CN104269532B - 一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，属于纳米复合材料和电化学技术领域。本发明利用高比表面积、低电阻率和高的电子迁移率的石墨烯与现有的负极材料复合成一种具有超强储氢能力的负极材料。包括如下步骤：(1)将石墨烯和AB5型储氢合金在水中机械搅拌后加入黏合剂和混合导电剂调制成浆料；(2)将以上制备的浆料均匀的涂覆在镍网上，经烘干、辊压，裁剪修边得到负极极片。本发明制备的负极极片，具有极大的储氢能力，从而提高了电池容量，降低了电池的内阻，提高了电池的放电效率，也延长了电池的使用寿命。同时本发明制作工艺简单有效，易实现产业化。

Description

一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法
技术领域
本发明属于纳米复合材料和电化学技术领域，具体涉及一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法。
背景技术
近年来，由于燃油汽车造成的环境污染日益严重以及石油等天然资源的逐步耗竭，世界各国努力寻求新的可再生能源，发展新型电动交通工具，从而推动了电动汽车及高性能二次电池的发展。镍氢电池具有较高的比容量和比能量、环境友好、无记忆效应、耐过充放电等优点，广泛用于电动汽车、移动通讯、便携式计算机、电动工具、航天等领域，随着镍氢电池产业的迅速发展，迫切要求电池的能量密度不断提高，由于AB5型混合稀土系合金的放电容量(300-330mA·h/g)已接近其理论值(372mA·h/g),因此研究一种新型的负极储氢材料迫在眉睫。
石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯的理论比表面积达2632㎡/g，导热系数高达5300W/m·K，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，而电阻率只约10-8Ω·cm。由于石墨烯的优异特性，非常适合应用于高容量镍氢动力电池的负极储氢材料。
现有的提高镍氢电池容量的方法有，如申请号为201310673518.7的专利是在惰性气体保护下采用感应加热熔炼，将熔融合金注入铜铸模，获得圆柱状合金铸锭。将铸锭装入石英管，感应加热融化后，在惰性气体的压力作用下，液态合金通过石英管底部的狭缝喷嘴连续喷落在旋转的水冷铜辊的表面，获得快淬态合金；将破碎的合金粉装入球磨罐抽真空后充入高纯氩气，在全方位行星式高能球磨机中球磨，获得具有纳米晶-非晶结构的合金粉末。该方法的缺点是：工艺技术复杂，原料生产成本高。又如申请号为201210313920.X的专利是采用了特殊的储氢合金材料和复合导电剂，储氢合金的分子式为La0.5Nd0.2Pr0.1Mg0.2Ni4Al0.1Mn0.3，复合导电剂成分包括铜粉、镍粉、乙炔黑、碳纳米管。该方法的缺点是：工艺复杂，不易控制成分的比重。又如申请号为201210093707.2的专利公开了一种石墨烯储氢电极的制备方法，该方法是利用利用自动控制直流电弧氢等离子体设备，以纯石墨块体作为消耗阳极，阴极为碳棒，通入一定量的氢气，经过蒸发、冷凝、钝化等步骤，制备得到石墨烯材料。利用此材料作为活性物质与粘结剂按一定质量比混合，以涂压的方式经烘干后制作成电化学储氢电极片。该方法的缺点是：虽然提高了电极的储氢量，但是以单纯的石墨烯作为储氢材料电极循环寿命相当差，容量衰减快；而且工艺也是复杂、繁琐。
发明内容
针对上有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于利用传统成熟的简单生产工艺，提供一种能增大电池容量，提高电池循环使用寿命的石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法。
一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备负极浆料，将比表面积>1500m2/g的石墨烯和储氢合金粉末在水中搅拌均匀后加入适量的混合导电剂和黏合剂调制成浆料，具体操作为：搅拌时间为1-3h，转速为100-600r/min，以上物质的重量配比为：含钴合金粉：石墨烯：混合导电剂：HPMC：SBR：PTFE：纯水＝100:0.5～3:4:13:1:1.5:6；
2)制备负极极片，使用拉浆炉将浆料以80-100m/h的速度均匀的涂覆在孔径为Φ1.5±0.1㎜，厚度为0.06±0.01㎜的镀镍钢带上，在恒温100±5℃℃，4±1m高的坚炉中烘干后，经辊距为0.3-0.5mm的辊压机压致所需的厚度，最后裁剪修边制得负极极片。
作为上述方案的进一步说明，所用储氢合金粉为含铼、镍、钴、锰和其他微量元素的AB5型储氢合金，其所占质量百分比(wt％)分别为：32.11，55.28，6.18，4.90，1.53。
作为上述方案的进一步说明，所用混合导电剂的成分包括：导电炭黑，石墨烯，镍粉；各成分的质量配比为导电炭黑:石墨烯:镍粉＝3:0.1～0.5:0.5。
作为上述方案的进一步说明，所用镍粉的为T255#羰基镍粉。
作为上述方案的进一步说明，所用的镍粉为球磨后镍粉，球磨后镍粉的粒径为0.5-3μm之间。
作为上述方案的进一步说明，所用的镀镍钢带的厚度为0.06mm，钢带材质为SPCC。
作为上述方案的进一步说明，所述粘结剂由固含量为2％的HPMC，固含量为51％的SBR和固含量为60％的PTFE组成。
本发明的有益效果是：制得的负极极片储氢能力显著提升，应用于镍氢动力电池后具有高容量，同时改善镍氢动力电池的充放电性能，具有优良的循环寿命性能。
附图说明
图1所示为本发明制得的电池与原有技术制作的电池的循环性能对比图。
具体实施方式
为方便本领域普通技术人员更好地理解本发明的实质，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行阐述。
实施例1
1)制备负极浆料：
将石墨烯和储氢合金粉末在水中机械球磨后加入适量的混合导电剂搅拌均匀，再加入黏合剂HPMC(固含量为2％)、SBR(固含量为51％)和PTFE(固含量为60％)调制成浆料，具体操作为：搅拌时间为1-3h，球磨转速为100-600r/min，以上物质的重量配比为：含钴合金粉：石墨烯：混合导电剂：HPMC(羟丙基甲基纤维素)：SBR(羧基丁苯乳胶)：PTFE(聚四氟乙烯)：纯水＝100：0.5：4：13：1：1.5：6。
2)制备负极极片：
使用拉浆炉将浆料以80-100m/h的速度均匀的涂覆在孔径为Φ1.5㎜，厚度为0.06㎜的镀镍钢带上，在恒温100℃，4m高的坚炉中烘干后，经辊距为0.35mm的辊压机压致所需的厚度，最后裁剪修边制得负极极片。然后和隔膜、正极片一起卷绕成镍氢电池，记为A1。
实施例2
按与实施例1相同的方法制备，只是将石墨烯的用量加大，具体为：含钴合金粉：石墨烯：混合导电剂：HPMC：SBR：PTFE：纯水＝100：1.5：4：13：1：1.5：6。
实施例3
按与实施例2相同的方法制备，只是将石墨烯的用量加大，具体为：含钴合金粉：石墨烯：混合导电剂：HPMC：SBR：PTFE：纯水＝95：3：4：13：1：1.5：6。
对比实验
图1所示为本发明各实施例制作的与原有技术制作的电池的循环性能对比图，其中，原有技术制备的镍氢电池记为A0，利用实施例1制备的镍氢电池标记为A1，利用实施例2制备的镍氢电池标记为A2，利用实施例3制备的镍氢电池标记为A3；所用检测装置为广州擎天实业有限公司的实验室专业系列设备。高倍率的放电制度为：室温下使用0.1C充电15小时，搁置30-60min，0.2C放电至1.0V，得到电池容量C0；然后同样的充电后，10C放电至0.8V，得到电池容量C1，高倍率放电效率＝C1/C0。
表1性能对比表
从图1和表1可以看出：采用了本发明制得的电池负极的镍氢动力电池与传统的镍氢动力电池相比，在比能量和使用寿命上都提高了一倍左右，高倍放电效率达到95％以上，而内阻减小到只有传统镍氢电池的40％左右。这说明石墨烯在负电极的加入能大幅度提高镍氢电池的性能，满足电动工具、电动车对镍氢电池的要求。
以上具体实施方式对本发明的实质进行了详细说明，但并不能以此来对本发明的保护范围进行限制。显而易见地，在本发明实质的启示下，本技术领域普通技术人员还可进行许多改进和修饰，需要注意的是，这些改进和修饰都落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备负极浆料，将比表面积>1500m2/g的石墨烯和储氢合金粉末在水中搅拌均匀后加入适量的混合导电剂和黏合剂调制成浆料，具体操作为：搅拌时间为1-3h，转速为100-600r/min，以上物质的重量配比为：含钴合金粉：石墨烯：混合导电剂：HPMC：SBR：PTFE：纯水=100:0.5～3:4:13:1: 1.5:6；
2）制备负极极片，使用拉浆炉将浆料以80-100m/h的速度均匀的涂覆在孔径为Φ1.5±0.1㎜，厚度为0.06±0.01㎜的镀镍钢带上，在恒温100±5℃，4±1m高的 竖炉中烘干后，经辊距为0.3-0.5mm的辊压机压至所需的厚度，最后裁剪修边制得负极极片；
所用储氢合金粉为含铼、镍、钴、锰及其他微量元素的AB5型储氢合金，其所占质量百分比分别为：32.11，55.28，6.18，4.90，1.53。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，所用混合导电剂的成分包括：导电炭黑，石墨烯，镍粉，其质量配比为3:0.1～0.5:0.5。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，所用镍粉为T255#羰基镍粉。
4.根据权利要求2或3所述的一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，所用的镍粉为球磨后镍粉，球磨后镍粉的粒径为0.5-3μm之间。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，所用的镀镍钢带的厚度为0.06㎜，钢带材质为SPCC。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯基高容量镍氢动力电池负极的制备方法，其特征在于，所述粘结剂由固含量为2%的HPMC，固含量为51%的SBR和固含量为60%的PTFE组成。
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