[发明专利]一种含有炭包覆铅复合材料的超级铅酸蓄电池及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铅蓄电池技术领域，具体涉及一种含有炭包覆铅复合材料负极、以部分红丹为正极材料的超级铅酸蓄电池及其制备方法。

背景技术

铅酸蓄电池已走过了100多年的发展历程，为人类社会的发展做出了巨大贡献。尽管铅酸蓄电池在制造过程和回收过程中由于技术的不完善可能存在一定的污染危险，但其良好的可靠性、高的性价比、可完全回收利用的丰富资源等，都使铅酸蓄电池在社会生活、工业生产乃至军事领域仍将保持广泛的应用。

虽然铅酸蓄电池的技术发展已非常成熟，但其活性物质利用率较低、循环寿命较短、大电流充放电性能较差、充电时间过长等性能缺陷仍需大力改进。从铅酸蓄电池的性能特征可以看出，其与超级电容器性能上存在着明确的互补性，如果能够将超级电容器功能与铅酸蓄电池复合，将极大的拓展铅酸蓄电池的应用领域，使铅酸蓄电池在电动力汽车领域的应用成为可能。在负极板内添加或渗入高比表面积的活性炭（如专利200710035835.0）、或将活性炭板插入铅酸蓄电池中与负极并联或并用，与正极PbO₂构成非对称电容器电极，从而实现超级电容功能与铅酸蓄电池的电池功能的内部融合，由这种设计思路所开发的铅酸蓄电池也被称为超级蓄电池。超级蓄电池最初是由澳大利亚联邦研究院（CSIRO）L.T.Lam等人开发出来的一种寿命更长，持久力更强的新型蓄电池。

虽然超级电池的设计思路为其结构设计和材料选用提供了方向，但由于铅、炭材料在物理性质、电化学性质方面的不匹配性，导致超级电池的研发困难重重。插入碳板与负极并联或并用，在长时间较高的端电压作用下，将产生严重的析氢问题，导致蓄电池失水而使寿命优势无法体现。将活性炭与负极活性物质混合、或在负极表面渗透活性炭层的方法，由于铅与炭的非紧密结合方式，电池多次循环后，炭材料将从活性物质中析出，导致负极活性物质过早脱落，而且高含量的活性炭材料同样使负极在充电过程中大量析氢，进一步加剧了负极活性物质的脱落，同时出现失水干涸，导致电池寿命缩短。超级电池功能的体现绝非简单的铅炭混合所能实现。一种更合理的铅炭复合方式是实现超级电池的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有铅酸蓄电池的不足，提出一种含炭包覆铅复合材料的超级铅酸蓄电池及制备方法。与传统的铅酸蓄电池相比，本发明的铅炭超级蓄电池具有更高的比能量、比功率及使用循环寿命；与专利200910002836.4、200910227199.0中提到的高性能储能装置相比，本发明提出的铅炭超级电池制作工序少、内部结构简单、成本低，炭材料不析出，负极铅膏不容易脱落，使用循环寿命更长。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种含有炭包覆铅复合材料的超级铅酸蓄电池，超级铅酸蓄电池的正极活性物质包括Pb₃O₄，其特征在于该超级铅酸蓄电池的负极中含有炭包覆铅复合材料。

进一步的，所述的铅炭复合材料为球状核壳结构炭包覆铅复合材料，所述铅炭复合材料是由水热、炭化工艺制备，具体制备方法包括以下步骤：

（1）将铅盐溶于去离子水中，记为溶液A；

（2）将碱溶于去离子水中，记为溶液B；

（3）将溶液B滴加到溶液A中，搅拌2～3h，然后转入水热反应釜，在160～200℃恒温反应10～12h，除去上层清液，得到产物C；

（4）将有机碳源溶于去离子水中，缓慢加入反应釜中，搅拌2～3h，然后在180～220℃高压反应10～12h，将产物过滤，对滤渣用去离子水和乙醇分别洗涤，80～90℃真空干燥6～8h，得到产物D，铅盐与有机碳源的重量比为1：（0.1～3）；

（5）将产物D在400～600℃下、在氩气气氛下恒温炭化3～8h，自然冷却后得到产物炭包覆铅复合材料；

所述的铅盐为醋酸铅、硝酸铅或其混合物，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾或其混合物，所述铅盐用量与碱用量的重量比为（5～20）：（2～5），所述的有机碳源选自葡萄糖、蔗糖、吐温60、聚乙烯吡咯烷酮或淀粉。

进一步的，所述铅炭复合材料的粒径为0.1～20微米，铅炭重量比为（30～60）:（70～40）。

进一步的，100重量份的负极包含70～88重量份的铅粉、10～25重量份的炭包覆铅复合材料以及2～5重量份的添加剂。

进一步的，添加剂由硫酸钡、腐植酸及木质素磺酸钠组成，重量比为5:3:1。