CN105680102A - 一种铅酸蓄电池石墨烯电解液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，包括以下组分：石墨烯水溶液、硫酸盐、硫酸亚锡、硅溶胶、羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液。本发明采用一种石墨烯水溶液作为电解液添加剂，能够增强电解液的流动活性，增加电解液与活性物质的反应能力，增加电极表面的活化能，减少铅表面的硫酸铅膜对电子传导的阻碍，增加氧循环效率，减少大颗粒的硫酸盐化，延长深循环的使用寿命。

Description

一种铅酸蓄电池石墨烯电解液及其制备方法
技术领域
本发明涉及铅酸蓄电池领域，具体涉及一种铅酸蓄电池石墨烯电解液及其制备方法。
背景技术
铅酸蓄电池具有使用性能可靠、贮存寿命较长、价格低廉和原料易得等优点，一直被广泛地应用到各个领域，尤其是动力用途、电信领域、备用电源、储能电源等。铅酸蓄电池的五大组成部分为正极、负极、隔板、电解液和电池外壳，其中电解液是影响电池性能的主要因素之一。普通的电解液内阻大，固酸能力差、使用寿命短，所以选择、使用合适的电解液添加剂，可以在很大程度上改进电池性能。
电解液作为电池的重要组成部分，在铅酸蓄电池的正、负极之间起着输送金属离子的作用，号称铅酸蓄电池的“血液”。它对电池的比容量、工作温度范围、循环效率和安全性能等至关重要的作用；选择合适的电解液是获得高能量密度、长循环寿命和安全性良好的铅酸蓄电池的关键，因此在开发出满足铅酸蓄电池需求的电解液非常重要；目前铅酸蓄电池存在高温下容量损失迅速，循环性能差，不能满足动力电池经常处于高温（大于45℃）条件下工作的需要；为满足上述需求，开发满足铅酸蓄电池在高温条件下工作的电解液，电解液的开发倾向于优化溶剂的组成及加入合适的添加剂，从而提高电解液的高压下、耐氧化、耐高温性能，提高铅酸蓄电池在高压下的循环性能。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有铅酸蓄电池的电解液内阻大，固酸能力差、使用寿命短的缺陷而提供一种改善电池性能，提高电池循环使用寿命的铅酸蓄电池石墨烯电解液。
本发明的另一个目的是为了提供该铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，由以下质量百分比的组分组成：0.2-5%石墨烯水溶液，0.9-5.7%硫酸盐，5-30%硅溶胶，0.5-6%羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液。在本技术方案中，石墨烯能够在电解液中分散均匀，其高比表面积的特性具有毛细渗透能力，保证电解液在电池充放电过程中保持一定液位，流动活性增强。石墨烯附著于电极表面，降低界面阻抗，提升离子扩散能力，减少铅表面的硫酸铅膜对电子传导的阻碍，增加氧循环效率，抑制负极硫酸盐化，有利于延长深循环的使用寿命。
作为优选，所述石墨烯水溶液的石墨烯含量为0.5×10-3-10×10-3g/ml。
作为优选，所述硫酸盐为硫酸亚锡与硫酸铝、硫酸铜、硫酸镁、硫酸铬、硫酸钴、硫酸镍、硫酸钡、硫酸锌、硫酸钾、硫酸钠中的一种或多种的混合物。
作为优选，所述硅溶胶中的SiO2的质量百分含量为10-23%。
作为优选，石墨烯在配置成石墨烯水溶液前进行改性包括以下步骤：
1）将石墨烯颗粒、质量浓度15-20%的二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液按照1g：45-55mL：18-23mL的料液比混合，控制温度95-120℃下搅拌混合10-25min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，180-220℃下真空干燥15-25min得初级改性石墨烯颗粒；
2）将初级改性石墨烯物颗粒与化学剪切液按照1g：45-65mL的料液比混合，加热至180-220℃，水热反应2-3h，冷却，水洗，得次级改性石墨烯颗粒；
3）次级改性石墨烯颗粒与质量浓度65-75%的高氯酸按照1g：35-55mL的料液比混合均匀，加热至200-240℃保持12小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性石墨烯颗粒。在本技术方案中，步骤1）将石墨烯颗粒与二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液混合，同时辅以搅拌，以扩大石墨烯颗粒与液体的接触面，使得石墨烯颗粒分散均匀，二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液的特定溶剂组合体系，能够使得石墨烯颗粒能在体系中分散更均匀，有效避免石墨烯颗粒团聚。
步骤1）先将石墨烯颗粒分散均匀，这样利于步骤2）的剪切，将步骤1）分散均匀的石墨烯颗粒与本发明特定的化学剪切液水热反应，能有效切断石墨烯颗粒，获得长度较均一（长度大约在100-150nm）左右的均一化石墨烯颗粒，这样的石墨烯颗粒在用于电极材料时，可以用更少的量发挥更优异的导电导热效果。
步骤3）将步骤2）得到的均一化石墨烯颗粒在高氯酸中水热反应，高氯酸分子能够插层、溶胀石墨烯颗粒，使石墨烯颗粒彼此分开并将其表面高反应活性暴露出来，从而实现选择性功能化。与表面活性剂类似，具有两亲性，协助石墨烯颗粒分散，从而大大提高石墨烯颗粒在电解液中的均匀分散性能。
作为优选，化学剪切液为浓度1-1.2moL/L的钼酸钠溶液与浓度0.6-1.3moL/L的硅钼酸溶液按照1:2的体积比的混合物。
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，，包括以下步骤：
1）按上述配比准确称量各组分后，在耐腐蚀耐高温的容器内，先加纯水和石墨烯水溶液，后加硫酸，再依次添加硫酸盐与羧甲基纤维素钠，超声状态下搅拌，混合均匀后得酸液；
2）将酸液和硅溶胶注入搅拌容器中进行搅拌，混合均匀，最后加入纯化水搅拌均匀即得铅酸蓄电池石墨烯电解液。
作为优选，所述酸液中硫酸的密度为1.2-1.5g/ml。
作为优选，所述搅拌混合过程，温度为4-15℃，超声频率为45-55Hz。
本发明的有益效果是：
1）石墨烯水溶液的添加，不会影响电池反应机制，能够增强电解液的流动活性，增加电解液与活性物质的反应能力，增加电极表面的活化能，减少铅表面的硫酸铅膜对电子传导的阻碍，增加氧循环效率，抑制负极硫酸盐化，延长深循环的使用寿命；
2）制备方法简单，只需将各组分按次序混合进行常规搅拌即可，可操作性强，适合大规模工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。
如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，由以下质量百分比的组分组成：0.2%石墨烯水溶液，0.8%硫酸钠，0.1%硫酸亚锡，5%硅溶胶，0.5%羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液，所述石墨烯水溶液的石墨烯含量为0.5×10-3g/ml；所述硅溶胶中的SiO2的质量百分含量为10%。
石墨烯在配置成石墨烯水溶液前进行改性包括以下步骤：
1）将石墨烯颗粒、质量浓度15%的二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液按照1g：45mL：18mL的料液比混合，控制温度95℃下搅拌混合10min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，180℃下真空干燥15min得初级改性石墨烯颗粒；
2）将初级改性石墨烯物颗粒与化学剪切液按照1g：45mL的料液比混合，加热至180℃，水热反应2h，冷却，水洗，得次级改性石墨烯颗粒；化学剪切液为浓度1moL/L的钼酸钠溶液与浓度0.6moL/L的硅钼酸溶液按照1:2的体积比的混合物；
3）次级改性石墨烯颗粒与质量浓度65%的高氯酸按照1g：35mL的料液比混合均匀，加热至200℃保持12小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性石墨烯颗粒。
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，包括以下步骤：
1）按上述配比准确称量各组分后，在耐腐蚀耐高温的容器内，先加纯水和石墨烯水溶液，后加硫酸，再依次添加硫酸盐与羧甲基纤维素钠，超声状态下搅拌，搅拌时温度为4℃，超声频率为45Hz，混合均匀后得酸液；硫酸的密度为1.2g/ml；
2）将酸液和硅溶胶注入搅拌容器中进行搅拌，搅拌时温度为4℃，超声频率为45Hz，混合均匀，最后加入纯化水搅拌均匀即得铅酸蓄电池石墨烯电解液。
利用本发明的石墨烯电解液制成的12V12Ah铅酸蓄电池，100%DOD循环寿命达700次以上，与常规电池相比，提高1倍以上，从而说明本发明的电解液有利于延长深循环的使用寿命。
实施例2
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，由以下质量百分比的组分组成：1.5%石墨烯水溶液，1.5%硫酸钾，0.8%硫酸钠，0.3%硫酸亚锡，20%硅溶胶，3%羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液，所述石墨烯水溶液的石墨烯含量为7×10-3g/ml；所述硅溶胶中的SiO2的质量百分含量为15%。
石墨烯在配置成石墨烯水溶液前进行改性包括以下步骤：
1）将石墨烯颗粒、质量浓度18%的二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液按照1g：50mL：20mL的料液比混合，控制温度110℃下搅拌混合15min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，200℃下真空干燥20min得初级改性石墨烯颗粒；
2）将初级改性石墨烯物颗粒与化学剪切液按照1g：55mL的料液比混合，加热至200℃，水热反应2.5h，冷却，水洗，得次级改性石墨烯颗粒；化学剪切液为浓度1.1moL/L的钼酸钠溶液与浓度0.8moL/L的硅钼酸溶液按照1:2的体积比的混合物；
3）次级改性石墨烯颗粒与质量浓度70%的高氯酸按照1g：45mL的料液比混合均匀，加热至220℃保持12小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性石墨烯颗粒。
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，包括以下步骤：
1）按上述配比准确称量各组分后，在耐腐蚀耐高温的容器内，先加纯水和石墨烯水溶液，后加硫酸，再依次添加硫酸盐与羧甲基纤维素钠，超声状态下搅拌，搅拌时温度为10℃，超声频率为50Hz，混合均匀后得酸液；硫酸的密度为1.3g/ml；
2）将酸液和硅溶胶注入搅拌容器中进行搅拌，搅拌时温度为12℃，超声频率为48Hz，混合均匀，最后加入纯化水搅拌均匀即得铅酸蓄电池石墨烯电解液。
利用本发明的石墨烯电解液制成的12V12Ah铅酸蓄电池，100%DOD循环寿命达680次以上，与常规电池相比，提高1倍以上，从而说明本发明的电解液有利于延长深循环的使用寿命。
实施例3
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，由以下质量百分比的组分组成：5%石墨烯水溶液，1.5%硫酸钠，1.5%硫酸钾，0.8%硫酸锌，1.2%硫酸铝，0.7%硫酸亚锡，30%硅溶胶，6%羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液，所述石墨烯水溶液的石墨烯含量为10×10-3g/ml；所述硅溶胶中的SiO2的质量百分含量为23%。
石墨烯在配置成石墨烯水溶液前进行改性包括以下步骤：
1）将石墨烯颗粒、质量浓度20%的二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液按照1g：55mL：23mL的料液比混合，控制温度120℃下搅拌混合25min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，220℃下真空干燥25min得初级改性石墨烯颗粒；
2）将初级改性石墨烯物颗粒与化学剪切液按照1g：65mL的料液比混合，加热至220℃，水热反应3h，冷却，水洗，得次级改性石墨烯颗粒；化学剪切液为浓度1.2moL/L的钼酸钠溶液与浓度1.3moL/L的硅钼酸溶液按照1:2的体积比的混合物；
3）次级改性石墨烯颗粒与质量浓度75%的高氯酸按照1g：55mL的料液比混合均匀，加热至240℃保持12小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性石墨烯颗粒。
一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，包括以下步骤：
1）按上述配比准确称量各组分后，在耐腐蚀耐高温的容器内，先加纯水和石墨烯水溶液，后加硫酸，再依次添加硫酸盐与羧甲基纤维素钠，超声状态下搅拌，搅拌时温度为15℃，超声频率为55Hz，混合均匀后得酸液；硫酸的密度为1.5g/ml；
2）将酸液和硅溶胶注入搅拌容器中进行搅拌，搅拌时温度为15℃，超声频率为55Hz，混合均匀，最后加入纯化水搅拌均匀即得铅酸蓄电池石墨烯电解液。
利用本发明的石墨烯电解液制成的12V12Ah铅酸蓄电池，100%DOD循环寿命达650次以上，与常规电池相比，提高1倍以上，从而说明本发明的电解液有利于延长深循环的使用寿命。
本发明并不局限于上述具体实施方式，本领域技术人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或者类似的变化都应涵盖在本发明权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：0.2-5%石墨烯水溶液，0.9-5.7%硫酸盐，5-30%硅溶胶，0.5-6%羧甲基纤维素钠，余量为硫酸溶液。
2.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，所述石墨烯水溶液的石墨烯含量为0.5×10-3-10×10-3g/ml。
3.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，所述硫酸盐为硫酸亚锡与硫酸铝、硫酸铜、硫酸镁、硫酸铬、硫酸钴、硫酸镍、硫酸钡、硫酸锌、硫酸钾、硫酸钠中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，所述硅溶胶中的SiO2的质量百分含量为10-23%。
5.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，石墨烯在配置成石墨烯水溶液前进行改性包括以下步骤：
1）将石墨烯颗粒、质量浓度15-20%的二丁基萘磺酸钠溶液及酸溶液按照1g：45-55mL：18-23mL的料液比混合，控制温度95-120℃下搅拌混合10-25min，过滤，分别用水和无水乙醇洗涤，180-220℃下真空干燥15-25min得初级改性石墨烯颗粒；
2）将初级改性石墨烯物颗粒与化学剪切液按照1g：45-65mL的料液比混合，加热至180-220℃，水热反应2-3h，冷却，水洗，得次级改性石墨烯颗粒；
3）次级改性石墨烯颗粒与质量浓度65-75%的高氯酸按照1g：35-55mL的料液比混合均匀，加热至200-240℃保持12小时，冷却，过滤，水洗，真空干燥后得改性石墨烯颗粒。
6.根据权利要求5所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液，其特征在于，化学剪切液为浓度1-1.2moL/L的钼酸钠溶液与浓度0.6-1.3moL/L的硅钼酸溶液按照1:2的体积比的混合物。
7.一种如权利要求1述的铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）按上述配比准确称量各组分后，在耐腐蚀耐高温的容器内，先加纯水和石墨烯水溶液，后加硫酸，再依次添加硫酸盐与羧甲基纤维素钠，超声状态下搅拌，混合均匀后得酸液；
2）将酸液和硅溶胶注入搅拌容器中进行搅拌，混合均匀，最后加入纯化水搅拌均匀即得铅酸蓄电池石墨烯电解液。
8.根据权利要求7所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，其特征在于，所述酸液中硫酸的密度为1.2-1.5g/ml。
9.根据权利要求7所述的一种铅酸蓄电池石墨烯电解液的制备方法，其特征在于，所述搅拌混合过程，温度为4-15℃，超声频率为45-55Hz。
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