[发明专利]一种高析氢过电位碳材料在铅/碳电池中的应用

说明书

本发明涉及电化学储能材料技术领域，具体涉及一种高析氢过电位碳材料在铅/碳电池中的应用，将所述碳材料添加入铅酸电池负极制成铅/碳电极应用于电化学储能器件制造领域；所述碳材料通过在熔融碱金属碳酸盐中电解还原CO₂制备而成，电解过程中CO₂被碳酸盐分解产生的碱金属氧化物捕获，进而在阴极上还原生成固态的CO₂衍生碳材料。本发明提供的CO₂衍生碳材料具有比表面积大、比电容高、导电性好、在高浓度硫酸溶液中具有很高的析氢过电位等优点，作为铅酸电池负极添加材料使用时，可显著抑制电池充电过程中析氢反应的发生，避免电池失水失效，进而有效提高蓄电池的循环寿命。

技术领域

本发明涉及电化学储能材料技术领域，具体涉及一种高析氢过电位碳材料在铅/碳电池中的应用。

背景技术

铅酸电池安全性好、成本低廉、制造技术成熟、回收再生率高，是目前产量最大、用途最广的一种化学二次电池。但是传统铅酸电池负极在高倍率部分荷电状态(HRPSoC)下易发生不可逆的硫酸盐化，导致电池使用寿命缩短、有效容量降低。已有研究表明，通过在普通铅酸电池负极中加入电容性碳材料，能够有效抑制电极的硫酸盐化，显著提高电池使用寿命和功率密度。但是，多数碳材料自身析氢过电位较低，导致充电后期Pb/C负极表面析氢现象加剧，进而造成电池失水甚至失效。

针对这一问题，国内外研究人员提出多种解决方案，例如使用Pb/C复合材料代替纯碳材料、利用杂原子(如磷原子、氮原子)掺杂对碳材料进行改性，以及添加析氢抑止剂(如In₂O₃、Bi₂O₃)等。这些方案虽然能在一定程度上抑制铅/碳电池的负极析氢现象，但同样也存在工艺复杂、操控难度大、成本投入较高等问题，不能从根本上打破铅/碳电池的应用限制。在此背景下，开发来源丰富、性质稳定、导电性好、析氢过电位高的新型碳材料具有十分重要的意义。目前，多数研究将目光聚焦于生物质活性炭材料的制备，并取得了很好的成果。但是这类碳材料大多导电性一般、颗粒不均匀、抑制析氢效果也比较有限。高导电性、高析氢过电位碳材料的开发仍是当前相关研究领域的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高析氢过电位碳材料在铅/碳电池中的应用，将该碳材料作为铅酸电池负极添加剂，以解决铅酸电池负极中加入低析氢过电位的碳材料，导致电解液析氢变质和电池使用寿命降低的问题。

本发明实现目的所采用的方案是：一种高析氢过电位碳材料在铅/碳电池中的应用，将所述碳材料添加入铅酸电池负极制成铅/碳电极应用于电化学储能器件制造领域；所述碳材料通过在熔融碱金属碳酸盐中电解还原CO₂制备而成，电解过程中CO₂被碳酸盐分解产生的碱金属氧化物捕获，进而在阴极上还原生成固态的CO₂衍生碳材料。

具体的，碳材料的制备包括以下步骤：(1)将碱金属碳酸盐填充进高温电解反应器内；

(2)先将步骤(1)中的反应器在惰性气体保护下加热至碳酸盐融化，随后将熔融盐温度调节至指定反应温度；

(3)将阴、阳两极浸入步骤(2)所得熔融碳酸盐中，向熔盐内阴极区域通入CO₂气体，使用两电极体系进行恒压或恒流电解；

(4)电解结束后，将阴极从熔盐中取出并在惰性气体保护下冷却至室温，对阴极产物进行洗涤、干燥，即得到具有高析氢过电位的CO₂电化学转化碳材料(简称CO₂衍生碳)。

优选地，电解制备碳材料的过程中，所述熔融碱金属碳酸盐的温度为480-780℃。