[发明专利]表面改性碳杂化体颗粒、其制备方法和应用

说明书

技术领域

本公开涉及表面改性碳杂化体颗粒，其制备方法，及其用途，例如，作为在各种应用中的导电添加剂。

背景技术

导电碳颗粒通常用作填料以增强聚合物，陶瓷，涂料和电化学系统的电极的导电性。例如，碳导电添加剂用于各种原电池和二次电池，如碱性锌/二氧化锰电池，锌碳电池，锂原电池和可充电电池，镍镉电池，铅酸电池，以及镍金属氢电池，锂硫电池，锂空气电池，具有像锌或铁的金属的金属空气电池，燃料电池以及电容器系统中。

导电添加剂适用于电化学电池的电极以降低电学电极电阻。碳粉化材料通常选用作为导电添加剂，因为其重量轻和对酸性和碱性电解质呈惰性。导电添加剂不会参与所述电极的电化学过程，这意味着对于所述电池的高能量密度，导电添加剂的施加量理想地最小化。通常使用的碳导电添加剂是精细石墨粉末和导电碳黑(参见，例如，M.E.Spahr，Lithium-ion Batteries-Science and Technology，M.Yoshio，R.J.Brodd，A.Kozawa(Eds.)，Springer，New York，2009，Chapter 5)。

向铅酸电池的负电极加入少量的导电碳，当所述电池在高比率部分充电状态(HRPSoC)模式下工作时，例如应用于混合动力电动汽车的用途时，会导致循环寿命和充电接受性得以改善(参见，例如K.Nakamura，M.Shiomi，K.Takahashi，M.Tsubota，Journal of Power Sources 59(1996)153，M.Shiomi，T.Funato，K.Nakamura，K.Takahashi，M.Tsubota，Journalof Power Sources，64(1997)，147和D.Pavlov，P.Nikolov，T.Rogachev Journal of Power Sources 196(2011)5155-5167)。当铅酸电池在部分充电状态(PSoC)下运行时，铅酸硫酸盐不可逆地形成(“硫酸盐化效应”)，会导致所述电池循环寿命显著降低(参见，例如D.Pavlov，Lead-Acid Batteries-Science and Technology，Elsevier 2011，Chapter 1，pp.23-26)。

除了使用碳添加剂之外，已知在本领域中会使用改性的格栅设计，活性物质内部的玻璃纤维垫，和/或改性的电解质组合物作为其它方式来改善传统的起动，照明，点火(SLI)铅酸电池并使之适用于在低充电状态(SOC)下的工作模式(参见，例如，D.Pavlov，Lead-Acid Batteries-Science and Technology，Elsevier 2011，Chapter 7)。在这些先进的铅酸电池中在稍高速放电操作下获得的电池特性使其成为微型和轻型混合动力电动汽车的良好候选物。

向所述负电极中添加石墨，膨胀石墨，活性碳和碳黑，已经显示会导致所述铅酸电池的循环寿命改善，这主要是通过硫酸盐化作用降低所致。

人们已经提出几个假设用于解释负电极中的碳作用机理。对于广谱碳影响的调查已经总结于这些文献(P.T.Moseley，Journal of Power Sources 191(2010)134-138and D.P.Boden，D.V.Loosemore，M.A.Spence，T.D.Wojcinski，Journal of Power Sources，195(2010)4470-4493)中。最近已经显示，碳应该对铅具有高亲和力，从而能在所述负电极中形成碳-铅骨架，同时在新近新组装电池的第一次充电中完成的电极形成期间镀上铅(D.Pavlov，P.Nikolov，T.Rogachev Journal of Power Sources 196(2011)5155-5167)。这种碳-铅骨架增加了表面积并且另外所述碳会在所述电极中提供另外的超级电容器效应，这两者都对所述充电接受性的增加提供了可能的解释。

除了导电性之外，导电添加剂还对所述电极结构和孔隙率具有影响。例如，所述电极的电解质渗透能够受所述电极结构和孔隙率影响，这对所述电极的离子电阻率具有影响(参见，例如，M.E.Spahr,Lithium-ion Batteries-Science and Technology,M.Yoshio,R.J.Brodd,A.Kozawa(Eds.),Springer,New York,2009,Chapter 5)。