[发明专利]一种炭包覆铅复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于活性炭杂化材料领域，具体涉及一种炭包覆铅复合材料的制备方法。

背景技术

能源危机以及环境保护政策正在不断推动新能源技术快速发展。超级电容器又称为电化学电容器或双电层电容器，是一种具有更高功率密度和能量密度的新型储能器件。超级电容器具有使用寿命长、环境适应能力强、充放电效率高等优点。经过了近三十年的发展，超级电容器技术已经取得了很大的进展，特别是在高比表面积、大比容量活性炭方面不断取得突破。但由于超级电容器的造价仍然很高，而且能量密度一直比二次电池低，在需要高比能量的应用领域，超级电池仅能扮演辅助功能，起到缓冲作用，或起到补充峰值电流的作用。电池与超级电容器各有利弊，为了集两者的优势于一体，研究人员正在试图发明两者的混合体即“超级电池”。超级电池的主要特点是：成本低、能量密度高、能量储存量大、循环使用寿命长、环境适应能力强等。将超级电容器与传统铅酸蓄电池混合，将能更好的体现价格与性能的优势，从而在铅酸蓄电池的传统应用领域，以及新的动力电池应用领域获得更好的发展空间。

N·P·Haigh等对铅炭超级电池进行了研究。所谓超级电池,是将超级电容器与铅酸电池的外部并联使用进化为“内并”,即将双电层电容器的高比功率、长寿命的优势融合到铅酸电池中,在保持“外并”提高功率、延长电池寿命优点的同时,又能简化电路、提高比能量,并降低总费用。L·T·Lam等以PbO₂为正极、Pb和活性炭(AC)的混合物为负极,设计了一种集电容器和铅酸电池于一体的铅酸电容器,功率密度较高但成本低廉。尽管国内外关于超级电池的研究报道均表明超级电池是一种非常有前景的电源新技术，但超级电池的开发仍然遇到非常大的挑战。将Pb与活性炭简单的混合作为负极材料，虽然在短期内能体现某些超级电池功能，如大电流充放电特性，但由于长期循环后活性炭析出、剥落，导致负极粉化，循环寿命变差。另外，由于活性炭的大剂量添加，导致负极析氢加剧，电池失水严重。因此铅炭材料的复合技术仍是制约超级电池技术的关键。

发明内容

本发明的目的在于克服现有超级电容器用活性炭在超级电池中应用的性能缺陷，提出一种炭包覆铅复合材料及其制备方法。该铅炭复合材料通过水热、炭化工艺制备，方法简单便于批量化生产。该铅炭复合材料具有壳核结构，外壳为活性炭、内核为铅及氧化铅。这种炭包覆铅的特殊的铅炭复合状态，使炭材料在电池循环过程中具有更稳定的结合状态，不会造成炭材料的析出及负极活性物质的脱落。而铅炭的有机结合能够在一定程度上抑制由于炭材料的引入而产生的析氢现象。该铅炭复合材料能够作为活性物质添加剂与负极铅膏进行混合，适应铅酸蓄电池传统的制造工艺。

本发明的目的可以通过以下措施达到：

一种炭包覆铅复合材料，其特征在于该炭包覆铅复合材料为球型壳核结构，壳为炭，核为铅及氧化铅，通过水热、炭化工艺制备，粒径为0.05～20微米，核壳重量比为（20～80）:（80～20）。

进一步的，核壳重量比为：（20～70）:（80～30）。

进一步的，所述的炭包覆铅复合材料的粒径为0.1～20微米。

上述炭包覆铅复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤:

（1）将铅盐溶于去离子水中，记为溶液A；

（2）将碱溶于去离子水中，记为溶液B；

（3）将溶液B滴加到溶液A中，搅拌2～3h，然后转入水热反应釜，在160～200℃恒温反应10～12h，除去上层清液，得到产物C；

（4）将有机碳源溶于去离子水中，缓慢加入反应釜中，搅拌2～3h，然后在180～220℃高压反应10～12h，将产物过滤，对滤渣用去离子水和乙醇分别洗涤，80～90℃真空干燥6～8h，得到产物D，铅盐与有机碳源的重量比为1：（0.1～3）；

（5）将产物D在400～600℃下、在氩气气氛下恒温炭化3～8h，自然冷却后得到产物炭包覆铅复合材料。

进一步的，所述的铅盐为醋酸铅、硝酸铅或其混合物。

进一步的，所述的碱为氢氧化钠、氢氧化钾或其混合物。

进一步的，所述铅盐用量与碱用量的重量比为（5～20）：（2～5）。

进一步的，所述的有机碳源选自葡萄糖、蔗糖、吐温60、聚乙烯吡咯烷酮或淀粉。