鉛酸電池用瀝青基炭泡沫集流體的制備及應(yīng)用研究.pdf

1、鉛酸電池至今仍然是世界上應(yīng)用最為廣泛的一種可充電電池，但與其他新型電池相比，卻存在比能量低等問(wèn)題。為此，采用炭泡沫集流體材料代替鉛合金板柵的研究倍受注目。然而，由于受自身結(jié)構(gòu)和制備成本的限制，發(fā)泡法制備的炭泡沫材料在作為鉛酸電池集流體的推廣應(yīng)用方面尚面臨諸多的困難。本論文的目的即是開發(fā)一種適合于鉛酸電池集流體用途的新型炭泡沫材料制備技術(shù)，并系統(tǒng)考察該炭泡沫集流體對(duì)組裝的鉛酸電池性能的影響。 采用木素磺酸銨為分散劑制備水基瀝青漿料

2、，研究了該分散劑對(duì)瀝青漿料分散穩(wěn)定性的影響，以及pH值、固含量、分散劑用量對(duì)漿料流變特性的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青顆粒對(duì)木素磺酸銨具有較強(qiáng)的的吸附能力，瀝青懸浮液中加入1wt％的木素磺酸銨就能使其Zeta電位發(fā)生明顯變化，在pH=8附近，含木素磺酸銨分散劑的瀝青粉體顆粒懸浮液的沉降體積最小。在固含量低于60％的范圍內(nèi)，pH值為8，分散劑用量為1.2％的瀝青漿料粘度最低，流動(dòng)性最好。 提出了采用有機(jī)多孔模板浸漬水基瀝青漿料成型來(lái)制備瀝青基炭

3、泡沫的新方法，篩選出了一種RPC表面活性劑，采用該表面活性劑對(duì)模板進(jìn)行改性處理能夠提高模板的掛漿量；選擇木素磺酸銨為分散劑，聚乙二醇為粘結(jié)劑，羧甲基纖維素為觸變劑配制瀝青粉體漿料，當(dāng)漿料固含量和流變劑用量分別為55％和1.5％，模板擠壓應(yīng)變?yōu)?5％時(shí)，所制備的瀝青多孔素坯具有良好的三維開口結(jié)構(gòu)和合適的孔筋厚度。該瀝青多孔素坯經(jīng)350℃氮?dú)夥罩蓄A(yù)處理30分鐘，950℃炭化180分鐘后得到了具有三維連通開口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的瀝青基炭泡沫。

4、循環(huán)伏安測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在H2SO4溶液中，上述炭泡沫在-1.2～0V處于電化學(xué)穩(wěn)定狀態(tài)，可作為理想的鉛酸電池負(fù)極集流體材料，但其表面析氧電位大約在0.8V左右，遠(yuǎn)低于鉛酸電池正極在充電過(guò)程中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時(shí)的電位（>1.4V），難以直接用作鉛酸電池正極集流體材料。 研究了炭泡沫作為鉛酸電池負(fù)極集流體對(duì)電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用炭泡沫作為負(fù)極集流體不僅能夠提高電池的充電接受能力和負(fù)極活性物質(zhì)利用率，而且還能改善電池的部分荷電循環(huán)性能。在

5、放電電流為1/20C和1/10C條件下，炭泡沫負(fù)極的活性物質(zhì)利用率比鉛板柵負(fù)極分別提高15％和27％；在部分荷電狀態(tài)窗口為40％～70％的情況下，經(jīng)50次循環(huán)的炭泡沫電池放電截止電壓仍高于2V，而鉛板柵電池只能完成30次循環(huán)。計(jì)算發(fā)現(xiàn)該炭泡沫集流體具有較低的設(shè)計(jì)參數(shù)，其γ參數(shù)大約為傳統(tǒng)鉛板柵的1/40～1/100。 考察了炭泡沫作為集流體材料對(duì)鉛酸電池負(fù)極阻抗特性的影響，提出了描述鉛酸電池負(fù)極交流阻抗的數(shù)學(xué)模型和等效電路模型。交

6、流阻抗譜測(cè)試和等效電路擬合結(jié)果表明，兩種電極無(wú)論在充電或放電狀態(tài)下均由電化學(xué)極化和濃度極化混合控制，但處在完全充電狀態(tài)時(shí)，濃度極化起主導(dǎo)作用，而處于完全放電狀態(tài)時(shí)電化學(xué)極化起主要作用。無(wú)論處于完全充電或完全放電狀態(tài)，炭泡沫電極均具有比鉛板柵電池更高的交換電流密度和雙電層電容。 初步研究了炭泡沫表面改性對(duì)其電化學(xué)特性的影響，循環(huán)伏安和SEM測(cè)試發(fā)現(xiàn)，采用循環(huán)伏安法電沉積的聚苯胺致密性較差，靠單一的聚苯胺涂層很難提高炭泡沫表面的氧析