[发明专利]一种铅炭电池负极用多元素共掺杂活性炭复合材料及其制备方法、铅炭电池

说明书

本发明提供了一种多元素共掺杂活性炭复合材料，包括活性炭和掺杂在活性炭上的抑制析氢杂原子；所述抑制析氢杂原子为N、P和F中的两种或三种；所述抑制析氢杂原子由杂原子化合物提供。本发明采用杂原子化合物作为抑制析氢原子的来源，同时掺杂两种或三种的抑制析氢杂原子，其具有丰富的磷、氮和氟元素，既作为磷源、氮源，又可以作为氟源。在制备活性炭的过程中添加杂原子化合物，高温活化的同时一步热解其混合物，得到了多元素掺杂的活性炭，不仅简化了制备流程，而且多种杂原子能够均匀分散在活性炭的表面和孔道中，抑制析氢的功能得到有效的提高，杂原子上带有的孤对电子可以使碳材料的电荷密度增加，从而增大导电性和电解质溶液的润湿性。

技术领域

本发明属于铅炭材料技术领域，涉及一种多元素共掺杂活性炭复合材料及其制备方法、铅炭电池，尤其涉及一种铅炭电池负极用多元素共掺杂活性炭复合材料及其制备方法、铅炭电池。

背景技术

随着科学技术的不断进步，全球储能电池市场规模快速增长。铅酸电池在性价比、安全性、低温性能、生产及回收工艺方面都具有明显优势，已经成为全球市场份额最大的电池类型。但是铅酸电池的比能量较低、体积大、快速充电困难及循环寿命短(300～800次)等缺点限制了铅酸电池的发展和应用。随着锂电池技术的成熟和应用，锂电池正在逐渐替代铅酸电池的储能市场地位，铅酸电池必须进行改良升级提高电池的性能来面对这种挑战。其中，耐腐蚀性合金板栅、胶体电池、铅炭电池、超级电池等新技术得到了长足的发展。

铅炭电池是铅酸电池发展的一种新技术，在倍率性、循环寿命方面有了较大的提升。铅炭电池通过将活性炭添加到铅酸电池的负极活性材料Pb中，可以在铅酸电池产线上直接生产，无须改造升级。铅炭电池既具有超级电容瞬间高倍率充放电的优点，又发挥了铅酸电池比能量的优势。而且在高倍率放电过程中，炭负极可以分担铅负极上的一部分电流，从而可以有效抑制电池负极不可逆硫酸盐化的现象，提高电池的使用寿命。同时在高倍率充电过程中，炭负极又可以起到缓冲器的作用，分散大电流对铅负极板的冲击，从而提高电池的充电接受能力。虽然铅炭电池在循环寿命和充放电倍率方面有了巨大的提升，但也面临着一个新的问题，炭材料是一种低析氢过电位材料，在电池正常充放电的情况下易产生严重的析氢现象，加速电解液失水干涸，导致电池失效，这严重影响了铅炭电池的寿命。因此，析氢是铅炭电池发展和应用过程中不可绕开的关键问题。

目前，通过在炭材料中添加氢电位较高的氧化物(氧化铟、二氧化锡、氧化银、锌的化合物)或掺杂其他原子(N、S、P或F等)来抑制炭材料的析氢现象。但是析氢抑制剂与活性炭、铅粉只是简单的机械混合，并没有实现原位掺杂，并且改性剂的添加量只有铅粉的0.05％～5％，改性剂与活性炭的实际接触极少，极大削弱了改性剂对提高活性炭析氢电位的影响机制，所以简单的加入析氢抑制剂并未有效解决铅炭电池的失水问题；而表面掺杂原子活性炭的制备方法是以活性炭为原料，通过添加其他原子化合物进行掺杂，制备比较复杂，活性炭成本较高，而且活性炭掺杂的元素比较单一会导致的抑制析氢效果欠佳。

因此，如何将更好的解决铅炭电池的析氢问题，更加发挥活性炭的性能，一直是业内诸多一线研发人员所面临的关键性挑战之一。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种多元素共掺杂活性炭复合材料及其制备方法、铅炭电池，特别是一种铅炭电池负极用多元素共掺杂活性炭复合材料及其制备方法，本发明通过掺杂杂原子化合物，一步制备了多元素掺杂的活性炭，不仅简化了制备流程，而且多种杂原子能够均匀分散在活性炭的表面和孔道中，抑制析氢的功能得到有效的提高，同时杂原子上带有的孤对电子可以使碳材料的电荷密度增加，从而增大导电性能和电解质溶液的润湿性。

本发明提供了一种多元素共掺杂活性炭复合材料，包括活性炭和掺杂在活性炭上的抑制析氢杂原子；

所述抑制析氢杂原子为N、P和F中的两种或三种；

所述抑制析氢杂原子由杂原子化合物提供。

优选的，所述杂原子化合物为含氮磷化合物和/或含氟氮磷化合物；