【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池。
技术介绍
当今世界面临的重大课题之一是能源和环境的问题，为了节约有限的化石能源，降低化石燃料导致的污染，世界各国均大力发展新能源汽车，我国也将电动汽车作为重点发展的战略性新兴产业。目前，制约电动汽车发展的瓶颈是动力电池，首要问题是电池的安全性、价格、寿命、比能量、比功率以及快速充电性能。同时，风能、太阳能等可再生清洁能源也获得了大力的开发，但是由于这类能源的产生存在不稳定性，在并入电网时需要储能蓄 电池进行调峰。电动车电池和储能电池的工作环境要求电池在部分荷电状态下频繁进行短时间的大电流充放电，即所谓的“高倍率-部分荷电工作条件”。一方面由于电池的高倍率性能和充电接受能力相对较差，另一方面这一工作条件加速了电池内部材料的衰退(如铅酸电池的负极硫酸盐化，电极活性物质团聚导致比表面积减小等)，因此目前的电池尚不能满足电动车电池和储能电池的要求。为此提出了“超级电池”的理念，即把超级电容器的电容性电极和电池的电化学反应电极并联在同一个单体电池中，在高倍率充放电时由电容性电极分担一部分电流，这样一方面提高了电池的高倍率充放电性能，另一方面减小了大电流对电化学反应电极的冲击，大幅度提高电池在高倍率-部分荷电工作条件下的使用寿命。目前超级电池中使用的电容性电极材料包括各种高比表面积的碳材料以及赝电容材料，其中效果较好的是活性炭和炭黑，但是活性炭的孔径较小(平均2nm左右)，不利于高倍率条件下电解质在孔内的高速传输；而炭黑比表面积较小，比电容较小。石墨烯是近年发展起来的新型碳材料，理论比表面积高达26...
【技术保护点】
包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，它由集流体和涂覆在集流体上的电极材料组成，电极材料包含电容性电极活性物质和电池性电极活性物质，其特征在于电容性电极活性物质包括石墨烯基水凝胶，石墨烯基水凝胶中石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0.01％～20％；其中石墨烯基水凝胶是由石墨烯形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％；或者石墨烯基水凝胶是由石墨烯和非石墨碳材料形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％；非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；非石墨碳材料与石墨烯的质量比为(0.01～20)∶1。
【技术特征摘要】
1.包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，它由集流体和涂覆在集流体上的电极材料组成，电极材料包含电容性电极活性物质和电池性电极活性物质，其特征在于电容性电极活性物质包括石墨烯基水凝胶，石墨烯基水凝胶中石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的 O. 01% 20% ； 其中石墨烯基水凝胶是由石墨烯形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90% 99. 5 % ;或者石墨烯基水凝胶是由石墨烯和非石墨碳材料形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90% 99. 5%;非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；非石墨碳材料与石墨烯的质量比为(O. 01 20) I。2.根据权利要求I所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于所述的由石墨烯形成的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行 一、称取石墨与还原剂；其中石墨与还原剂的质量比为I: (I 1000);还原剂为KOH、NaOH, LiOH、氨水、抗坏血酸、抗坏血酸钠、水合肼、二甲肼、苯肼、乙二胺、硼氢化钠、对苯二酚和硫脲中的一种或其中几种的组合； 二、将步骤一称取的石墨氧化成为氧化石墨； 三、按氧化石墨的浓度为O.01mg/mL 50mg/mL,将步骤二得到的氧化石墨加入水中，超声剥离、分散，得到氧化石墨烯水分散液； 四、将步骤三得到的氧化石墨烯水分散液在温度为4°C 100°C的条件下，加入还原齐U，在频率为20 ΙΟΟΚΗζ、功率为40 1000W的超声条件下还原O. 2h 6h，得到石墨烯胶体分散液； 五、将步骤四得到的石墨烯胶体分散液真空抽滤、减压旋转蒸发、静置处理或旋转离心处理至含水量为90% 99. 5%的凝胶从石墨烯胶体分散液中析出，然后再对凝胶进行渗析或真空抽滤水洗，得到石墨烯基水凝胶。3.根据权利要求I所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于所述的由石墨烯和非石墨碳材料形成的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行 一、按石墨、非石墨碳材料与还原剂的质量比为I: (O. 01 20) (I 1000)的比例分别称取石墨、非石墨碳材料和还原剂，其中非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；还原剂为KOH、NaOH, LiOH、氨水、抗坏血酸、抗坏血酸钠、水合肼、二甲肼、苯肼、乙二胺、硼氢化钠、对苯二酚和硫脲中的一种或其中几种的组合； 二、将步骤一称取的石墨氧化成为氧化石墨； 三、按氧化石墨的浓度为0.01mg/mL 50mg/mL,将步骤二得到的氧化石墨加入水中，超声剥离、分散，得到氧化石墨烯水分散液，再将步骤一称取的非石墨碳材料加入到氧化石墨烯水分散液中，通过搅拌和/或超声的方法使其分散均匀，得到氧化石墨烯基水分散液； 四、将步骤三得到的氧化石墨烯基水分散液在温度为4°C 100°C的条件下，加入还原齐U，在频率为20 ΙΟΟΚΗζ、功率为40 1000W的超声条件下还原0. 2h 6h，得到石墨烯基胶体分散液； 五、将步骤四得到的石墨烯基胶体分散液真空抽滤、减压旋转蒸发、静置处理或旋转离心处理至含水量为90% 99. 5%的凝胶从石墨烯基胶体分散液中析出，然后再对凝胶进行渗析或真空抽滤水洗，得到石墨烯基水凝胶。4.根据权利要求1、2或3所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板做为铅酸超级电池的负极，电池性电极活性物质是铅粉，化成后铅粉转化为海绵状金属铅。5.根据权利要求4所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于电极材料中还包含占铅粉质量O. 01% 10%的碳添加剂和/或占铅粉质量O. 01% 2%的析氢抑制剂和/或占铅粉质量O. 01% 10%的粘结剂； 其中碳添加剂为活性炭、乙炔黑、炭黑、碳纳米管和石墨中的一种或其中几种的组合； 析氢抑制剂为氧化锌、氧化镉、氧化铟、氧化铋、氧化镓和氧化锡中的一种或其中几种的组合； 粘结剂为聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠和聚偏氟乙烯中的一种或其中几种的组合。6.根据权利要求1、2或3所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板做为铅酸超级电池的正极，电池性电极活性物质是铅粉，化成后铅粉转化为二氧化铅。7.根据权利要求6所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于电极材料中还包含占铅粉质量O. 01% 10%的碳添加剂和/或占铅粉质量O. 01% 2%的析氧抑制剂和/或占铅粉质量O. 01% 10%的粘结剂； 其中碳添加剂为活性炭、乙炔黑、炭黑、碳纳米管和石墨中的一种或其中几种的组合； 析氧抑制剂为氧化铋和氧化锑中的一种或两种的组合； 粘结剂为聚四氟乙烯、聚乙烯醇、丁苯橡胶、羧甲基纤维素钠、聚偏氟乙烯中的一种或其中几种的组合。8.根据权利要求1、2或3所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，其特征在于石墨烯基水凝胶在极板中的存在方式为方式一、方式二和方式三中的一种或其中几种的组合进行； 其中方式一石墨烯基水凝胶集中存在于极板的部分区域，其它电极材料组成的电极膏存在于极板的其它区域，石墨烯基水凝胶与其它电极材料组成的电极膏涂覆在集流体表面； 方式二 石墨烯基水凝胶与其它电极材料均匀混合后，涂覆在集流体表面； 方式三石墨烯基水凝胶涂覆在集流体A的表面，其它电极材料组成的电极膏涂覆在集流体B的表面，再将集流体A与集流体B并联。9.制备如权利要求I所述的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板的方法，其特征在于包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板的制备方法，按方法一、方法二和方法三中的一种或其中几种进行 方法一方法一的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板的制备方法按以下步骤进行 一、分别称取超级电池极板的各种电极材料，其中电极材料包含电容性电极活性物质和电池性电极活性物质，电容性电极活性物质包括石墨烯基水凝胶，其中石墨烯基水凝胶中石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的O. 01% 20% ； 二、将除石墨烯基水凝胶之外的电极材料机械搅拌混合均匀，向其中加入占电池性电极活性物质质量5% 30%的水分，再搅拌混合均匀，得到电极膏；三、将步骤一称取的石墨烯基水凝胶涂覆至集流体的全部或部分表面上，再在上面涂覆步骤二得到的电极膏，得到包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板；或者将步骤一称取的石墨烯基水凝胶涂覆至集流体的部分表面，而将步骤二得到的电极膏涂覆至集流体的其余表面，得到包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板；或者将步骤二得到的电极膏涂覆至集流体的全部或部分表面上，再在上面涂覆步骤一称取的石墨烯基水凝胶，得到包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板。方法二 方法...
【专利技术属性】
技术研发人员：贾铮，朱加雄，刘道庆，侯超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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