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多孔炭在铅炭电池负极中的作用机制研究

【摘要】:随着能源危机及环境污染问题日趋严重,光伏、风能储能以及混合动力车等新兴领域成为国内外的研究热点,这些领域明确要求储能电池具有长循环寿命,也要求在部分荷电态高倍率充放电(High-rate Partial-state-of-charge,HRPSoC)工况下具有较高的功率输出及良好的充电接受能力。传统铅酸电池主要应用于汽车及各种内燃机的起动和无线通信基站,其负极在HRPSoC工况下易发生不可逆硫酸盐化,极大降低了电池的受充能力及循环寿命。铅炭电池是将高比表面、高导电炭材料掺入铅负极的新型铅酸电池,具有优异的高倍率充放电性能及较高的部分荷电态下的循环寿命。由于铅炭电池在储能与混合动力车方面有很好的应用前景,各国学者竞相开展炭材料在铅炭电池中作用机制的研究,主要集中在构建导电网络、增加氢离子的双电层电容储能、改善孔洞结构以及提高电化学反应动力等方面,但目前仍未对铅与多孔炭的相互作用及其效应进行深入研究。本课题围绕多孔炭在铅炭电池负极中与铅的作用机制展开研究,主要研究结果如下:(1)选用了一系列具有物化参数可比性的多孔炭材料,在无铅的硫酸中测试多孔炭的相关电化学性能,分析多孔炭各项物化参数对电性能的具体影响,为后续多孔炭在铅炭电池负极中有铅存在时的机制研究提供数据参考。研究指出在单纯硫酸环境下,SBET、孔容较大的多孔炭比电容较高,而SBET、孔容较小的析氢较为缓和;中孔率、孔容较大的多孔炭倍率性能高,而中孔率、孔容较小的析氢较为缓和;酸性官能团含量较少的多孔炭,具有较高的比电容以及较好的倍率性能,且析氢行为较为缓和;电导率较高的虽析氢较为剧烈,但倍率性能较好。(2)研究表面官能团对于炭表面纳米铅沉积的影响,进而研究其对析氢的影响及其在铅炭电池的应用。通过四种氧化还原处理方法对多孔炭PC的表面官能团进行改造,组装三电极装置、采用循环伏安法在炭材料上进行铅沉积。研究指出多孔炭在含铅硫酸环境下,其表面适量酸性官能团可作为铅沉积位点,不仅提高炭材料的析氢过电位来减少电池运行过程中的失水,还能够使所沉积的纳米铅颗粒均匀分布在铅炭电池负极板中,有效抑制不可逆硫酸盐化,提高电池在HRPSoC工况下的循环寿命。(3)研究多孔炭内表面铅活性物质的沉积状况及形貌演变,以及在铅炭电池负极中的作用机制。选用中孔炭MC通过真空浸渍+化学沉淀法制备Pb@MC复合材料,组装三电极装置模拟炭材料在铅炭电池负极中的电化学环境。研究证实在高倍率充放电循环过程中,多孔炭孔外表面的铅颗粒遵循从大孔到中孔、中孔到微孔的顺序并以纳米晶粒及原子簇形式沉积于炭孔内。此铅沉积物在纳米尺寸孔洞的限制下不会晶粒长大,减缓高倍率充放电引起的析氢加剧、电容性能下降等趋势,增加Pb/PbSO_4反应的循环性能,充分抑制负极不可逆硫酸盐化,有效提高铅炭电池的HRPSoC循环寿命。(4)根据上述机制研究的结果,采用NaOH活化+空气氧化法对中孔炭MC进行微观结构与表面官能团调控,制备出具有较多中孔孔容以及适量酸性官能团的改性中孔炭(Modified-MC)材料,研究微观调控对多孔炭内表面铅沉积形貌演变以及相关作用机制的影响。结果表明,经微观调控后的多孔炭,其孔内外表面能够沉积更多的、尺寸更小的纳米级铅活性物质,充分抑制炭材料的析氢、增强并保持准电容效应,充分提高了 Pb/PbSO_4反应的循环性,大大减缓负极不可逆硫酸盐化,显著提高铅炭电池的HRPSoC循环性能。

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