活性炭復合材料、其制備方法以及使用該活性炭復合材料的鉛碳電池技術

本發(fā)明專利技術將具有疏松結構的活性炭與石墨烯或/和碳納米管復合，其中活性炭材料為基本骨架，石墨烯或/和碳納米管嵌插到活性炭的疏松結構中，構成具有穩(wěn)定結構的活性炭復合材料。該活性炭復合材料不僅提高了活性炭的機械結構穩(wěn)定性能，還提高了活性炭的導電性能，同時增加了活性炭的比表面積，提高了活性炭的電容，堆積密度等特性。將該活性炭復合物用于鉛炭電池時，不僅有利于負極的機械結構穩(wěn)定性能、導電性能，還能夠提高負極與鉛膏的混合均勻性，有效提升了鉛炭電池的整體性能。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術屬于活性炭、石墨烯
，尤其涉及一種活性炭復合物、其制備方法以及使用該材料的鉛碳電池。
技術介紹
由于環(huán)境的惡化，傳統(tǒng)能源的枯竭，人們對新能源的需求逐步加大。全球范圍目前各國都在大力開發(fā)新能源技術，大力拓展新能源的應用市場。風能、太陽能等清潔能源系統(tǒng)是目前社會主流的新能源產(chǎn)能方式，可是新能源產(chǎn)生的間斷性、不穩(wěn)定性等諸多原因制約著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，導致產(chǎn)生的能源無法被有效的利用，儲能系統(tǒng)作為能源產(chǎn)生到能源利用中間的重要環(huán)節(jié)，可以有效的解決上述問題。所以提供一種性能優(yōu)秀的儲能裝置成為現(xiàn)在急需要解決的關鍵問題。鉛酸電池是目前技術最為成熟的，但是因為其循環(huán)壽命短，不能實現(xiàn)大電流充放電等多種原因不能滿足現(xiàn)在人們對儲能裝置的需求。作為一種改進型的鉛酸儲能電池，鉛碳電池可解決傳統(tǒng)鉛酸電池的諸多缺點，例如提高比容量及循環(huán)壽命，提高質量比容量，因而成為現(xiàn)在儲能市場上理想的儲能裝置。鉛炭電池是一種新型的超級電池，是傳統(tǒng)鉛酸電池和超級電容器的結合體，所以不僅具備超級電容器瞬間大電流充放電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池低能量，低成本的優(yōu)勢。鉛炭電池與傳統(tǒng)電池的區(qū)別是在普通的鉛酸電池負極鉛膏中增加一定量的活性炭作為負極板，活性炭的添加使得電池板的負極獲得了大容量充電的優(yōu)點，提高了活性物質的利用率，在高倍率充放電期間起到了緩沖的作用，有效保護了負極板，抑制了“硫酸鹽化”現(xiàn)象的產(chǎn)生。但是，現(xiàn)有鉛炭電池中的活性炭因為要獲得較高的比表面積，導致它自生的導電性能差，物理結構穩(wěn)定性低，電池負極板的內阻增大，以及電池效率降低；并且，負極板在循環(huán)充放電過程中基本結構易破壞，導致電池失效。另外，現(xiàn)有的炭復合材料密度和鉛粉密度有較大的差異，使得難以將炭復合材料均勻分散。尤其是其中的導電劑多以炭黑的形式存在，因為其顆粒較小容易團聚，分散難度更大。這些因素嚴重影響著鉛炭電池的性能，因此解決活性炭自生的問題和解決鉛碳膏料混合的問題才能更有效的提升鉛炭電池的整體性能。專利文獻CN101764263A公開含有活性炭負極的鉛碳超級電池及其制備方法，將活性炭只是簡單地摻雜進鉛碳帶電池的負極板中，并未解決活性炭自生存在的缺陷，在鉛膏的制備過程中炭復合材料摻雜過程也并沒有顯著改善鉛粉與炭復合材料的混合均勻度的問題。專利文獻CN104124474A公開一種含高碳負極板的鉛炭電池，將炭的使用量提高到大于35％，雖然使得鉛膏負極板的整體析氫現(xiàn)象有所降低，一定程度抑制了硫酸鉛晶體顆粒的生長，但是高碳含量的負極板使得在電池的充放電循環(huán)過程中極板的機械機構極易被破壞，并且活性物質鉛的所占比例降低也會導致電池的容量大幅度降低。另外，鉛和摻雜炭的析氫電位不一致導致其析氫現(xiàn)象會加劇，從而加速電池失效。該專利也并沒有解決鉛與炭摻雜的混合均勻性問題。專利文獻CN104505262A公開一種石墨烯鉛復合材料和使用該材料制備的石墨烯鉛碳電極，利用石墨烯提高負極板的孔隙度與導電性能，但是石墨烯制作成本高并且分散度低。專利文獻CN103794796A公開鉛碳電池負極及其制備方法與應用，在鉛碳負極中加入石墨烯。但是，石墨烯僅作為一種簡單的碳材料添加劑，其中石墨烯的分散問題沒有得到解決，鉛碳電池的電池性能只得到很小程度的改善，對電池的性能沒有起到根本性提升。
技術實現(xiàn)思路
針對上述技術現(xiàn)狀，本專利技術將具有疏松結構的活性炭與石墨烯或/和碳納米管復合，其中活性炭材料為基本骨架，石墨烯或/和碳納米管嵌插到活性炭的疏松結構中，構成具有穩(wěn)定結構的活性炭復合材料。考慮到石墨烯片層結構較好地嵌插到活性炭中，石墨烯的片徑小于200um，碳納米管的管長小于50um為宜，這樣石墨烯片徑較小，碳納米管管長較小，有利于嵌插進入活性炭較小的孔隙中。作為優(yōu)選，所述的石墨烯和碳納米管的質量之和所述的活性炭的質量之比為0.01：1-0.5：1。椰殼活性炭具有機械強度高、空隙結構發(fā)達(以中孔為主)、比表面積大等優(yōu)點，因此，所述的活性炭優(yōu)選為椰殼活性炭。該活性炭復合材料具有如下優(yōu)點：(1)石墨烯以及碳納米管層平面內碳-碳原子鍵的強度高于金剛石的鍵的強度，即，石墨烯以及碳納米管的機械結構穩(wěn)定性大于金剛石，因此將其與活性炭組成復合材料能夠有效提高傳統(tǒng)活性炭的機械結構穩(wěn)定性能；(2)石墨烯以及碳納米管具有良好的導電性能，將其與活性炭組成復合材料后還可以大幅度提高傳統(tǒng)活性炭的導電性能；(3)石墨烯以及碳納米管所具有的高比表面的特點也可以同時增加傳統(tǒng)活性炭的比表面積，提高活性炭的電容，堆積密度等特性；(4)該活性炭復合物的比表面積達2000m2/g-3500m2/g，振實密度達0.3g/ml-0.5g/ml，導電率達0.3S/mm-0.8S/mm，質量比電容>251F/g。本專利技術還提供了一種制備上述活性炭復合材料的方法，具體如下：將石墨烯或/和碳納米管放入水中進行超聲分散處理，得到分散液；將活性炭顆粒加入分散液中攪拌反應，然后水洗、干燥，得到活性炭復合材料。作為優(yōu)選，所述的石墨烯或/和碳納米管在水中的分散濃度為0.1wt％-2wt％。作為優(yōu)選，所述的活性炭與分散液的質量比為1：10-1：25。作為優(yōu)選，所述的干燥溫度為60-270℃。所述石墨烯的制備工藝不限。作為一種實現(xiàn)方式，將固相剝離的概念應用于液相，選用石墨為原料，對石墨材料進行膨脹預處理。即，將石墨浸泡到由插層劑和過氧化氫組成的溶液中，使溶劑分子插層到石墨的層間，得到石墨層間化合物，即可膨脹石墨；然后，將可膨脹石墨在氬氣的保護下快速加熱，石墨層間的溶劑分子急速分解為水蒸氣和二氧化碳，水蒸氣和二氧化碳體積急劇變大膨脹，這個力大于石墨層間的范德華力，使石墨層間膨脹開，得到膨脹石墨。接著，利用超聲分散液相剝離法進行剝離篩選，得到石墨烯產(chǎn)品。所述的活性炭的制備方法不限。作為一種實現(xiàn)方式，是將木材、木屑、樹根、果核和果殼等木質材料進行炭化與活化后制得。由于椰殼所制得的活性炭具有機械強度高、孔隙結構發(fā)達、比表面積大等諸多優(yōu)點，所以在此優(yōu)選椰殼作為活性炭的原材料。炭化是將木質材料加熱進行熱分解，在熱解過程中木質材料發(fā)生復雜化學反應。根據(jù)熱分解過程中的溫度變化和生成產(chǎn)物等特征，炭化過程大體上可分為如下四個階段。(1)干燥階段這個階段的溫度在20-150℃，熱解速度非常緩慢，主要是木質材料中所含水分依靠外部供給的熱量進行蒸發(fā)，木質材料的化學組成幾乎沒有變化。(2)預炭化階段這個階段的溫度為50-275℃，木質材料熱分解反應比較明顯，木質材料化學組成開始發(fā)生變化，其中不穩(wěn)定的組分，如半纖維素分解生成二氧化碳、一氧化碳和少量醋酸等物質。以上兩個階段都要外界供給熱量來保證熱解溫度的上升，所以又稱為吸熱分解階段。(3)炭化階段這個階段的溫度為75-400℃，在這個階段中，木質材料急劇地進行熱分解，生成大量分解產(chǎn)物，生成的液體產(chǎn)物中含有大量醋酸、甲醇和木焦油，生成的氣體產(chǎn)物中二氧化碳含量逐漸減少，而甲烷、乙烯等可燃性氣體逐漸增多。這一階段放出大量反應熱，所以又稱為放熱反應階段。(4)煅燒階段這個階段的溫度為450-500℃，依靠外部供給熱量進行木炭的煅燒，排出殘留在木炭中的揮發(fā)性物質，提高木炭的固定碳含量，這時生成液體產(chǎn)物已經(jīng)很少。應當指出，實際的碳化過程中上述四個階段的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種活性炭復合材料，其特征是：以具有疏松結構的活性炭材料為基本骨架，石墨烯或/和碳納米管嵌插到活性炭的疏松結構中。

【技術特征摘要】
1.一種活性炭復合材料，其特征是：以具有疏松結構的活性炭材料為基本骨架，石墨烯或/和碳納米管嵌插到活性炭的疏松結構中。2.如權利要求1所述的活性炭復合材料，其特征是：石墨烯的片徑小于200um，碳納米管的管長小于50um。3.如權利要求1所述的活性炭復合材料的制備方法，其特征是：所述的活性炭為椰殼活性炭。4.如權利要求1所述的活性炭復合材料的制備方法，其特征是：所述的石墨烯和碳納米管的質量之和所述的活性炭的質量之比為0.01：1-0.5：1。5.如權利要求1所述的活性炭復合材料，其特征是：其比表面積達2000m2/g-3500m2/g，振實密度達0.3g/ml-0.5g/ml，導電率達0.3S/mm-0.8S/mm，質量比電容>251...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王建新，林昊，李亞東，
申請(專利權)人：中國科學院寧波材料技術與工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33