CN114759170A - 一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，制备原料按重量份计，包括石墨烯60‑100份、碳纳米管20‑40份、膨胀剂1‑5、壬基酚聚氧乙烯醚1‑3份、2‑氨基乙醇1‑5份、助剂3‑15份。所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维1‑3份、纳米氧化物1‑3份、松节醇1‑3份、硅烷偶联剂1‑5份。制备得到的铅酸电池用石墨烯量子点复合材料能够有效提高铅酸电池的使用寿命和稳定性。

Description

一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于铅酸电池技术领域，尤其涉及一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法。
背景技术
铅酸电池面世超过150年，仍在化学电源中占有举足轻重的地位，其在市场应用中占一半左右的份额。目前电动车上大多都采用铅酸电池作为动力电池，原因在于其成本低，原材料资源丰富而且也较容易得到。此外，铅酸电池的使用温度范围广泛，失效的电池也可以进行回收，最重要的是安全性能高。
随着新型储能和新能源动力市场的不断发展，特别是在混合动力汽车以及间歇性新能源存储应用中，要求二次电池能够在高功率部分荷电状态下，具有良好的充电接受能力、较长的循环寿命。目前，铅酸电池存在活性物质利用率低，硫酸铅的晶体的长大降低深度放电情况下使用寿命降低，极板的活性物质易软化脱落，负极硫酸盐化等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌5-10min，然后边搅拌边加入石墨烯重量2.5-3.5倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至120-200℃搅拌4-5h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入2.5-3.5倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80-85℃搅拌1-2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，40-60℃水浴超声1-3h，然后放入高速搅拌机中以6000-8000rpm的转速搅拌5-8h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
作为一种优选的技术方案，制备原料按重量份计，所述石墨烯60-100份、所述碳纳米管20-40份、所述膨胀剂1-5份、所述壬基酚聚氧乙烯醚1-3份、所述2-氨基乙醇1-5份、所述助剂3-15份。
作为一种优选的技术方案，所述石墨烯与碳纳米管的重量比为(3-5)：1。
作为一种优选的技术方案，所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm。
作为一种优选的技术方案，所述碳纳米管直径5-20nm，比表面积不低于200m2/g。
作为一种优选的技术方案，所述膨胀剂选自腐殖酸、木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维1-3份、纳米氧化物1-3份、松节醇1-3份、硅烷偶联剂1-5份。
作为一种优选的技术方案，所述纳米氧化物包括纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米氧化铁中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述纳米氧化物为纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粒径为20-40nm，比表面积为100-200m2/g。
作为一种优选的技术方案，所述硅烷偶联剂包括KH-550、KH-551、KH-560、KH-561、KH-563、KH-570、KH-571中的至少一种。
有益效果：
本发明通过石墨烯和碳纳米管的加入改善了硫酸铅的晶体，使硫酸铅晶体更小，提高了深度放电情况下电池的使用寿命。还提高板栅合金的析氧过电势，抑制氧气的析出，从而抑制活性物质的软化脱落。另外，纳米氧化铝的加入可形成固溶体，稳定晶格，提高倍率性能和循环性能。另外，本发明还提高了电池的热稳定性，循环性能和耐过充能力，另外还减少了电化学比容量损失，提高了电化学比容量。
具体实施方式
结合以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明，本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本发明所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本发明中提供的任何定义不一致，则以本发明中提供的术语定义为准。
在本文中使用的，除非上下文中明确地另有指示，否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是，如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义，“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置，但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外，当描述本发明的实施方式时，使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。除此之外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了解决上述问题，本发明还提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌5-10min，然后边搅拌边加入石墨烯重量2.5-3.5倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至120-200℃搅拌4-5h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入2.5-3.5倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80-85℃搅拌1-2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，40-60℃水浴超声1-3h，然后放入高速搅拌机中以6000-8000rpm的转速搅拌5-8h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
在一些优选的实施方式中，其制备原料按重量份计，包括石墨烯60-100份、碳纳米管20-40份、膨胀剂1-5、壬基酚聚氧乙烯醚1-3份、2-氨基乙醇1-5份、助剂3-15份。
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；碳纳米管的加入可以减少石墨烯的团聚。作为一种优选的技术方案，所述石墨烯与碳纳米管的重量比为(3-5)：1，使碳纳米管与石墨烯形成点面，线面，点线面的接触提高复合材料的导电性。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯与碳纳米管的重量比为(3-5)：1。
在一些优选的实施方式中，所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm。
在一些优选的实施方式中，所述碳纳米管直径5-20nm，比表面积不低于200m2/g。在一些更优选的实施方式中，所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于230m2/g。
在一些优选的实施方式中，所述膨胀剂选自腐殖酸、木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。在一些更优选的实施方式中，所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为(0.8-1.2):1。
在一些优选的实施方式中，所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维1-3份、纳米氧化物1-3份、松节醇1-3份、硅烷偶联剂1-5份。
在一些优选的实施方式中，所述纳米氧化物包括纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米氧化铁中的至少一种。
掺杂纳米氧化铝到复合材料中，可形成固溶体，稳定晶格，提高倍率性能和循环性能。另外，纳米氧化铝、石墨烯和碳纳米管形成的体系还能抑制氧的生成和硫酸铅的分解，减少电化学比容量损失，从而提电化学比容量。作为一种优选的技术方案，所述纳米氧化物为纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粒径为20-40nm，比表面积为100-200m2/g。在一些更优选的实施方式中，所述纳米氧化铝的粒径为25-35nm，比表面积为120-180m2/g。
在一些优选的实施方式中，所述硅烷偶联剂包括KH-550、KH-551、KH-560、KH-561、KH-563、KH-570、KH-571中的至少一种。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售的。
实施例
以下通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1
实施例1提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌8min，然后边搅拌边加入石墨烯重量3倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至150℃搅拌4h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入3倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80℃搅拌2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，50℃水浴超声2h，然后放入高速搅拌机中以6000rpm的转速搅拌6h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
其中，制备原料按重量份计，石墨烯80份、碳纳米管25份、膨胀剂3、壬基酚聚氧乙烯醚2份、2-氨基乙醇3份、助剂10份。
所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，型号为XF022-17440-44-0。
所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于233m2/g，购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT103。
所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为1:1。
所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维2份、纳米氧化铝2份、松节醇2份、硅烷偶联剂KH-560 3份。
所述聚酯短纤维购自淄博宇星新材料科技有限公司，货号为02。
所述纳米氧化铝的粒径为25-35nm，比表面积为120-180m2/g，购自宣城晶瑞新材料有限公司，型号为VK-L30D。
实施例2
实施例2提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌8min，然后边搅拌边加入石墨烯重量3倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至150℃搅拌4h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入3倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80℃搅拌2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，50℃水浴超声2h，然后放入高速搅拌机中以6000rpm的转速搅拌6h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
其中，制备原料按重量份计，石墨烯60份、碳纳米管25份、膨胀剂3、壬基酚聚氧乙烯醚2份、2-氨基乙醇3份、助剂10份。
所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，型号为XF022-17440-44-0。
所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于233m2/g，购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT103。
所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为1:1。
所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维2份、纳米氧化铝2份、松节醇2份、硅烷偶联剂KH-560 3份。
所述聚酯短纤维购自淄博宇星新材料科技有限公司，货号为02。
所述纳米氧化铝的粒径为25-35nm，比表面积为120-180m2/g，购自宣城晶瑞新材料有限公司，型号为VK-L30D。
实施例3
实施例3提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌8min，然后边搅拌边加入石墨烯重量3倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至150℃搅拌4h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入3倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80℃搅拌2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，50℃水浴超声2h，然后放入高速搅拌机中以6000rpm的转速搅拌6h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
其中，制备原料按重量份计，石墨烯100份、碳纳米管25份、膨胀剂3、壬基酚聚氧乙烯醚2份、2-氨基乙醇3份、助剂10份。
所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，型号为XF022-17440-44-0。
所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于233m2/g，购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT103。
所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为1:1。
所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维2份、纳米氧化铝2份、松节醇2份、硅烷偶联剂KH-560 3份。
所述聚酯短纤维购自淄博宇星新材料科技有限公司，货号为02。
所述纳米氧化铝的粒径为25-35nm，比表面积为120-180m2/g，购自宣城晶瑞新材料有限公司，型号为VK-L30D。
对比例1
对比例1提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌8min，然后边搅拌边加入石墨烯重量3倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至150℃搅拌4h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入3倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80℃搅拌2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，50℃水浴超声2h，然后放入高速搅拌机中以6000rpm的转速搅拌6h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
其中，制备原料按重量份计，石墨烯80份、膨胀剂3、壬基酚聚氧乙烯醚2份、2-氨基乙醇3份、助剂10份。
所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，型号为XF022-17440-44-0。
所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于233m2/g，购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT103。
所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为1:1。
所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维2份、纳米氧化铝2份、松节醇2份、硅烷偶联剂KH-560 3份。
所述聚酯短纤维购自淄博宇星新材料科技有限公司，货号为02。
所述纳米氧化铝的粒径为25-35nm，比表面积为120-180m2/g，购自宣城晶瑞新材料有限公司，型号为VK-L30D。
对比例2
对比例2提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌8min，然后边搅拌边加入石墨烯重量3倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至150℃搅拌4h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入3倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80℃搅拌2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，50℃水浴超声2h，然后放入高速搅拌机中以6000rpm的转速搅拌6h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
其中，制备原料按重量份计，石墨烯80份、碳纳米管25份、膨胀剂3、壬基酚聚氧乙烯醚2份、2-氨基乙醇3份、助剂10份。
所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm，购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，型号为XF022-17440-44-0。
所述碳纳米管直径8-15nm，比表面积大于233m2/g，购自北京德科岛金科技有限公司，型号为CNT103。
所述膨胀剂选自腐殖酸和木质素磺酸钠的混合，重量比为1:1。
所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维2份、松节醇2份、硅烷偶联剂KH-5603份。
所述聚酯短纤维购自淄博宇星新材料科技有限公司，货号为02。
性能评价
分别将上述实施例和对比例制备的铅酸电池用石墨烯量子点复合材料以0.1％的质量分数加入到铅酸电池负极，按正常工艺制成12V、12A的铅酸蓄电池。
1、使用寿命测试
对上述制备的铅酸蓄电池进行循环次数测试，循环次数高于700次记为合格，否则即为不合格；测试结果见表1。
2、稳定性测试
对上述制备的铅酸蓄电池在循环300次时的放电时间进行检测，如果高于150min，记为合格，否则即为不合格，测试结果见表1。
表1
Figure BDA0003054106010000081
Figure BDA0003054106010000091
通过上述实施例和对比例可以得知，本发明提供了一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，制备得到的铅酸电池用石墨烯量子点复合材料能够有效提高铅酸电池的使用寿命和稳定性。
最后指出，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a)将助剂加入石墨烯粉体中搅拌5-10min，然后边搅拌边加入石墨烯重量2.5-3.5倍的纯净水，进行分散处理，然后升温至120-200℃搅拌4-5h，得到预混液A；
b)在碳纳米管中加入2.5-3.5倍纯净水，然后再加入壬基酚聚氧乙烯醚、2-氨基乙醇，进行分散处理，然后升温至80-85℃搅拌1-2h，得到预混液B；
c)将预混液A、膨胀剂中加入预混液B，40-60℃水浴超声1-3h，然后放入高速搅拌机中以6000-8000rpm的转速搅拌5-8h，得到石墨烯量子点复合材料的浆料；
d)将浆料进行过滤烘干粉碎得到铅酸电池用石墨烯量子点复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：制备原料按重量份计，所述石墨烯60-100份、所述碳纳米管20-40份、所述膨胀剂1-5份、所述壬基酚聚氧乙烯醚1-3份、所述2-氨基乙醇1-5份、所述助剂3-15份。
3.根据权利要求2所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯与碳纳米管的重量比为(3-5)：1。
4.根据权利要求2所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述石墨烯厚度为1-5nm，片径1-3μm。
5.根据权利要求2所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述碳纳米管直径5-20nm，比表面积不低于200m2/g。
6.根据权利要求2所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述膨胀剂选自腐殖酸、木质素、木质素磺酸钠中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述助剂包括以下重量份的原料：聚酯短纤维1-3份、纳米氧化物1-3份、松节醇1-3份、硅烷偶联剂1-5份。
8.根据权利要求7所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述纳米氧化物包括纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米氧化铁中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述纳米氧化物为纳米氧化铝，所述纳米氧化铝的粒径为20-40nm，比表面积为100-200m2/g。
10.根据权利要求7所述的一种铅酸电池用石墨烯量子点复合材料的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂包括KH-550、KH-551、KH-560、KH-561、KH-563、KH-570、KH-571中的至少一种。
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