[发明专利]一种石墨烯/铅化合物复合材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学电源技术领域，尤其涉及一种用于电池生产的石墨烯/铅化合物纳米复合材料的制备方法。

背景技术

发展清洁和可再生能源是我国社会经济发展的重大战略。在新能源技术的各个层次中，电化学储能具有极其重要的地位，也是当前科学研究的热点问题。

石墨烯作为一种新型二维结构导电材料，石墨烯的应用在这一领域具有重要意义和极大的发展潜力。

自2004年，Novoselov和Geim通过简单的胶带剥离法将单层石墨烯从高温有序裂解石墨的表面剥离下来以来，石墨烯因其独特的单原子层结构和丰富而奇特的物理化学性质吸引了科研和工业界的广泛关注。而其在储能领域中的应用研究也获得了重大的进展和引人瞩目的成果，具有极大的应用价值和发展潜力。作为sp2杂化碳材料基元结构的单层石墨烯，是一种优异的二维载体材料，在设计和调控纳米活性材料中起着重要的作用。

石墨烯是由单层碳原子组成的二维蜂窝状结构，其基本结构单元为有机材料中最稳定的六元环结构，具有良好的化学稳定性，是二维纳米材料的典型代表。将之应用于储能器件中，同其他碳材料相比具有以下优点：

1)石墨烯的比表面积高达2630m²/g，有助于纳米材料在其表面的分散，能够有效阻止纳米颗粒的团聚，同时也能为电化学反应提供较大的反应界面。

2)石墨烯的电子电导率约为10⁵S/m，有助于改善复合材料的导电性，以及电化学反应过程中电子电荷的传递。

3)石墨烯本身为柔性的二维材料，具有更加灵活的空间构筑特性，石墨烯片层之间可以相互缠绕交叠，构成丰富的孔道结构。这些孔道结构在电化学储能器件中有利于电解液的渗透和离子的扩散，提高反应过程中的离子电导率。

4)石墨烯具有很多的边缘结构，另外，还原石墨烯表面也会残留很多的缺陷位和官能团，这使得石墨烯具有很多的表面和边缘缺陷位，使其具有一定的离子吸附能力和催化活性。

5)石墨烯相对于富勒烯或碳纳米管来说，较为容易制备，且成本低。

所以基于石墨烯所制备的复合材料应用于储能器件可具有更加优越的电化学性能，且有望发展成为高性能的电极材料。而现有研究结果也显示石墨烯能够显著改善储能材料的容量特性、快速充放电能力以及循环寿命，在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池体系、锂氧电池体系以及燃料电池等体系中具有巨大的应用潜力。

目前，铅炭超级电池是将铅酸蓄电池和超级电容器集成的复合电源中的一种，其是通过在铅酸蓄电池的极板中加入一定量的具有高比电容的炭材料(通常炭材料加在负极板内)，所添加的炭材料能在瞬间储存或释放大量电荷，对负极板起到一定的缓冲电流的作用。因此，铅炭超级电池具有优异的大电流充放电性能，同时在负极中加入炭材料能有效抑制负极硫酸盐化、提高HRPSoC下电池的循环寿命。

现有技术中，铅炭超级电池中的炭添加剂主要有活性炭、石墨、炭黑等材料，其中活性炭的比表面积大，电容活性高但是导电性较差，杂质含量高，析氢过电位低；石墨的导电性较好，但几乎无电容特性，无法缓冲负极板中通过的瞬间大电流；炭黑的导电性优异，但是电容活性低，易团聚，当含量超过1％时吸水严重，难以实现合膏。石墨烯是一种特殊的炭材料，是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜。由于单原子层晶体结构的特征，石墨烯具有特殊的力电光热特性，常温下其电子迁移率超过15000cm²/Vs，而电阻率只约10^-6Ωcm，比铜或银更低，为目前世界上电阻率最小的材料，石墨烯作为厚度只有一个碳原子的准二维材料，还具有很高的比表面积和高的电容活性。因此，将石墨烯作为铅炭超级电池的负极添加剂，可以提高负极的电导率，缓冲瞬间大电流，抑制负极板表面的硫酸盐化，提高电池部分荷电状态大电流充放电(HRPSoC)工况下的循环寿命。

但现有技术方案中，铅炭超级电池炭材料的添加方式主要是与铅粉进行机械混合，由于铅粉密度远远大于炭材料的密度，因此两者的均匀混合将很难实现，且通过机械混合的方式，铅活性物质与炭材料的有效接触界面较少，不能充分发挥炭的高电导和大电容优势，石墨烯固体在与铅负极材料干混的过程中，容易造成石墨烯的团聚，且不易混合均匀，从而影响石墨烯优势的发挥。

发明内容