CN106654217A - 一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质及其制备方法和其应用 - Google Patents

一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质及其制备方法和其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡0.7～1.5%、涤纶短纤维0.08～0.2%、腐殖酸0.2～0.5%、HT‑1型木素0.2～0.6%、活性炭 0.5～3%、石墨烯0.1～2%、碳纳米管0.1～2%、硫酸铋0.1～0.5%、羧甲基纤维素钠0.2～0.5%、蒸馏水10～15%、稀硫酸8～10%、铅粉73～79%。本发明的优点在于：采用活性炭+多层结构石墨烯+碳纳米管复合碳素材料，进一步增大了负极活性物质的比表面积，使电池具有更好的电容特性，增强电池的瞬间大电流放电性能和有效抑制负极硫酸盐化的问题；同时在负极配方中添加硫酸铋可有效降低电池的析氢电势，抑制电池的失水，延长电池使用寿命。

Description

一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质及其制备方法和 其应用
技术领域
本发明涉及一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质；本发明还涉及一种负极活性物质的制备方法和应用。
背景技术
面对传统能源日渐枯竭和全球环境的不断恶化，清洁能源的利用和节能产品的需求愈来愈迫切。电动汽车作为新型清洁能源汽车将逐渐成为汽车行业发展的必然方向，然而由于普通铅酸蓄电池存在耐低温性能差、循环寿命短、放电容量低、充放电接受能力不强等缺点，成为了限制其在电动汽车领域推广和使用的重要因素。因此，提高电池的耐低温性能，减少电池的失水，提高电池的大电流充放电性能和循环使用寿命一直是电动汽车电池研发的技术重点。在国际先进铅蓄电池联合会(ALABC)支持下，“超级电池”的概念被提出并进行研发。澳大利亚联邦科学与工业研究组织首先报道了铅碳超级电池的开创性工作，并与日本古河电池公司合作，生产出了铅碳超级电池。经行车路试后，证明它具备电容器的大功率和蓄电池大容量的特性，适合于动力电池领域和储能领域。目前市面销售的铅碳动力电池可有效的抑制电池在深循环使用条件下的硫酸盐化现象，但由于铅碳电池中添加了较多的碳，降低了电池的析氢电势，导致电池充电时失水严重，电池易出现热失控现象。因此，急需一种解决以上种种问题的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合碳素负极活性物质及其制备方法，并利用该负极活性物质制备铅碳动力电池的负极板。
本发明采用的技术方案是：
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡0.7～1.5%、涤纶短纤维0.08～0.2%、腐殖酸0.2～0.5%、HT-1型木素0.2～0.6%、活性炭0.5～3%、多层结构的石墨烯0.1～2%、碳纳米管0.1～2%、硫酸铋0.1～0.5%、羧甲基纤维素钠0.2～0.5%、蒸馏水10～15%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8～10%、铅粉73～79%。
具体制备步骤为：
将配比量的活性炭、碳纳米管和石墨烯添加到配比量的蒸馏水中，用转速为3500～4000r/min的高速剪切机进行剪切5～30min，再用频率为30～40KHz的超声波进行超声打碎5～40min，制备成复合碳素水溶液；
将配比量的硫酸钡、腐殖酸、HT-1木素、硫酸铋和羧甲基纤维素钠通过机械研磨混合，研磨30～100min，制备成预混料；
将配比量的铅粉、涤纶短纤维和制成的预混料添加到和膏机中进行混合3～10min，将制备好的复合碳素水溶液在1～2min内添加到和膏机中继续搅拌3～10min，缓慢均匀的将配比量的稀硫酸添加到和膏机中，复合碳素水溶液和稀硫酸的总添加时间控制在10～25min，控制和膏过程中的最高温度低于65℃，继续搅拌5～12min，和膏结束制得铅膏（负极活性物质），测试铅膏视比重为4.3～4.6g/cm3。
铅碳动力电池用负极板的制备步骤为：将350～370g负极活性物质（铅膏）通过双面涂板机均匀的涂抹在铅钙锡板栅上（铅钙锡板栅中锡的质量百分比含量为0.15～0.35%，钙的质量百分比含量为0.09～0.14%），经过中温固化、去掉假极耳，边框打磨，制作成成品铅碳负极板。
本发明的优点是：采用活性炭+多层结构石墨烯+碳纳米管复合碳素材料，利用活性炭本身具有微孔的特性，将石墨烯和碳纳米管吸附在微孔内形成一种新型的复合碳素材料，该复合碳素材料的比表面积远大于活性炭本身的比表面积。并将碳素材料通过物理法分散到蒸馏水中制作成复合碳素水溶液，采用该种方式可以将碳素材料均匀的添加的铅膏中，同时避免了因碳素材料过轻而导致的损失问题。新型的复合碳素材料的添加进一步增大了负极活性物质的比表面积，使电池具有更好的电容特性，增强电池的瞬间大电流放电性能和有效抑制负极硫酸盐化的问题。同时在负极配方中添加硫酸铋可有效降低电池的析氢电势，抑制电池的失水，延长电池使用寿命。在负极配方中添加HT-1木素和腐殖酸，有效抑制电池在低温条件下放电时活性物质的收缩，提高电池的低温性能和充电接受能力。
具体实施方式
实施例1
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡0.7%、涤纶短纤维0.08%、腐殖酸0.2%、HT-1型木素0.6%、活性炭0.5%、多层结构石墨烯0.1%、碳纳米管2%、硫酸铋0.5%、羧甲基纤维素钠0.5%、蒸馏水13.82%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8%、铅粉73%。
实施例2
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡1.5%、涤纶短纤维0.2%、腐殖酸0.5%、HT-1型木素0.2%、活性炭3%、多层结构石墨烯2%、碳纳米管0.1%、硫酸铋0.1%、羧甲基纤维素钠0.2%、蒸馏水10%、浓度为1.400g/ml稀硫酸9%、铅粉73.2%。
实施例3
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡1%、涤纶短纤维0.1%、腐殖酸0.3%、HT-1型木素0.4%、活性炭1.5%、多层结构石墨烯1%、碳纳米管1%、硫酸铋0.3%、羧甲基纤维素钠0.4%、蒸馏水10%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8%、铅粉76%。
实施例4
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡0.7%、涤纶短纤维0.08%、腐殖酸0.2%、HT-1型木素0.2%、活性炭0.5%、多层结构石墨烯0.1%、碳纳米管0.1%、硫酸铋0.1%、羧甲基纤维素钠0.2%、蒸馏水15%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8%、铅粉74.82%。
实施例5
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡1%、涤纶短纤维0.1%、腐殖酸0.3%、HT-1型木素0.4%、活性炭3%、硫酸铋0.3%、羧甲基纤维素钠0.4%、蒸馏水10%、浓度为1.400g/ml稀硫酸9.5%、铅粉76%。
实施例6
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡1%、涤纶短纤维0.1%、腐殖酸0.3%、HT-1型木素0.4%、活性炭1.5%、多层结构石墨烯1%、硫酸铋0.3%、羧甲基纤维素钠0.4%、蒸馏水10%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8%、铅粉77%。
实施例7
一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其按重量百分数计，由以下组分组成：硫酸钡1%、涤纶短纤维0.1%、腐殖酸0.3%、HT-1型木素0.4%、活性炭1.5%、碳纳米管1%、硫酸铋0.3%、羧甲基纤维素钠0.4%、蒸馏水10%、浓度为1.400g/ml稀硫酸8%、铅粉77%。
实施例8
分别按照实施例1-7中的各组分含量进行制备铅膏，具体步骤如下：
将配方量的活性炭、碳纳米管、石墨烯（没有的组分按“0”计算）添加到配方量的蒸馏水中，用转速为3500-4000r/min的高速剪切机进行剪切5-30min，再用频率为30-40KHz的超声波进行超声打碎5-40min，制备成碳素水溶液。
将配方量的硫酸钡、腐殖酸、HT-1木素、硫酸铋、羧甲基纤维素钠通过机械研磨混合，研磨30-100min，制备成预混料。
将配方量的铅粉、涤纶短纤维、预混料添加到和膏机中进行混合3-10min，将碳素水溶液在1-2min内添加到和膏机中继续搅拌3-10min，缓慢均匀的将配方量的1.400g/ml的稀硫酸添加到和膏机中，总添加时间控制在10-25min，控制和膏过程中的最高温度低于65℃，继续搅拌5-12min，和膏结束制得铅膏。
即制得7组铅膏，为了便于区分，将这7组铅膏分别编号，对应实施例1-7，将实施例1-7所得铅膏依次编号为1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#。
在此要说明的是，这7组铅膏的制备过程中各条件均相同。
利用这7组铅膏分别制作铅碳负极板，即分别将360g铅膏通过双面涂板机均匀的涂抹在铅钙锡板栅（铅钙锡板栅中锡的质量百分比含量为0.15～0.35%，钙的质量百分比含量为0.09～0.14%）上经过中温固化、去掉假极耳，边框打磨，制作得到7组铅碳负极板。
将7组铅碳负极板按照内化成电池生产工艺制作成成品3-EVF-200铅碳电池，按照国家标准进行测试得到如下对比数据：
通过测试性能对比，利用本发明的负极活性物质生产出的铅碳电池具有低温性能好、充电接受能力强，大电流充放电特性优，深循环寿命长的特点。

Claims (6)

1.一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：按重量百分数计，由以下组分组成：
硫酸钡 0.7～1.5%、
涤纶短纤维 0.08～0.2%、
腐殖酸 0.2～0.5%、
HT-1型木素 0.2～0.6%、
活性炭 0.5～3%、
石墨烯 0.1～2%、
碳纳米管 0.1～2%、
硫酸铋 0.1～0.5%、
羧甲基纤维素钠 0.2～0.5%、
蒸馏水 10～15%、
稀硫酸 8～10%、
铅粉 73～79%。
2.根据权利要求1所述的一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：所述稀硫酸的浓度为1.400g/ml。
3.根据权利要求1所述的一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：所述石墨烯为多层结构石墨烯，层数小于10。
4.根据权利要求1所述的一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：制备步骤为：
将配比量的活性炭、碳纳米管和石墨烯添加到配比量的蒸馏水中，用转速为3500～4000r/min的高速剪切机进行剪切5～30min，再用频率为30～40KHz的超声波进行超声打碎5～40min，制备成复合碳素水溶液；
将配比量的硫酸钡、腐殖酸、HT-1木素、硫酸铋和羧甲基纤维素钠通过机械研磨混合，研磨30～100min，制备成预混料；
将配比量的铅粉、涤纶短纤维和制成的预混料添加到和膏机中进行混合3～10min，将制备好的复合碳素水溶液在1～2min内添加到和膏机中继续搅拌3～10min，缓慢均匀的将配比量的稀硫酸添加到和膏机中，复合碳素水溶液和稀硫酸的总添加时间控制在10～25min，控制和膏过程中的最高温度低于65℃，继续搅拌5～12min，和膏结束制得铅膏即为负极活性物质，测试铅膏视比重为4.3～4.6g/cm3。
5.根据权利要求1或4所述的一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：用其制作铅碳动力电池用负极板的步骤为：将350～370g负极活性物质通过双面涂板机均匀的涂抹在铅钙锡板栅上，经过中温固化、去掉假极耳，边框打磨，制作成成品铅碳负极板。
6.根据权利要求5所述的一种铅碳动力电池用复合碳素负极活性物质，其特征在于：所述铅钙锡板栅中锡的质量百分比含量为0.15～0.35%，钙的质量百分比含量为0.09～0.14%。
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