包含真空膨化石墨烯的超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池技术

包含真空膨化石墨烯的超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池，它涉及电极极板、其制备方法以及超级电池，它是要解决现有的超级电池中使用的电容性电极材料的比电容小、倍率性能差的技术问题。包含真空膨化石墨烯的超级电池极板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，电容性电极活性物质包括真空膨化石墨烯，真空膨化石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0.01％～20％。制备方法：将包括真空膨化石墨烯在内的电极材料调成电极膏涂覆在集流体上，干燥后得到超级电池极板，极板作为超级电池的正和/或负极组装成超级电池，可用于混合电动车电池和储能电池。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电极极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池，属于新能源领域。
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2630m2/g，有望成为性能良好的超级电容器电极材料以及超级电池的电容性电极材料。但是，由于石墨烯片层之间存在强的范德华作用力，在石墨烯的制备和使用过程中极易发生石墨烯纳米片的再堆叠，紧密的片层堆叠使得片层间的表面不能得到有效利用，实际比表面积远远低于预期的理论值(2630m2/g)，实际电容特性也不理想。铅酸电池具有价格低，安全性好，生产工艺设施和回收利用技术成熟等优势，但是铅酸电池的高倍率性能较差，尤其是高倍率-部分荷电条件下工作寿命短，迫切需要提高其工作寿命以适应电动车电池和储能电池的要求。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有的超级电池中使用的电容性电极材料的比电容小、倍率性能差的技术问题，而提供包含真空膨化石墨烯的超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池。本专利技术的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，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，电容性电极活性物质包括真空膨化石墨烯，真空膨化石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0. 01% 20%。所述的电容性电极活性物质是指通过双电层充放电过程来转换电能的电极活性物质，所述的电池性电极活性物质是指通过电化学反应过程来转换电能的电极活性物质上述的真空膨化石墨烯的制备方法按以下步骤进行 一、将石墨氧化成为氧化石墨；二、将步骤一得到的氧化石墨放到真空加热炉中，先抽真空至-0. 07MPa -0. IMPa，然后以5°C /min 100°C /min的速率升温至100°C 800°C并保持Imin 3h,得到真空膨化石墨烯。上述的真空膨化石墨烯的制备方法还可以按以下步骤进行一、将石墨氧化成为氧化石墨；二、将步骤一得到的氧化石墨放到真空加热炉中，先抽真空至-0. 07MPa -0. IMPa，然后以5°C /min 100°C /min的速率升温至100°C 800°C并保持 Imin 3h ；三、将经步骤二处理的氧化石墨放在气氛保护加热炉中，在惰性气体气氛中，再以I0C /min 100°C /min的速率升温至200°C 900°C并保持IOmin 3h,得到真空膨化石墨稀。上述的石墨氧化成为氧化石墨的方法如下在干燥的烧杯中加入460mL质量百分浓度为98 %的H2SO4,然后将烧杯置于冰水浴中，加入20g石墨和IOg NaNO3,以50 500转/分的速度搅拌，同时逐渐加入60g粉末状KMnO4,在冰水浴、搅拌条件下继续反应2h ;将烧杯移入35± 1°C的恒温油浴槽中继续反应35min ;在转速为50 500转/分的搅拌条件下缓慢加入920mL蒸馏水后，控制温度恒定于98°C，继续恒温反应Ih ;用40°C的蒸馏水稀释至2000mL，加入200mL质量百分浓度为30%的双氧水，趁热抽滤；用质量百分浓度为5%的盐酸清洗滤饼，直至滤液中无SO/—离子(用BaCl2溶液检测)，再用蒸馏水抽滤洗涤；取出滤饼，在80°C下真空干燥24h，得到氧化石墨。包含真空膨化石墨烯的超级电池极板做为铅酸超级电池的负极时，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。电极材料中还包含占铅粉质量0. 01 % 10 %的碳添加剂和/或占铅粉质量0. 01% 2%的析氢抑制剂和/或占铅粉质量0.01% 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。包含真空膨化石墨烯的超级电池极板做为铅酸超级电池的正极时，电池性电极活性物质是铅粉，化成后铅粉转化为二氧化铅。电极材料中还包含占铅粉质量0. 01 % 10 %的碳添加剂和/或占铅粉质量0. 01% 2%的析氧抑制剂和/或占铅粉质量0.01% 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。本专利技术的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，为平板形状或者是卷绕形状。 本专利技术的包含真空膨化石墨烯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真空膨化石墨烯，真空膨化石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0. 01% 20% ；二、将步骤一称取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、将步骤二得到的电极膏涂覆在集流体上，再进行干燥，得到包含真空膨化石墨烯的超级电池极板。包含真空膨化石墨烯的铅酸超级电池极板的制备方法按以下步骤进行一、分别称取铅酸超级电池极板的电极材料，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铅粉，电容性电极活性物质包括真空膨化石墨烯，真空膨化石墨稀的质量占铅粉质量的0. 01% 20% ；二、将步骤一称取的电极材料机械搅拌混合均匀，向其中加入占铅粉质量5% 30%的水分，再搅拌混合均匀，然后在8 15分钟内匀速加入占铅粉质量5% 20%的密度为I. 3 I. 4g/mL的硫酸水溶液，边加边搅拌，保证混合物料的温度不超过60°C，得到铅膏；三、将步骤二得到的铅膏涂覆至集流体上，再浸没于密度为I. I I. 1本文档来自技高网...

【技术保护点】
包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，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真空膨化石墨烯，真空膨化石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0.01％～20％。

【技术特征摘要】
1.包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，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真空膨化石墨烯，真空膨化石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的O.01% 20%。2.根据权利要求I所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，其特征在于所述的真空膨化石墨烯的制备方法按以下步骤进行 一、将石墨氧化成为氧化石墨； 二、将步骤一得到的氧化石墨放到真空加热炉中，先抽真空至-O.07MPa -O. IMPa，然后以5°C /min 100°C /min的速率升温至100°C 800°C并保持Imin 3h，得到真空膨化石墨烯。3.根据权利要求I所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，其特征在于所述的真空膨化石墨烯的制备方法按以下步骤进行 一、将石墨氧化成为氧化石墨； 二、将步骤一得到的氧化石墨放到真空加热炉中，先抽真空至-O.07MPa -O. IMPa，然后以5°C /min 100°C /min的速率升温至100°C 800°C并保持Imin 3h ； 三、将经步骤二处理的氧化石墨放在气氛保护加热炉中，在惰性气体气氛中，再以I0C /min 100°C /min的速率升温至200°C 900°C并保持IOmin 3h,得到真空膨化石墨稀。4.根据权利要求1、2或3所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，其特征在于包含真空膨化石墨烯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所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，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所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，其特征在于包含真空膨化石墨烯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所述的包含真空膨化石墨烯的超级电池极板，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾铮，戴长松，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：