本文選題：鉛炭電池　切入點(diǎn)：多孔炭　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著能源危機(jī)及環(huán)境污染問題日趨嚴(yán)重,光伏、風(fēng)能儲能以及混合動(dòng)力車等新興領(lǐng)域成為國內(nèi)外的研究熱點(diǎn),這些領(lǐng)域明確要求儲能電池具有長循環(huán)壽命,也要求在部分荷電態(tài)高倍率充放電(High-rate Partial-state-of-charge,HRPSoC)工況下具有較高的功率輸出及良好的充電接受能力。傳統(tǒng)鉛酸電池主要應(yīng)用于汽車及各種內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)和無線通信基站,其負(fù)極在HRPSoC工況下易發(fā)生不可逆硫酸鹽化,極大降低了電池的受充能力及循環(huán)壽命。鉛炭電池是將高比表面、高導(dǎo)電炭材料摻入鉛負(fù)極的新型鉛酸電池,具有優(yōu)異的高倍率充放電性能及較高的部分荷電態(tài)下的循環(huán)壽命。由于鉛炭電池在儲能與混合動(dòng)力車方面有很好的應(yīng)用前景,各國學(xué)者競相開展炭材料在鉛炭電池中作用機(jī)制的研究,主要集中在構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)、增加氫離子的雙電層電容儲能、改善孔洞結(jié)構(gòu)以及提高電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力等方面,但目前仍未對鉛與多孔炭的相互作用及其效應(yīng)進(jìn)行深入研究。本課題圍繞多孔炭在鉛炭電池負(fù)極中與鉛的作用機(jī)制展開研究,主要研究結(jié)果如下:(1)選用了一系列具有物化參數(shù)可比性的多孔炭材料,在無鉛的硫酸中測試多孔炭的相關(guān)電化學(xué)性能,分析多孔炭各項(xiàng)物化參數(shù)對電性能的具體影響,為后續(xù)多孔炭在鉛炭電池負(fù)極中有鉛存在時(shí)的機(jī)制研究提供數(shù)據(jù)參考。研究指出在單純硫酸環(huán)境下,SBET、孔容較大的多孔炭比電容較高,而SBET、孔容較小的析氫較為緩和;中孔率、孔容較大的多孔炭倍率性能高,而中孔率、孔容較小的析氫較為緩和;酸性官能團(tuán)含量較少的多孔炭,具有較高的比電容以及較好的倍率性能,且析氫行為較為緩和;電導(dǎo)率較高的雖析氫較為劇烈,但倍率性能較好。(2)研究表面官能團(tuán)對于炭表面納米鉛沉積的影響,進(jìn)而研究其對析氫的影響及其在鉛炭電池的應(yīng)用。通過四種氧化還原處理方法對多孔炭PC的表面官能團(tuán)進(jìn)行改造,組裝三電極裝置、采用循環(huán)伏安法在炭材料上進(jìn)行鉛沉積。研究指出多孔炭在含鉛硫酸環(huán)境下,其表面適量酸性官能團(tuán)可作為鉛沉積位點(diǎn),不僅提高炭材料的析氫過電位來減少電池運(yùn)行過程中的失水,還能夠使所沉積的納米鉛顆粒均勻分布在鉛炭電池負(fù)極板中,有效抑制不可逆硫酸鹽化,提高電池在HRPSoC工況下的循環(huán)壽命。(3)研究多孔炭內(nèi)表面鉛活性物質(zhì)的沉積狀況及形貌演變,以及在鉛炭電池負(fù)極中的作用機(jī)制。選用中孔炭MC通過真空浸漬+化學(xué)沉淀法制備Pb@MC復(fù)合材料,組裝三電極裝置模擬炭材料在鉛炭電池負(fù)極中的電化學(xué)環(huán)境。研究證實(shí)在高倍率充放電循環(huán)過程中,多孔炭孔外表面的鉛顆粒遵循從大孔到中孔、中孔到微孔的順序并以納米晶粒及原子簇形式沉積于炭孔內(nèi)。此鉛沉積物在納米尺寸孔洞的限制下不會(huì)晶粒長大,減緩高倍率充放電引起的析氫加劇、電容性能下降等趨勢,增加Pb/PbSO_4反應(yīng)的循環(huán)性能,充分抑制負(fù)極不可逆硫酸鹽化,有效提高鉛炭電池的HRPSoC循環(huán)壽命。(4)根據(jù)上述機(jī)制研究的結(jié)果,采用NaOH活化+空氣氧化法對中孔炭MC進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)與表面官能團(tuán)調(diào)控,制備出具有較多中孔孔容以及適量酸性官能團(tuán)的改性中孔炭(Modified-MC)材料,研究微觀調(diào)控對多孔炭內(nèi)表面鉛沉積形貌演變以及相關(guān)作用機(jī)制的影響。結(jié)果表明,經(jīng)微觀調(diào)控后的多孔炭,其孔內(nèi)外表面能夠沉積更多的、尺寸更小的納米級鉛活性物質(zhì),充分抑制炭材料的析氫、增強(qiáng)并保持準(zhǔn)電容效應(yīng),充分提高了 Pb/PbSO_4反應(yīng)的循環(huán)性,大大減緩負(fù)極不可逆硫酸鹽化,顯著提高鉛炭電池的HRPSoC循環(huán)性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ127.11;TM912

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本文編號：1616087