[發明專利]單分散原子簇-活性炭復合材料及其在鉛炭電池中應用

有效

• 申請號: 202010692329.4
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN113948700B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 席耀寧;李先鋒;閻景旺;張華民
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/62
• 分類號: H01M4/62;H01M4/583;H01M4/20;H01M10/06;C01B32/354
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及鉛炭電池，具體為一種單分散原子簇?活性炭復合材料，可采用如下方法制備獲得：1)配制A液：將兩種或三種以上高析氫過電位元素的可溶性鹽和高分子聚合物水溶液共混到弱還原劑有機溶劑中形成A液；2)配制B漿料：將A液滴加至多孔活性炭材料中同時攪拌成B漿料狀態；3)將B漿料置于80?240℃攪拌狀態下，持續攪拌0.5?24h；4)干燥，獲得單分散原子簇?多孔活性炭復合材料。本發明利用抑制析氫劑解決鉛炭電池添加碳材料后嚴重的析氫問題。

技術領域

本發明涉及鉛炭電池領域，特別涉及儲能電池與啟停電池領域。

背景技術

當前鉛酸電池面臨的最大問題是其循環壽命較短的問題，解決這一問題的關鍵在于如何提高鉛酸電池的電極反應動力學速率，以及減輕電池硫酸鹽化狀態。鉛炭電池是目前最容易替代鉛酸電池的一種新型電池，其特點主要包括循環壽命長，成本低，以及具有相對完善的工業生產工藝。鉛炭電池是通過向鉛酸電池負極板中摻加一定量的活性炭與導電碳材料，最大程度地消除電池運行過程中的硫酸鹽化問題，進而有效的提升電池的使用壽命。

但是負極中引入普通活性炭會極大的增加負極的析氫電流，導致電池使用過程中因水耗嚴重導致電池失效，因此能否解決鉛炭電池負極析氫的問題成為鉛炭電池能否全面取代鉛酸電池的核心問題。鉛、銦等元素本身具有較高的析氫電位以及還原電位，因此將這類金屬離子與均勻分部于活性炭表面占據析氫活性位點將有效抑制活性炭的析氫，進而大幅延長鉛炭電池的使用壽命。

常見的的抑制析氫劑的添加方式是通過溶解-吸附-再結晶的方式將高析氫過電位元素引入碳材料表面和孔內，這種方式可以在一定程度上發揮抑制析氫劑的作用，但由于抑制析氫劑結晶過程的隨機性，導致其難以最大程度發揮其抑制析氫的作用。此外，僅添加單一種類的抑制析氫劑不僅成本高而且產物性能可控性差。

為了解決上述問題，本發明提供的原子簇級多元素合金型抑制析氫劑-活性炭復合材料通過利用合金中多種元素的協同效應有效的發揮抑制析氫劑的作用，同時降低添加劑的購買成本，并且大幅延長現有鉛炭電池的壽命。

發明內容

本發明利用抑制析氫劑解決鉛炭電池添加碳材料后嚴重的析氫問題。

通過將高析氫過電位元素原子簇均一分散于碳材料表面的方式提高抑制析氫劑的利用率。將兩種或兩種以上高析氫過電位元素制備成原子簇合金，均一分散于碳材料表面，利用合金的協同效應增強抑制析氫效果。

本發明開發一種鉛炭電池碳材料表面制備原子簇的方法，采用如下方法制備獲得：

1)配制A液：

將兩種或兩種以上高析氫過電位元素的可溶性鹽和高分子聚合物水溶液共混到弱還原劑有機溶劑中形成A液，其中A液中每一種高析氫過電位元素的可溶性鹽濃度為1-10mg/ml，優選濃度2-5mg/ml，高分子聚合物水溶液的質量濃度為20-60wt％，A液中，高分子聚合物與所有高析氫過電位元素之和的質量比為0.1-20：1；優選質量比8-15:1.

2)配制B漿料：

將A液滴加至多孔活性炭材料中同時攪拌成B漿料狀態，其中所添加高析氫過電位元素的任意一種的摩爾數與碳材料的表面積之比均為1mmol：?2000-30000m²；(碳材料表面積為孔道內表面和材料外表面積之和，即比表面積乘以活性炭的質量)優選1mmol：15000-25000m²。

3)將B漿料置于80-240℃攪拌狀態下，持續攪拌0.5-24h，優選140-180℃；?4)在60-120℃條件下干燥1-24小時，獲得合金型單分散原子簇-多孔活性炭復合材料，其中合金型單分散原子簇的顆粒尺寸為0.1-5nm。

高分子聚合物(Polymerpolymers)為聚甲基丙烯酸鈉(PMAA-Na)、和/或聚乙二醇二甲基丙烯酸酯(PEGDMA-Na)；