[发明专利]高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电化学技术领域。具体涉及一种高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏及其制备方法。

技术背景

铅-炭电池作为新一代的铅蓄电池，在保持传统蓄电池安全可靠、性能稳定、价格低廉、回收利用率高和生产技术成熟的基础上，通过在负极添加不同数量、不同品种的碳材料来抑制硫酸盐积聚，进而提高蓄电池在高倍率部分电荷(HRPSoC)工况下的使用寿命。然而，由于活性炭材料密度低、颗粒极细，不易在负极活性物质中均匀分散，呈现一定的团聚状，由此给电池带来的负面效应无法避免；而且，在深循环条件下，用作动力电池的铅-炭电池的使用寿命并不令人满意。

为了上述问题，国内外研究者已从多个角度对碳材料的作用机制进行了研究。早期主要将电导率较高的石墨、乙炔黑加入到铅负极板，主要是通过构建导电网络来有效的阻止硫酸铅晶体的长大；中期时则是将高比表面的活性炭材料应用于铅负极板，由于活性炭具有双层电容的储能性能，添加后不仅有助于改善电极的导电性，而且炭材料的高比表面特性在高功率充放电和脉冲放电时提供双电层电容，减弱大电流对电极材料的冲击，可大大提高电池在高倍率充放电下的性能及循环寿命；最近的研究认为多孔碳材料的添加能够改善负极板的孔洞结构，从而加快电化学反应动力。多孔碳材料可以增加活性物质的比表面积，充分改善极板的孔洞结构，更利于硫酸电解液在负极板中的储存，使之不徘徊在极板表面，从而为电极反应提供足够的SO₄^2-。

铅-炭电池负极中添加碳材料主要是以其构建导电网络、双电层电容储能、组个硫酸铅晶体、补给电解质、增强离子迁移及增多反应活性点与成核点等机制以提高HRPSoC工况下电池的循环寿命。

高比表面积的纳米球碳材料加入铅酸负极铅膏中，在负极活性物质(NAM)中形成一个额外的导电网络，加速了电子在活性物质中的传递，这一作用促进了充电过程中较大硫酸铅晶体的溶解，大大改善了负极的充电效率。纳米球碳材料改善了负极活性物质(NAM)中的孔结构，在一定程度上降低了孔径，纳米球碳材料的存在占据了硫酸铅晶体生长的空间，阻碍了放电过程中硫酸铅晶体的生长，维持了溶解度高的小晶体硫酸铅；同时，纳米球碳材料的加入提高了负极活性物质中的空隙率，加上纳米球碳材料本身的吸附性，电解液可以顺畅的进入负极活性物质内部，因此电化学反应不仅在表面发生，也可以在内部发生，提高了充放电效率。

在铅负极充电反应中，纳米球碳材料具有高度的催化作用，并通过改变电位势垒的方式参与其中，改善了电极反应可逆性，铅负极的充电过程同时在铅和纳米球碳材料的表面进行，在纳米球碳材料的作用下，Pb²⁺→Pb的反应电位下降了300～400mV，这进一步促进了铅沉积的进行，加快了硫酸铅晶体的溶解速度，宏观上体现为蓄电池的充电接受能力和充电效率大幅度提高。

发明内容

为了达到上述目的，本发明提供了一种高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏及其制备方法，本发明所述的高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏明显提高了目前所用的铅酸蓄电池的充电接受能力及电池循环寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的

一种高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏，该铅膏由以下用量的原料制备而成：氧化铅500g，高比表面积纳米球碳材料1～2.5g，硫酸40～43g，去离子水54～64g，硫酸钡4.2～5.5g，木素1～2g，SiO₂ 5.5～7g，腐殖酸1.0～1.5g，短碳纤维0.2～0.6g。

所述的高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏，由以下用量的原料制备而成：氧化铅500g，高比表面积纳米球碳材料1～2.5g，硫酸43g，去离子水54～64g，硫酸钡4.7g，木素1.2g，SiO₂ 6g，腐殖酸1.2g，短碳纤维0.3g。

所述的高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏，所述氧化铅的氧化度为76％、平均粒径为5～7μm。

所述的高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏，所述高比表面积纳米球碳材料的粒径小于800nm，比表面为1200～2000m²/g。(即每个碳纳米球的粒径小于800nm、比表面积为1200～2000m²/g)。

所述的高比表面积纳米球碳材料铅酸蓄电池负极铅膏，所述硫酸的密度为1.4g/cm³。