[發明專利]一種鉛炭復合材料、其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810644368.X
• 申請日: 2018-06-21
• 公開（公告）號: CN108899492B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 楊家寬;王俊雄;胡雨辰;喻文昊;李名揚;陳燁;張培源;梁莎;肖可可;侯慧杰;劉冰川;胡敬平
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/56;H01M4/583;H01M10/06
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青;李智

本發明屬于化學電源領域，更具體地，涉及一種鉛炭復合材料、其制備方法和應用。以固態鉛鹽、固態強堿以及炭材料作為原料，利用機械化學方法，使所述原料在機械力的作用下發生化學反應，生成鉛炭復合材料。本發明提供的機械化學合成方法得到的鉛炭復合材料，顯著增強了產物的電化學活性以及氧化鉛與炭材料的結合強度，克服了鉛炭電池中炭材料由于密度差異易與活性物質分離的問題，使電池的初始容量提升1.3倍，HRPSoC(高倍率部分荷電狀態)循環壽命提升3倍以上，對于鉛炭電池性能的提升具有重要意義。

技術領域

本發明屬于化學電源領域，更具體地，涉及一種鉛炭復合材料、其制備方法和應用。

背景技術

鉛酸蓄電池是一種歷史悠久的二次電源，由于其性能穩定、價格低廉、回收體系完整等優勢，一直在二次電源市場中占據著主導地位。傳統的鉛酸蓄電池用途十分廣泛，包括汽車起停電池、動力電池、UPS等。隨著汽車工業的發展，混合動力汽車成為新的發展趨勢，在此應用場景中，電池需要經受高倍率部分荷電狀態，這對傳統的二次電池提出了新的挑戰。鉛炭電池是鉛酸蓄電池的創新技術，由于負極中炭材料的引入，提供了一定的電容特性，同時帶來了大量的電子轉移通道，抑制了負極板的不可逆硫酸鹽化，從而顯著提升電池在部分荷電狀態下的大電流放電能力以及循環壽命，在混合動力汽車以及其它間歇式儲能領域展現出極大的發展潛力。

目前商業化的鉛炭電池中，炭材料加入方式多為直接向鉛粉中加入(如專利CN.201210371066.2中直接加入活性炭，專利CN.201510484014.X中直接加入絮狀碳材料)，然后通過攪拌直接混合。由于炭材料與鉛粉在密度、吸水性等性質上的巨大差異，二者極難均勻混合。同時必須指出，混合后的鉛粉與炭材料，在電池制作過程中，必須在水與電解液硫酸中攪拌，如若鉛粉與炭材料結合不緊密，由于密度差異，炭材料將會輕易的析出到電解液或者隔板間隙中，從而無法發揮其特性，進而影響電池性能。

現有的復合材料，大多基于炭材料的吸附特性，通過吸附、碳化(活化)或二者的結合制得。專利CN.201610370183.5將炭材料置于鉛鹽溶液中，吸附一段時間后，高溫碳化得到氧化鉛與炭的復合物。該類方法實質上是首先通過物理吸附使鉛與炭材料復合，然后經過化學活化或碳化的兩步過程，過程較為復雜且成本較高。由于吸附特性的差異，其中炭的質量分數難以精確調控。所合成的復合材料，仍作為添加劑加入鉛粉中，需要二次混合，并未實質上解決炭材料在鉛粉中分布不均的問題。其他的技術手段，專利CN.201010608794.1采用電沉積技術，需首先將碳材料涂覆在電極上，然后通過電沉積方法將鉛沉積到炭材料上；CN.201210493085.2采用霧化噴涂技術則需先將炭材料制成溶膠，然后經過造粒，碳化，鍍鉛等工序，制備鉛炭復合材料。綜上所述，現有這些技術具有較好的可行性，但也存在著一些共性問題：現有的碳材料或復合材料均是作為添加劑加入活性物質中，仍需經過混合后才能制得鉛膏，其均勻性難以保證；基于吸附或是其他方法的過程，由于碳源本身的性質差異，最終產物中的碳的含量難以控制；上述方法普遍流程較長，過程復雜，成本較高。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種鉛炭復合材料、其制備方法和應用，其目的在于通過采用機械化學方法，使固態鉛鹽、強堿和炭材料同時發生化學反應和機械活化，制得鉛炭復合材料，并將其用作鉛炭電池的負極材料，由此解決目前鉛炭電池負極中，單獨添加炭材料時，其容易與鉛分離；而無論是添加炭材料還是鉛炭復合材料，普通的攪拌均無法使炭材料均勻分布；且現有的復合材料制備流程往往需要多步物理、化學反應步驟結合導致成本增加的技術問題。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種鉛炭復合材料的制備方法，以固態鉛鹽、固態強堿以及炭材料作為原料，利用機械化學方法，使所述原料在機械力的作用下發生化學反應，生成鉛炭復合材料。

優選地，所述機械化學方法為通過高能球磨作用使不同元素或其化合物相互作用，形成超細粉體的方法。