一种改性碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种改性碳材料及其制备方法和应用，所述改性碳材料包括经活化造孔的碳基材料，碳基材料表面负载有纳米硫酸钡和析氢抑制剂。本发明专利技术通过在碳基材料表面负载纳米硫酸钡，能够增加铅炭电池负极的硫酸铅结晶位点，从而提高铅炭电池负极在低温下的放电容量和充电接受能力；通过在碳基材料表面负载析氢抑制剂，能够显著提高铅炭电池负极的析氢过电位，从而减少负极充电过程中的氢气析出量。将本发明专利技术改性碳材料掺入负极制备得到的铅炭电池，在-40℃～0℃的低温条件下，依然能能够保持优异的电池性能，拓展了铅炭电池的应用领域。域。

【技术实现步骤摘要】
一种改性碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电池储能
，具体涉及一种改性碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在过去的150年时间里，铅酸电池一直占据着低成本大规模二次储能电池市场的主导地位，铅酸电池以其成熟的生产技术、高安全性、生产成本低、高回收率等优点在全球范围内被广泛应用。
[0003]在铅酸电池的负极中掺加一定量的碳材料便构成了铅炭电池，铅炭电池利用其碳材料的高导电性可以有效的抑制铅酸电池的硫酸盐化问题，因而大幅延长铅酸电池的循环使用寿命。然而碳材料的加入为铅炭电池带来了两个新的突出问题：一是电池充电过程的析氢问题，二是电池的低温容量明显降低问题。
[0004]造成铅炭电池低温容量偏低的主要原因是：低温条件下，电解液硫酸浓度的降低会提高其冰点温度，进而降低电解质离子的迁移速度，增大电极的浓差极化。负极浓差极化的增大，会使铅炭电池的端电压在放电过程中提前达到放电终止电压，使电池放出的电量有所下降。增大电解液的浓度，虽然可以在一定程度上提高铅炭电池的低温放电容量，但会加速电极的硫酸盐化，显著降低电池的充放电循环寿命。造成析氢的主要原因是：碳材料的加入会降低负极的析氢过电位，导致在过充电和大电流充电时会使电解液水分流失增加。在碳材料表面负载高析氢过单位的单质或化合物，可以减少铅炭电池氢气的析出，但是简单的机械混合方式不能很好地使析氢抑制剂发挥作用，不能有效地改善析氢。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种适用于内混型铅炭电池的碳材料，具体提出了一种改性碳材料及其制备方法和应用，通过对常规碳材料进行造孔活化，并在其表面负载大量纳米硫酸钡和析氢抑制剂，在抑制电池充电过程析氢的同时，能够在电池放电末期提供大量的硫酸铅结晶位点，从而提高电池低温放电容量。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]本专利技术一方面，提供了一种低温铅炭电池用碳材料，所述改性碳材料包括经活化造孔的碳基材料，所述碳基材料表面负载有纳米硫酸钡和析氢抑制剂。
[0008]可选地，纳米硫酸钡的含量为碳材料总质量的0.1％～99％。
[0009]可选地，所述纳米硫酸钡的粒径范围为0.1～500nm。
[0010]析氢抑制剂的用量为析氢抑制剂与所述碳基材料总质量的0.1％～91％。
[0011]具体地，析氢抑制剂的用量独立选自析氢抑制剂与碳材料总质量的0.1％、1％、20％、70.3％、74.7％、80.6％、90.8％、91％。
[0012]可选地，析氢抑制剂为高析氢过电位元素的单质或化合物；
[0013]高析氢过电位元素包括Zn、Bi、Cd、Pb、In、Sn中的至少一种；
[0014]化合物包括硝酸盐、乙酸盐、醇盐中的至少一种。
[0015]可选地，碳基材料的比表面积为300～2500m2/g。
[0016]本专利技术另一方面，提供了一种改性碳材料的制备方法，至少包括：
[0017]对碳基材料进行活化造孔，得到活化碳材料；
[0018]将所述活化碳材料在析氢抑制剂的溶液中浸渍混合，得到抑制析氢碳材料；
[0019]将钡盐与络合剂进行络合反应，得到钡盐络合物；
[0020]采用所述钡盐络合物对所述抑制析氢碳材料进行改性，得到改性碳材料。
[0021]可选地，钡盐的用量占钡盐与抑制析氢碳材料总质量的1％～65％；
[0022]钡盐为水溶性钡盐；
[0023]络合剂为氨基多羧酸类螯合剂。
[0024]具体地，钡盐的用量独立选自钡盐与抑制析氢碳材料总质量的1％、30.9％、47.2％、57.3％、64.2％、65％。
[0025]钡盐可以选自除硫酸钡、碳酸钡以外的钡盐，如硝酸钡、氯化钡等，本专利技术优选地，采用硝酸钡。
[0026]络合剂可以选自乙二胺四乙酸(EDTA)、亚氨基二琥珀酸四钠(IDS)、二乙基三胺五乙酸(DTPA)、氨基三乙酸(NTA)中的任意一种。
[0027]可选地，一种改性碳材料的制备方法，至少包括：
[0028]对碳基材料采用碱液进行活化造孔，得到活化碳材料；
[0029]将活化碳材料在析氢抑制剂的溶液中浸渍混合得到浸渍产物，对浸渍产物进行干燥、烧结，得到抑制析氢碳材料；
[0030]将钡盐与络合剂进行络合反应，得到钡盐络合物；
[0031]将抑制析氢碳材料加入钡盐络合物中浸渍，得到富含钡盐络合物的碳材料；
[0032]对富含钡盐络合物的碳材料进行烧结，得到富含钡的氧化物的碳材料；
[0033]将富含钡的氧化物的碳材料与硫酸溶液反应，得到富含纳米硫酸钡的碳材料。
[0034]可选地，浸渍产物的烧结参数为：气氛保护下，在200～900℃保温2～5h。
[0035]烧结温度的下限独立选自200℃、300℃、400℃、500℃、800℃；干燥温度的上限独立选自250℃、450℃、600℃、700℃、900℃。
[0036]烧结时间独立选自2h、2.5h、3h、4h、5h。
[0037]可选地，得到富含钡盐络合物的改性碳材料和得到富含纳米硫酸钡的改性碳材料的过程，至少包括：
[0038]对富含钡盐络合物的改性碳材料和富含纳米硫酸钡的改性碳材料进行干燥；
[0039]干燥温度为80～120℃。
[0040]干燥温度的下限独立选自80℃、90℃、95℃、100℃、110℃；干燥温度的上限独立选自90℃、100℃、110℃、115℃、120℃。
[0041]干燥时间可以根据产物干燥程度确定，以除去其中的游离水为准。
[0042]可选地，富含钡盐络合物的改性碳材料的烧结参数为：气氛保护下，在600～900℃保温1～5h。
[0043]烧结温度的下限独立选自600℃、650℃、700℃、750℃、800℃；干燥温度的上限独立选自650℃、750℃、800℃、850℃、900℃。
[0044]烧结时间独立选自1h、2h、3h、4h、5h。
[0045]可选地，硫酸溶液的密度为1.05～1.5g/cm3；
[0046]硫酸溶液中硫酸的质量为钡盐与抑制析氢碳材料总质量的11％～37％。
[0047]硫酸溶液的用量决定了改性碳材料中纳米硫酸钡的负载量，从而影响电池的放电容量。加入硫酸溶液过少，生成纳米硫酸钡过少，不能在负极产生足够的硫酸铅结晶位点，不能达到提高电池放电容量的效果；反之，加入硫酸溶液过多，纳米硫酸钡的含量不会继续增多，造成了资源的浪费。
[0048]具体地，硫酸用量独立选自钡盐与抑制析氢碳材料总质量的11％、18.50％、25.90％、34.88％、37％；在本专利技术具体实施例中，采用25℃下，密度为1.275g/cm3的硫酸溶液，硫酸溶液的用量大于钡盐与碳基材料总质量的30％，硫酸溶液的用量独立选自钡盐与碳基材料总质量的50％、70％、94.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性碳材料，其特征在于，所述改性碳材料包括经活化造孔的碳基材料，所述碳基材料表面负载有纳米硫酸钡和析氢抑制剂。2.根据权利要求1所述的改性碳材料，其特征在于，所述纳米硫酸钡的含量为所述改性碳材料总质量的0.1％～99％；所述析氢抑制剂的用量为所述析氢抑制剂与所述碳基材料总质量的0.1％～91％。3.根据权利要求1所述的改性碳材料，其特征在于，所述析氢抑制剂为高析氢过电位元素的单质或化合物；所述高析氢过电位元素包括Zn、Bi、Cd、Pb、In、Sn中的至少一种；所述化合物包括硝酸盐、乙酸盐、醇盐中的至少一种。4.根据权利要求1所述的改性碳材料的制备方法，其特征在于，所述碳基材料的比表面积为300～2500m2/g。5.根据权利要求1或4任一项所述的改性碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法至少包括：对碳基材料进行活化造孔，得到活化碳材料；将所述活化碳材料在析氢抑制剂的溶液中浸渍混合，得到抑制析氢碳材料；将钡盐与络合剂进行络合反应，得到钡盐络合物；采用所述钡盐络合物对所述抑制析氢碳材料进行改性，得到改性碳材料。6.根据权利要求5所述的改性碳材料的制备方法，其特征在于，所述钡盐的用量占所述钡盐与所述抑制析氢碳材料总质量的1％～65％；所述钡盐为水溶性钡盐；所述络合剂为氨基多羧酸类螯合剂。7.根据权利要求5所述的改性碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法，至少包括：对碳基材料采用碱液进行活化造孔，得到活化碳材料；将所述活化碳材料在析氢抑制剂...

【专利技术属性】
技术研发人员：李先锋，阎景旺，席耀宁，张洪章，张华民，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：