[發明專利]一種納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料的制備方法及應用

在審

• 申請號: 201811630302.1
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109698343A
• 公開（公告）日: 2019-04-30
• 發明（設計）人: 彭怡婷;劉昌;劉學鈞
• 申請（專利權）人: 南通沃德材料科技有限公司
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/38;H01M4/57;H01M10/06;H01M10/12
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本發明公開了一種納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料的制備方法及應用，屬于鉛酸電池技術領域。所述的制備方法包括：(1)將多級孔結構碳材料浸泡于NaOH或KOH水溶液中，過濾、洗滌至中性后烘干得到粉末，再在惰性氣氛下燒結，得到具有官能團修飾的多級孔結構碳；(2)將具有官能團修飾的多級孔結構碳置于空氣氣氛下煅燒制得表面修飾的多級孔結構碳；(3)將表面修飾的多級孔結構碳浸沒于硝酸鉛溶液中，再滴加硫酸溶液，收集沉淀，清洗，干燥后制得所述的納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料。本發明提供的復合材料應用于鉛酸電池的負極中，具有更高能量密度，且在部分荷電態條件下具有超長的循環壽命，真正實現儲能應用領域的要求和收益。

技術領域

本發明涉及鉛酸電池技術領域，具體涉及一種納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料的制備方法及應用。

背景技術

隨著新型儲能技術的快速發展，對穩定可再生能源儲能、消納的需求日益迫切。目前，電網中應用的儲能蓄電池主要有鉛碳電池、鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。這些技術中，鋰離子電池和鉛碳電池是目前最成熟的儲能電池技術，但前者使用稀缺金屬鋰和較為苛刻的生產過程導致其成本較高，并且磷酸鐵鋰、三元正極材料等核心專利均為國外擁有，缺少中國自身研發的核心技術。更為重要的是，由于使用基于有機溶劑的電解液，鋰離子電池的安全性和成組一致性較差，不適合大規模在儲能領域推廣。基于水系電解液的鉛碳因其具備的特殊優勢(例如，低成本、高安全性和回收工藝成熟等)，在發生事故和誤操作時依然安全，可以完全立足于現代化工業領域內并具有巨大的潛在應用前景。

鉛碳電池利用碳材料作為負極添加劑，在高倍率部分荷電狀態條件下能夠擁有超長循環壽命，這對電網規模能源儲存和可再生綠色能源方面的應用是必要的。然而碳材料的開發利用方面還有待進一步的研究，由于單一碳材料性質相差較大，如比表面積、電導率、表面官能團種類、豐度以及嵌入化學性質均有較大不同，因此不同碳材料做負極添加劑的效果迥異，這說明電導率的提高并不是電池性能提高的唯一原因。另外，由于鉛酸電池電位范圍較寬，電極內高比表面碳材料可能會發生副反應，生成二氧化碳、一氧化碳等產物并消耗大量電解液中的水，導致電池性能下降。此外，碳材料的高成本、碳源的選擇(乙炔黑、石墨、活性炭及兩者混合)、純度及制備工藝復雜等材料問題均導致超級電池無法突破化成困難、自放電嚴重、水損耗以及碳含量低(<2wt.%)等瓶頸，將會限制鉛碳電池的未來應用。

申請號為201710035287.5的專利文獻公開了一種多孔級結構導電碳材料，該材料具有開放孔道和有序介觀結構，介孔隧道的孔徑范圍為6~8nm，無序大孔的孔徑為70~100nm。該發明通過設計適宜的多孔結構提供大量的反應活性接觸面積，可在顯著提高活性物質載量的條件下，依然保證電子/離子快速暢通傳輸，最大程度降低濃差極化。

目前，已有研究者報道了將鉛電沉積與活性碳表面的復合材料，并將其應用于鉛碳電池，證明這種復合材料能夠有效抑制析氫，增加電流分布方向，從而增強Pb/PbSO₄的可逆反應。但隨著循環的次數的增加，仍舊有一些鉛顆粒沉積在外表面生長形成不可逆的硫酸鹽化，這會影響鉛碳電池性能的進一步提升。目前采用的活性碳盡管具有高比表面積，但大多為微孔構成(>2000m²?g^-1)無法適應Pb²⁺擴散傳輸，并且孔道結構扭曲，增加鉛離子在傳輸過程中的難度，并不能很好的實現鉛的可逆反應，無法進一步延長鉛碳電池的壽命。

發明內容

本發明的目的在于提供一種納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料，將其應用于鉛酸電池的負極板中，以解決現有技術中鉛酸電池可逆性差、容量低及水損耗等技術問題。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種納米鉛沉積多級孔結構碳復合材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將多級孔結構碳材料浸泡于NaOH或KOH水溶液中，過濾、洗滌至中性后烘干得到粉末，再在惰性氣氛下燒結，得到具有官能團修飾的多級孔結構碳；