率較高的石墨、乙炔黑加入到鉛負(fù)極板，主要是通過構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)來有效的阻止硫酸鉛晶體的長大；中期時(shí)則是將高比表面的活性炭材料應(yīng)用于鉛負(fù)極板，由于活性炭具有雙層電容的儲能性能，添加后不僅有助于改善電極的導(dǎo)電性，而且炭材料的高比表面特性在高功率充放電和脈沖放電時(shí)提供雙電層電容，減弱大電流對電極材料的沖擊，可大大提高電池在高倍率充放電下的性能及循環(huán)壽命；最近的研究認(rèn)為多孔碳材料的添加能夠改善負(fù)極板的孔洞結(jié)構(gòu)，從而加快電化學(xué)反應(yīng)動力。多孔碳材料可以增加活性物質(zhì)的比表面積，充分改善極板的孔洞結(jié)構(gòu)，更利于硫酸電解液在負(fù)極板中的儲存，使之不徘徊在極板表面，從而為電極反應(yīng)提供足夠的SO₄^2-。

鉛-炭電池負(fù)極中添加碳材料主要是以其構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、雙電層電容儲能、組個(gè)硫酸鉛晶體、補(bǔ)給電解質(zhì)、增強(qiáng)離子遷移及增多反應(yīng)活性點(diǎn)與成核點(diǎn)等機(jī)制以提高HRPSoC工況下電池的循環(huán)壽命。

高比表面積的納米球碳材料加入鉛酸負(fù)極鉛膏中，在負(fù)極活性物質(zhì)(NAM)中形成一個(gè)額外的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，加速了電子在活性物質(zhì)中的傳遞，這一作用促進(jìn)了充電過程中較大硫酸鉛晶體的溶解，大大改善了負(fù)極的充電效率。納米球碳材料改善了負(fù)極活性物質(zhì)(NAM)中的孔結(jié)構(gòu)，在一定程度上降低了孔徑，納米球碳材料的存在占據(jù)了硫酸鉛晶體生長的空間，阻礙了放電過程中硫酸鉛晶體的生長，維持了溶解度高的小晶體硫酸鉛；同時(shí)，納米球碳材料的加入提高了負(fù)極活性物質(zhì)中的空隙率，加上納米球碳材料本身的吸附性，電解液可以順暢的進(jìn)入負(fù)極活性物質(zhì)內(nèi)部，因此電化學(xué)反應(yīng)不僅在表面發(fā)生，也可以在內(nèi)部發(fā)生，提高了充放電效率。

在鉛負(fù)極充電反應(yīng)中，納米球碳材料具有高度的催化作用，并通過改變電位勢壘的方式參與其中，改善了電極反應(yīng)可逆性，鉛負(fù)極的充電過程同時(shí)在鉛和納米球碳材料的表面進(jìn)行，在納米球碳材料的作用下，Pb²⁺→Pb的反應(yīng)電位下降了300～400mV，這進(jìn)一步促進(jìn)了鉛沉積的進(jìn)行，加快了硫酸鉛晶體的溶解速度，宏觀上體現(xiàn)為蓄電池的充電接受能力和充電效率大幅度提高。

發(fā)明內(nèi)容

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏及其制備方法，本發(fā)明所述的高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏明顯提高了目前所用的鉛酸蓄電池的充電接受能力及電池循環(huán)壽命。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的

一種高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏，該鉛膏由以下用量的原料制備而成：氧化鉛500g，高比表面積納米球碳材料1～2.5g，硫酸40～43g，去離子水54～64g，硫酸鋇4.2～5.5g，木素1～2g，SiO₂ 5.5～7g，腐殖酸1.0～1.5g，短碳纖維0.2～0.6g。

所述的高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏，由以下用量的原料制備而成：氧化鉛500g，高比表面積納米球碳材料1～2.5g，硫酸43g，去離子水54～64g，硫酸鋇4.7g，木素1.2g，SiO₂ 6g，腐殖酸1.2g，短碳纖維0.3g。

所述的高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏，所述氧化鉛的氧化度為76％、平均粒徑為5～7μm。

所述的高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏，所述高比表面積納米球碳材料的粒徑小于800nm，比表面為1200～2000m²/g。(即每個(gè)碳納米球的粒徑小于800nm、比表面積為1200～2000m²/g)。

所述的高比表面積納米球碳材料鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏，所述硫酸的密度為1.4g/cm³。