[发明专利]一种铅炭复合材料、其制备方法和应用

说明书

本发明属于化学电源领域，更具体地，涉及一种铅炭复合材料、其制备方法和应用。以固态铅盐、固态强碱以及炭材料作为原料，利用机械化学方法，使所述原料在机械力的作用下发生化学反应，生成铅炭复合材料。本发明提供的机械化学合成方法得到的铅炭复合材料，显著增强了产物的电化学活性以及氧化铅与炭材料的结合强度，克服了铅炭电池中炭材料由于密度差异易与活性物质分离的问题，使电池的初始容量提升1.3倍，HRPSoC(高倍率部分荷电状态)循环寿命提升3倍以上，对于铅炭电池性能的提升具有重要意义。

技术领域

本发明属于化学电源领域，更具体地，涉及一种铅炭复合材料、其制备方法和应用。

背景技术

铅酸蓄电池是一种历史悠久的二次电源，由于其性能稳定、价格低廉、回收体系完整等优势，一直在二次电源市场中占据着主导地位。传统的铅酸蓄电池用途十分广泛，包括汽车起停电池、动力电池、UPS等。随着汽车工业的发展，混合动力汽车成为新的发展趋势，在此应用场景中，电池需要经受高倍率部分荷电状态，这对传统的二次电池提出了新的挑战。铅炭电池是铅酸蓄电池的创新技术，由于负极中炭材料的引入，提供了一定的电容特性，同时带来了大量的电子转移通道，抑制了负极板的不可逆硫酸盐化，从而显著提升电池在部分荷电状态下的大电流放电能力以及循环寿命，在混合动力汽车以及其它间歇式储能领域展现出极大的发展潜力。

目前商业化的铅炭电池中，炭材料加入方式多为直接向铅粉中加入(如专利CN.201210371066.2中直接加入活性炭，专利CN.201510484014.X中直接加入絮状碳材料)，然后通过搅拌直接混合。由于炭材料与铅粉在密度、吸水性等性质上的巨大差异，二者极难均匀混合。同时必须指出，混合后的铅粉与炭材料，在电池制作过程中，必须在水与电解液硫酸中搅拌，如若铅粉与炭材料结合不紧密，由于密度差异，炭材料将会轻易的析出到电解液或者隔板间隙中，从而无法发挥其特性，进而影响电池性能。

现有的复合材料，大多基于炭材料的吸附特性，通过吸附、碳化(活化)或二者的结合制得。专利CN.201610370183.5将炭材料置于铅盐溶液中，吸附一段时间后，高温碳化得到氧化铅与炭的复合物。该类方法实质上是首先通过物理吸附使铅与炭材料复合，然后经过化学活化或碳化的两步过程，过程较为复杂且成本较高。由于吸附特性的差异，其中炭的质量分数难以精确调控。所合成的复合材料，仍作为添加剂加入铅粉中，需要二次混合，并未实质上解决炭材料在铅粉中分布不均的问题。其他的技术手段，专利CN.201010608794.1采用电沉积技术，需首先将碳材料涂覆在电极上，然后通过电沉积方法将铅沉积到炭材料上；CN.201210493085.2采用雾化喷涂技术则需先将炭材料制成溶胶，然后经过造粒，碳化，镀铅等工序，制备铅炭复合材料。综上所述，现有这些技术具有较好的可行性，但也存在着一些共性问题：现有的碳材料或复合材料均是作为添加剂加入活性物质中，仍需经过混合后才能制得铅膏，其均匀性难以保证；基于吸附或是其他方法的过程，由于碳源本身的性质差异，最终产物中的碳的含量难以控制；上述方法普遍流程较长，过程复杂，成本较高。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铅炭复合材料、其制备方法和应用，其目的在于通过采用机械化学方法，使固态铅盐、强碱和炭材料同时发生化学反应和机械活化，制得铅炭复合材料，并将其用作铅炭电池的负极材料，由此解决目前铅炭电池负极中，单独添加炭材料时，其容易与铅分离；而无论是添加炭材料还是铅炭复合材料，普通的搅拌均无法使炭材料均匀分布；且现有的复合材料制备流程往往需要多步物理、化学反应步骤结合导致成本增加的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铅炭复合材料的制备方法，以固态铅盐、固态强碱以及炭材料作为原料，利用机械化学方法，使所述原料在机械力的作用下发生化学反应，生成铅炭复合材料。

优选地，所述机械化学方法为通过高能球磨作用使不同元素或其化合物相互作用，形成超细粉体的方法。