一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法技术

本发明专利技术方法公开了一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法，通过将碳材料制成碳电极，在不同活化扫描速度条件下形成多孔有活性的结构，然后进行循环伏安测试，获得不同活化扫描速度下碳电极的比容量，将各扫描速度下的比容量进行线性拟合，在活化扫描速度测试范围内，对拟合线性进行面积积分，根据该面积积分的大小评价碳材料同铅的亲和力，积分值越大，亲和力越高，越小亲和力越低。本发明专利技术方法能够较为简便准确地检测碳材料与铅亲和力的情况，克服了碳材料不易溶于水，不方便用电化学方法进行检测的问题。

A Method for Evaluating the Affinity of Carbon Material to Lead

The method discloses a method for evaluating the affinity of carbon materials with lead. By making carbon materials into carbon electrodes, porous and active structures are formed at different activation scanning speeds, and then cyclic voltammetry is carried out to obtain the specific capacities of carbon electrodes at different activation scanning speeds. The specific capacities of carbon electrodes at different scanning speeds are linearly fitted and activated scanning speeds are obtained. In the test range, the area integral of the fitting linearity is used to evaluate the affinity of carbon materials with lead according to the size of the area integral. The greater the integral value, the higher the affinity, the lower the affinity. The method can detect the affinity between carbon material and lead more simply and accurately, overcome the problem that carbon material is not easy to dissolve in water and is not convenient to be detected by electrochemical method.

【技术实现步骤摘要】
一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法
本专利技术涉及电化学分析测试
，特别是涉及一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法。
技术介绍
碳材料是铅酸蓄电池负极板生产的原材料，在化成和充放电过程中起导电网络的作用，随着硫酸铅的累积，负极导电性下降，通过在负极中添加一定量的碳材料，能够显著抑制硫酸铅的累积，提升蓄电池的寿命性能。市场上的碳材料种类非常多，有微米级尺寸的石墨，也有纳米级尺寸的炭黑，这些材料本身电导率都非常优异，但是在生产过程中发现，并不是所有电导率高的材料都能够抑制硫酸铅的累积，这主要原因在于碳材料同负极活性物质海绵状金属铅的亲和力差，碳材料并没有发挥作用。负极活性物质铅主要由两部分构成，一部分为骨架结构，另一部分为能量结构。在充放电过程中，能量结构完成活性物质转换，对外提供能量，少部分骨架结构也会参与活性物质转换，大部分骨架结构只是充当了导电结构，把电流从活性物质载体板栅传到到活性物质。碳材料同铅的结合，主要有两种形式，一种是吸附在活性物质表面，另外一种是嵌入到骨架结构中，亲和力好的碳材料，嵌入到骨架结构后，在充放电过程中，又被能量结构包裹，导致了负极活性物质宏观结构发生了变化，例如比表面积和微孔半径，在放电过程中因为碳材料的嵌入，导致生成的硫酸铅晶格形成缺陷，因此在后续充电过程中，有缺陷的硫酸铅溶解度得到了提高，提升了充电的效率。碳材料的添加改变了负极板的基本属性，无疑将影响其电化学性质，这个性质很大程度上取决于碳对铅的亲和力。检测两种物质之间的亲和力可用电化学检测方法测量，循环伏安法是一种很实用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。也可用于定量确定反应物浓度，电极表面吸附物的覆盖度，电极活性面积以及电极反应速率常数、交换电流密度，反应的传递系数等动力学参数。针对铅蓄电池，在实验前期阶段，例如材料的筛选，可以通过电化学测试得到有效的结论，进而进行后续的电池装配实验。而电化学测试只需要制备好工作电极，就可以有针对性的对负极进行研究，工作电极的制备相比电池的制备，影响因素要少，而且都较易控制，因而得出的结论非常具有参考价值，因此负极工作电极的制备就显得较为关键。电化学分析测试是电化学研究过程中必备的手段，在测试过程中涉及3电极工作体系，分别是工作电极、辅助电极以及参比电极。测试过程中，为了尽量避免偶然误差，辅助电极的面积要大于工作电极的面积，通常要求在10倍以上，参比电极尽量接近工作电极工作面，避免对电极造成屏蔽，以保证电极电势的正确测量和控制，工作电极除了工作面之外，非工作面要采用绝缘材质进行密封处理，除此之外，测试过程中，每次工作电极工作面和辅助电极工作面之间的距离保持一致，工作面基本要求保持对称，才能保证电极表面各处的电力线均匀分布。但是，碳材料不易溶于酸和水，因此将材料溶于电解液，用纯铅薄片作为工作电极的电化学测试手段不可取。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的不足，提供了一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法。一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法，包括以下步骤：(1)制备碳材料浆料；(2)将碳材料浆料涂覆在集流体的工作面上，干燥处理后获得碳基板；(3)在碳基板上电沉积一层铅制得碳电极；(4)在不同扫描速度下对碳电极进行活化，将活化后的碳电极作为工作电极进行循环伏安测试，获得不同活化扫描速度下碳电极的比容量，将各扫描速度下的比容量进行线性拟合，在活化扫描速度范围内，对拟合线性进行面积积分，根据该面积积分的大小评价碳材料同铅的亲和力，积分值越大，亲和力越高，越小亲和力越低。其中，步骤(1)中碳材料浆料的制备方法包括：将碳材料与水混合并加入有机溶剂和粘合剂，搅拌均匀制得碳材料浆料。所述有机溶剂为NMP，粘合剂为PVDF，所述碳材料浆料的配方的质量比为：碳材料∶水∶有机溶剂NMP∶粘合剂PVDF＝1∶1～3∶4～6∶1～3。有机溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)的作用是用于浸润碳材料，提供流动性，制成浆料。粘合剂PVDF(聚偏氟乙烯)的作用是使涂覆材料颗粒与颗粒之间链接强度增大，此外涂覆才和集流体之间连接性增强，粘结剂还可以选择PTFE(聚四氟乙烯)。步骤(1)中，碳材料浆料的涂覆量为100～200μm。涂覆的面积为工作面的面积。所述集流体使用多孔泡沫铅板，多孔泡沫铅板的孔隙率为40％～60％，孔径大小200～500μm。多孔泡沫铅板是一种3维网状的多孔材料，基底为纯铅材料，保证在硫酸体系下的耐腐，3维网状多孔结构，和众多电化学测试用的平板工作电极相比，可以有效填充碳材料，结合强度要优于平板工作电极，在测试过程中不会因为脱落影响测试。集流体工作面的大小可以根据需要选择，为了后续计算方便，所述集流体的工作面大小为1cm×1cm。步骤(3)中电镀方法包括：将所述碳基板作为阴极，以具有与所述碳基板相同工作面大小的铅电极作为阳极，电镀液为0.5mol/L的硝酸铅水溶液，采用恒电流电镀工艺，电量控制在500mA·s/cm2，电流密度选择5mA/cm2，镀层厚度为150～300μm。镀层厚度可以通过控制电镀时间来确定。阳极为相同大小的纯铅薄片电极，以此保证电镀槽中Pb2+浓度稳定。步骤(4)中活化和循环伏安测试方法包括：(a)以所述碳电极作为工作电极，以Pt电极作为对电极，Hg/Hg2SO4作为参比电极，硫酸溶液作为电解液；(b)在电解液中浸泡30min后，测量开路电压，并作为起点正扫，电势窗口为-1.3V～-0.8V，选定活化扫描速度，进行50个循环，通过活化过程，沉积的铅在碳材料的影响下，形成多孔有活性结构；；(c)静置10min后再次测量开路电压，并作为起点正扫，电势窗口为-1.3V～-0.8V，选定扫描速度，进行10个循环，扫描终点电位为-0.8V；(d)选择第10个循环，根据如下公式，计算阳极氧化过程中碳电极的比容量C：其中m为涂覆量，因为干燥过程中有机溶剂和水都会挥发，m值接近碳材料克重，v为测试过程中的扫描速度，E1-E2为电势窗口-1.3V～-0.8V，I(E)为测试过程中电流值；(e)重复步骤(c)和(d)，测试多个不同活化扫描速度的碳电极并计算相应的比容量，活化扫描速度的选择范围为0～100mV/s，测试扫描速度为1mV/s。所述硫酸溶液的密度为1.05g/cm3～1.34g/cm3。所述碳材料为乙炔黑、膨胀石墨或炭黑。本专利技术方法通过将碳材料制成碳基板，通过电沉积铅变成碳电极，然后将所述碳电极进行活化，最后将活化后的碳电极作为工作电极进行循环伏安测试，获得不同活化扫描速度下碳电极的比容量，将各扫描速度下的比容量进行线性拟合，在扫描速度测试范围内，对拟合线性进行面积积分，根据该面积积分的大小评价碳材料同铅的亲和力，积分值越大，亲和力越高，越小亲和力越低。本专利技术方法能够较为简便准确地检测碳材料与铅亲和力的情况，克服了碳材料不易溶于酸和水，不方便用电化学方法进行检测的问题。附图说明图1为实施例4中不同活化扫描速度下对应比容量数据线性拟合结果图。图2为实施例5中不同电解液密度下对应比容量数据线性拟合结果图。具体实施方式实施例1碳电极制备。(1)制备碳材料浆料：碳材料(C1为乙炔黑，C2为膨胀石墨)质量20g，水40g，有机溶剂NMP100g，粘合剂PVDF4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备碳材料浆料；(2)将碳材料浆料涂覆在集流体的工作面上，干燥处理后获得碳基板；(3)在碳基板上电沉积一层铅制得碳电极；(4)在不同扫描速度下对碳电极进行活化，将活化后的碳电极作为工作电极进行循环伏安测试，获得不同活化扫描速度下碳电极的比容量，将各扫描速度下的比容量进行线性拟合，在活化扫描速度范围内，对拟合线性进行面积积分，根据该面积积分的大小评价碳材料同铅的亲和力，积分值越大，亲和力越高，越小亲和力越低。

【技术特征摘要】
1.一种用于评价碳材料同铅亲和力的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)制备碳材料浆料；(2)将碳材料浆料涂覆在集流体的工作面上，干燥处理后获得碳基板；(3)在碳基板上电沉积一层铅制得碳电极；(4)在不同扫描速度下对碳电极进行活化，将活化后的碳电极作为工作电极进行循环伏安测试，获得不同活化扫描速度下碳电极的比容量，将各扫描速度下的比容量进行线性拟合，在活化扫描速度范围内，对拟合线性进行面积积分，根据该面积积分的大小评价碳材料同铅的亲和力，积分值越大，亲和力越高，越小亲和力越低。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中碳材料浆料的制备方法包括：将碳材料与水混合并加入有机溶剂和粘合剂，搅拌均匀制得碳材料浆料。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂为NMP，粘合剂为PVDF，所述碳材料浆料的配方的质量比为：碳材料∶水∶有机溶剂NMP∶粘合剂PVDF＝1∶1～3∶4～6∶1～3。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，碳材料浆料的涂覆量为100～200μm。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集流体使用多孔泡沫铅板，多孔泡沫铅板的孔隙率为40％～60％，孔径大小200～500μm。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述集流体的工作面大小为1cm×1cm。7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中电镀方法包括：将所述碳基板作...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉，邓成智，李亚，李桂发，陈强，丁伯芬，沈菲，郭志刚，
申请(专利权)人：天能电池集团有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33