CN106099056B - 一种铅酸电池用石墨烯复合碳及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铅酸电池用石墨烯复合碳，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯350‑650份、辅助碳料310‑620份、助剂20‑40份、乙酰丙酮铱15‑20份、壬基酚聚氧乙烯醚5‑10份与单乙醇胺10‑25份。本发明将该石墨烯复合碳材料加入铅酸电池的负极时，由于石墨烯为二维片状材料，零维的碳材料为球状，一维的纳米碳为线性管状，复合所得的碳材料不但增加了碳材料的比表面积，解决由于石墨烯属于二维碳材料而导致的石墨烯边缘搭接电阻大的问题，提高了碳材料的多维导电性，加入到铅酸电池负极能有效的抑制负极硫酸盐化现象，提高电池的循环寿命。

Description

一种铅酸电池用石墨烯复合碳及其制备方法
技术领域
本发明属于铅酸电池制造技术领域，特别涉及一种能有效的提高电池活性物质的导电性从而改善电池的性能，提高电池的放电性能和使用寿命铅酸电池用石墨烯复合碳及其制备方法。
背景技术
在铅酸电池中碳材料起着极其重要的作用。正极板添加炭材料，可降低电池内阻、提高活性物质利用率，负极加入碳材料提高负极活性物质的导电性，有利于再次充电，阻碍PbSO4晶粒的持续增长，控制尺寸，有利于充电；某些炭材料含有的杂质，可以抑制氢气的析出并提高充电效率；在高倍率充放电期间，起到电容的作用；起到晶核的作用。
石墨烯自2004年被英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出来后就因其优异的性能引起世界范围内的关注。石墨烯具有优异的导电性，低电阻，巨大的比表面积这些优异的性能使得其适合于在铅酸电池中使用。
但是石墨烯在混合过程中存在着容易团聚，在石墨烯边缘石墨烯之间的搭接电阻较大等问题。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有石墨烯在混合过程中存在着容易团聚，在石墨烯边缘石墨烯之间的搭接电阻较大的缺陷而提供一种能有效的提高电池活性物质的导电性从而改善电池的性能，提高电池的放电性能和使用寿命铅酸电池用石墨烯复合碳及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铅酸电池用石墨烯复合碳，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯350-650份、辅助碳料310-620份、助剂20-40份、乙酰丙酮铱15-20份、壬基酚聚氧乙烯醚5-10份与单乙醇胺10-25份。在本技术方案中，石墨烯的加入提高了活性物质的导电性，有利于提高电池的充电性能；辅助碳料的加入可以减少石墨烯的团聚，与石墨烯形成点面，线面，点线面的接触提高复合材料的导电性；石墨烯复合碳材料加入铅酸电池的负极时，由于石墨烯为二维片状材料，零维的碳材料为球状，一维的纳米碳为线性管状，复合所得的碳材料不但增加了碳材料的比表面积，也解决了由于石墨烯属于二维碳材料而导致的石墨烯边缘搭接电阻大的问题，且颗粒状和线状的碳材料的加入能有效的防止石墨烯重新团聚成石墨的现象，提高了碳材料的多维导电性，加入到铅酸电池负极能有效的抑制负极硫酸盐化现象，提高电池的循环寿命；石墨烯复合碳材料在相同的导电性的情况下成本会比单纯石墨烯低。
作为优选，辅助碳料为炭黑、活性炭或纳米碳管中的一种或两种组合。
作为优选，助剂由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素5-10份、改性纳米锆英粉10-15份、松节醇5-10份与硅烷偶联剂15-25份。在本技术方案中，而选用壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺则是为了提高石墨烯在溶剂中的分散均匀性，解决石墨烯部分分散困难的问题；乙酰丙酮铱的加入主要是为了提高电池的稳定性，从而提高电池的安全性能。
作为优选，石墨烯的层数为1-20层，粒径为0.5nm-50um，制备方法为氧化还原法、机械剥离法、溶剂剥离法中的一种或者多种混合方法制备。
作为优选，改性纳米锆英粉的制备方法为：将锆英粉粉碎成2-3cm后放入质量分数72-78％的的过氧化氢溶液中，超声震荡10-12h，取出干燥后在450-500℃下煅烧2-3h，而后研磨成纳米粉末得到改性纳米锆英粉，超声功率为85-90kw。
一种铅酸电池用石墨烯复合碳的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中，搅拌5-10min后边搅拌边加入石墨烯质量2.9-3.3倍的纯净水，加入时间为5-10min，然后加入乙酰丙酮铱，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150-220℃，搅拌3-6h，得到预混液A；
b)在辅助碳料中加入3倍质量的纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺，在78-90℃下搅拌30-60min，得到预混液B；
c)向步骤a)得到的预混液A中加入预混液B，35-80℃水浴超声0.2-5h后，进行高速搅拌，得到石墨烯碳材料的复合物浆料；
d)将步骤c)得到的石墨烯碳材料的复合物浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯复合碳。
作为优选，步骤c)中高速搅拌为球磨法或高速搅拌机搅拌法。
作为优选，高速搅拌的时间为0.2-20h，转速为5000-8000rpm。
本发明的有益效果是：
1)石墨烯的加入提高了活性物质的导电性，有利于提高电池的充电性能；
2)辅助碳料的加入可以减少石墨烯的团聚，与石墨烯形成点面，线面，点线面的接触提高复合材料的导电性；
3)石墨烯复合碳材料加入铅酸电池的负极时，由于石墨烯为二维片状材料，零维的碳材料为球状，一维的纳米碳为线性管状，复合所得的碳材料不但增加了碳材料的比表面积，也解决了由于石墨烯属于二维碳材料而导致的石墨烯边缘搭接电阻大的问题，且颗粒状和线状的碳材料的加入能有效的防止石墨烯重新团聚成石墨的现象，提高了碳材料的多维导电性，加入到铅酸电池负极能有效的抑制负极硫酸盐化现象，提高电池的循环寿命；
4)将石墨烯与其他碳材料进行复合的方法制备复合碳，使其他碳材料减少石墨烯吸附团聚现象，其他碳材料的加入能有效的减小石墨烯边缘搭接面积减少搭接电阻，能够有效的提高活性物质的导电性，使石墨烯材料的优异性能得到更好的发挥，从而更好的提高电池的性能；
5)石墨烯复合碳材料在相同的导电性的情况下成本会比单纯石墨烯低。
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的具体说明。应当理解，本发明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落入本发明保护范围。
在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。
石墨烯的层数为1-20层，粒径为0.5nm-50um，制备方法为氧化还原法、机械剥离法、溶剂剥离法中的一种或者多种混合方法制备。
实施例1
一种铅酸电池用石墨烯复合碳，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯350份、炭黑420份与纳米碳管200份、助剂30份、乙酰丙酮铱15份、壬基酚聚氧乙烯醚5份与单乙醇胺10份。
助剂由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素5份、改性纳米锆英粉10份、松节醇5份与硅烷偶联剂15份。改性纳米锆英粉的制备方法为：将锆英粉粉碎成2-3cm后放入质量分数72％的的过氧化氢溶液中，超声震荡10h，取出干燥后在450℃下煅烧2h，而后研磨成纳米粉末得到改性纳米锆英粉，超声功率为85kw。
制备方法包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中，搅拌5min后边搅拌边加入石墨烯质量2.9倍的纯净水，加入时间为5min，然后加入乙酰丙酮铱，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150℃，搅拌3h，得到预混液A；
b)在辅助碳料中加入3倍质量的纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺，在78℃下搅拌30min，得到预混液B；
c)向步骤a)得到的预混液A中加入预混液B，35℃水浴超声0.2h后，进行高速搅拌，得到石墨烯碳材料的复合物浆料；高速搅拌为球磨法或高速搅拌机搅拌法，时间为20h，转速为5000rpm；
d)将步骤c)得到的石墨烯碳材料的复合物浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯复合碳。
将质量分数为0.1％的石墨烯复合碳加入到铅酸电池负极，并将乙炔黑的量减少0.2％,按照正常工艺制成电池。
实施例2
一种铅酸电池用石墨烯复合碳，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯450份、炭黑320份与活性炭210份、助剂20份、乙酰丙酮铱18份、壬基酚聚氧乙烯醚7份与单乙醇胺18份。
助剂由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素8份、改性纳米锆英粉13份、松节醇7份与硅烷偶联剂18份。改性纳米锆英粉的制备方法为：将锆英粉粉碎成2-3cm后放入质量分数76％的的过氧化氢溶液中，超声震荡11h，取出干燥后在480℃下煅烧2.5h，而后研磨成纳米粉末得到改性纳米锆英粉，超声功率为88kw。
制备方法包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中，搅拌8min后边搅拌边加入石墨烯质量3.1倍的纯净水，加入时间为8min，然后加入乙酰丙酮铱，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至180℃，搅拌4h，得到预混液A；
b)在辅助碳料中加入3倍质量的纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺，在80℃下搅拌45min，得到预混液B；
c)向步骤a)得到的预混液A中加入预混液B，50℃水浴超声3h后，进行高速搅拌，得到石墨烯碳材料的复合物浆料；高速搅拌为球磨法或高速搅拌机搅拌法，时间为12h，转速为6000rpm；
d)将步骤c)得到的石墨烯碳材料的复合物浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯复合碳。
将质量分数为0.1％的石墨烯复合碳加入到铅酸电池负极，并将乙炔黑的量减少0.25％，按照正常工艺制成电池。
实施例3
一种铅酸电池用石墨烯复合碳，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯650份、活性炭310份、助剂40份、乙酰丙酮铱20份、壬基酚聚氧乙烯醚10份与单乙醇胺25份。
助剂由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素10份、改性纳米锆英粉15份、松节醇10份与硅烷偶联剂25份。
改性纳米锆英粉的制备方法为：将锆英粉粉碎成2-3cm后放入质量分数78％的的过氧化氢溶液中，超声震荡12h，取出干燥后在500℃下煅烧3h，而后研磨成纳米粉末得到改性纳米锆英粉，超声功率为90kw。
制备方法包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中，搅拌10min后边搅拌边加入石墨烯质量3.3倍的纯净水，加入时间为10min，然后加入乙酰丙酮铱，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至220℃，搅拌6h，得到预混液A；
b)在辅助碳料中加入3倍质量的纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺，在90℃下搅拌60min，得到预混液B；
c)向步骤a)得到的预混液A中加入预混液B，80℃水浴超声5h后，进行高速搅拌，得到石墨烯碳材料的复合物浆料；高速搅拌为球磨法或高速搅拌机搅拌法，时间为0.2h，转速为8000rpm；
d)将步骤c)得到的石墨烯碳材料的复合物浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯复合碳。
将质量分数为0.15％的石墨烯复合碳加入到铅酸电池负极，并将乙炔黑的量减少0.3％，按照正常工艺制成电池。
利用本发明的石墨烯复合碳材料制成的12V 12Ah铅酸蓄电池，100％DOD循环寿命达600次以上，在循环300次时放电时间依然在120min以上，与常规电池相比，充电接受能力提高了20％以上，从而说明本发明的石墨烯复合碳材料有利于延长深循环的使用寿命和提高电池的充电接受能力。
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种铅酸电池用石墨烯复合碳，其特征在于，所述铅酸电池用石墨烯复合碳由以下重量份的物质组成：石墨烯350-650份、辅助碳料310-620份、助剂20-40份、乙酰丙酮铱15-20份、壬基酚聚氧乙烯醚5-10份与单乙醇胺10-25份；助剂由以下重量份的原料组成：羟乙基纤维素5-10份、改性纳米锆英粉10-15份、松节醇5-10份与硅烷偶联剂15-25份。
2.根据权利要求1所述的一种铅酸电池用石墨烯复合碳，其特征在于，辅助碳料为炭黑、活性炭或纳米碳管中的一种或两种组合。
3.根据权利要求1所述的一种铅酸电池用石墨烯复合碳，其特征在于，石墨烯的层数为1-20层，粒径为0.5nm-50um，制备方法为氧化还原法、机械剥离法、溶剂剥离法中的一种或者多种混合方法制备。
4.根据权利要求1所述的一种铅酸电池用石墨烯复合碳，其特征在于，改性纳米锆英粉的制备方法为：将锆英粉粉碎至粒径2-3cm后放入质量分数72-78%的的过氧化氢溶液中，超声震荡10-12h，取出干燥后在450-500℃下煅烧2-3h，而后研磨成纳米粉末得到改性纳米锆英粉，超声功率为85-90kw。
5.一种如权利要求1所述的铅酸电池用石墨烯复合碳的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
a）将助剂加入石墨烯粉体中，搅拌5-10min后边搅拌边加入石墨烯质量2.9-3.3倍的纯净水，加入时间为5-10min，然后加入乙酰丙酮铱，在压力21000PSI下进行高压分散处理，然后升温至150-220℃，搅拌3-6h，得到预混液A；
b）在辅助碳料中加入3倍质量的纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚与单乙醇胺，在78-90℃下搅拌30-60min，得到预混液B；
c）向步骤a）得到的预混液A中加入预混液B，35-80℃水浴超声0.2-5h后，进行高速搅拌，得到石墨烯碳材料的复合物浆料；
d）将步骤c）得到的石墨烯碳材料的复合物浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯复合碳。
6.根据权利要求5所述的一种铅酸电池用石墨烯复合碳的制备方法，其特征在于，步骤c）中高速搅拌为球磨法或高速搅拌机搅拌法。
7.根据权利要求5或6所述的一种铅酸电池用石墨烯复合碳的制备方法，其特征在于，高速搅拌的时间为0.2-20h，转速为5000-8000rpm。
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