多孔碳基复合材料的制备及其在铅炭电池负极中的研究

作     者：谢佳洺 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沈培康

授予年度：2022年

学科分类：0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：铅炭电池 多孔碳 不可逆硫酸盐化 高倍率部分荷电状态 负极活性物质 

摘      要：燃油汽车所排放的温室气体对环境的影响是不容小觑的,2020年我国提出了“碳达峰、碳中和的双碳目标,为了实现这一目标,推广可再生能源发电,采用混合动力汽车(HEV)逐步取代燃油汽车是一条有效途径,但HEV的驱动系统尚未达到人们的需求,主要表现在电池方面。铅炭电池在所有电池中有着不容忽视的地位,其安全性高,安装成本低,回收再利用体系完备。但它也有短板,即在高倍率部分荷电状态(HRPSOC)时,易形成大颗粒Pb SO,产生不可逆硫酸盐化现象,导致可逆性变差。同时负极活性物质(NAM)中的碳材料由于析氢过电位较低,会产生析氢现象,使电池的电解液逐渐失水,不利于电池的多次循环。因此,为了解决铅炭电池的不可逆硫酸盐化和析氢问题,制备出低成本、高性能的负极添加剂已迫在眉睫。本论文采用非传统的方式,用Ni催化,KOH造孔,以阳离子交换树脂作为碳源,制备了多孔碳(PC),再对其进一步修饰,以改善碳材料的不足,得到新型的多孔碳基材料,加入到NAM中,经过容量、倍率等多项性能测试,可以认为多孔碳基材料是最佳的负极添加剂。该研究为今后铅炭电池在HEV领域的应用提供了新的参考。本论文的主要研究内容如下:通过催化裂解的方式制备了PC,在其表面完成吡咯(Py)的聚合,并热解制成富含氮基团的多孔碳(PPy@PC)。聚吡咯(PPy)自身在酸性条件下稳定性较好。将适量的PPy与PC复合有利于抑制析氢。除此之外,该材料还具备了PC独特的结构,可以在NAM中构建导电网络,延缓大粒径硫酸铅的形成。因此本工作采用PPy包覆PC,探究了不同的复合比例对铅炭电池的影响。结果表明PPy@PC-1材料表面更光滑,有效延缓了不可逆硫酸盐化现象的产生,对电池更加有利。低倍率放电时,含有PPy@PC-1材料的NAM比容量为173.3 m A h g,明显高于CB活性物质(150.7 m A h g),在HRPSOC下,PPy@PC-1电池累积循环4338圈,是CB电池的4.7倍。以Pb CHO·3HO为铅源,NaCO提供CO,与PC混合后采用热解的方式制成铅碳复合材料(Pb@PC)。铅是铅炭电池中必不可少的物质,又属于金属元素,所以用铅修饰碳材料既不引入新的杂质,又可以抑制析氢。因此本工作采用热解的方式制备了Pb@PC,研究了Pb@PC对铅炭电池负极的影响。结果表明,热解方式制备的Pb@PC含有亲水基团,Pb和PC之间含有化学键,而这些特性均有利于Pb@PC在活性物质中的均匀分散,从而延缓不可逆硫酸盐化现象的产生。含有Pb@PC材料的NAM放电比容量为175.1 m A h g,比CB电池(150.3 m A h g)提高了16.5%,在HRPSOC下,Pb@PC电池循环圈数可以达到4857圈,而CB电池仅有913圈。