[发明专利]一种纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料的制备方法及应用，属于铅酸电池技术领域。所述的制备方法包括：(1)将多级孔结构碳材料浸泡于NaOH或KOH水溶液中，过滤、洗涤至中性后烘干得到粉末，再在惰性气氛下烧结，得到具有官能团修饰的多级孔结构碳；(2)将具有官能团修饰的多级孔结构碳置于空气气氛下煅烧制得表面修饰的多级孔结构碳；(3)将表面修饰的多级孔结构碳浸没于硝酸铅溶液中，再滴加硫酸溶液，收集沉淀，清洗，干燥后制得所述的纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料。本发明提供的复合材料应用于铅酸电池的负极中，具有更高能量密度，且在部分荷电态条件下具有超长的循环寿命，真正实现储能应用领域的要求和收益。

技术领域

本发明涉及铅酸电池技术领域，具体涉及一种纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料的制备方法及应用。

背景技术

随着新型储能技术的快速发展，对稳定可再生能源储能、消纳的需求日益迫切。目前，电网中应用的储能蓄电池主要有铅碳电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池。这些技术中，锂离子电池和铅碳电池是目前最成熟的储能电池技术，但前者使用稀缺金属锂和较为苛刻的生产过程导致其成本较高，并且磷酸铁锂、三元正极材料等核心专利均为国外拥有，缺少中国自身研发的核心技术。更为重要的是，由于使用基于有机溶剂的电解液，锂离子电池的安全性和成组一致性较差，不适合大规模在储能领域推广。基于水系电解液的铅碳因其具备的特殊优势(例如，低成本、高安全性和回收工艺成熟等)，在发生事故和误操作时依然安全，可以完全立足于现代化工业领域内并具有巨大的潜在应用前景。

铅碳电池利用碳材料作为负极添加剂，在高倍率部分荷电状态条件下能够拥有超长循环寿命，这对电网规模能源储存和可再生绿色能源方面的应用是必要的。然而碳材料的开发利用方面还有待进一步的研究，由于单一碳材料性质相差较大，如比表面积、电导率、表面官能团种类、丰度以及嵌入化学性质均有较大不同，因此不同碳材料做负极添加剂的效果迥异，这说明电导率的提高并不是电池性能提高的唯一原因。另外，由于铅酸电池电位范围较宽，电极内高比表面碳材料可能会发生副反应，生成二氧化碳、一氧化碳等产物并消耗大量电解液中的水，导致电池性能下降。此外，碳材料的高成本、碳源的选择(乙炔黑、石墨、活性炭及两者混合)、纯度及制备工艺复杂等材料问题均导致超级电池无法突破化成困难、自放电严重、水损耗以及碳含量低(<2wt.%)等瓶颈，将会限制铅碳电池的未来应用。

申请号为201710035287.5的专利文献公开了一种多孔级结构导电碳材料，该材料具有开放孔道和有序介观结构，介孔隧道的孔径范围为6~8nm，无序大孔的孔径为70~100nm。该发明通过设计适宜的多孔结构提供大量的反应活性接触面积，可在显著提高活性物质载量的条件下，依然保证电子/离子快速畅通传输，最大程度降低浓差极化。

目前，已有研究者报道了将铅电沉积与活性碳表面的复合材料，并将其应用于铅碳电池，证明这种复合材料能够有效抑制析氢，增加电流分布方向，从而增强Pb/PbSO₄的可逆反应。但随着循环的次数的增加，仍旧有一些铅颗粒沉积在外表面生长形成不可逆的硫酸盐化，这会影响铅碳电池性能的进一步提升。目前采用的活性碳尽管具有高比表面积，但大多为微孔构成(>2000m²∙g^-1)无法适应Pb²⁺扩散传输，并且孔道结构扭曲，增加铅离子在传输过程中的难度，并不能很好的实现铅的可逆反应，无法进一步延长铅碳电池的寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料，将其应用于铅酸电池的负极板中，以解决现有技术中铅酸电池可逆性差、容量低及水损耗等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米铅沉积多级孔结构碳复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将多级孔结构碳材料浸泡于NaOH或KOH水溶液中，过滤、洗涤至中性后烘干得到粉末，再在惰性气氛下烧结，得到具有官能团修饰的多级孔结构碳；