本文關(guān)鍵詞：鉛碳負極的制備及其電化學性能的研究

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【摘要】：鉛碳電池是一種新興的改進型鉛酸電池,是將碳材料以不同的方式混合到鉛酸電池負極中。相比常規(guī)鉛酸電池,鉛碳電池具有良好的高倍率部分荷電態(tài)(HRPSOC)循環(huán)性能,使其在儲能、混合動力汽車等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。但是,鉛碳電池的產(chǎn)業(yè)化還有較多關(guān)鍵技術(shù)需突破,如碳在電池負極中的作用機理、由于碳的加入導致的析氫問題等。本文從產(chǎn)業(yè)化的角度,探討了碳材料的種類、比例對負極材料結(jié)構(gòu)和電化學性能的影響。同時,研究了混合碳及碳添加方式對鉛碳復合材料結(jié)構(gòu)和電池特性的影響,分析了碳的作用機理。首先,研究了4種碳材料(活性炭AC1、AC2,石墨G1、G2)分別占和膏鉛粉質(zhì)量的0.5%,1%,1.5%,2%比例單獨加入到鉛酸電池負極材料中對電池HRPSOC循環(huán)性能的影響,當AC1添加比例為0.5%時,電池的循環(huán)次數(shù)為4009次,與常規(guī)鉛酸電池2097次相比,電池的HRPSOC循環(huán)性能明顯得到提升;并且,隨著AC1添加比例的提高,電池的循環(huán)壽命也有所提高,最高為8514次;在AC2的4種添加比例中,電池最高循環(huán)次數(shù)為4353次,對應的AC2添加比例為0.5%,并且隨著添加比例的增加,電池循環(huán)壽命明顯減少;G1改善電池HRPSOC循環(huán)性能的效果最佳,隨著添加比例的增加,電池的循環(huán)次數(shù)穩(wěn)步增加,最高為19742次;在G2的四種添加比例中,電池循環(huán)性能最好的是添加量為1%時,循環(huán)次數(shù)為5142次。因此,AC1和G1比較合適于作鉛碳電池負極應用。通過對鉛碳負極化成和失效后截面的電鏡掃描分析,活性碳的加入主要是為鉛離子的還原提供新的反應場所,石墨由于具有較好的導電性,在放電產(chǎn)物硫酸鉛顆粒之間形成了導電網(wǎng)絡,能在很大程度上抑制電池在HRPSOC下負極的硫酸鹽化。其次,為了發(fā)揮AC1和G1兩者的作用,控制碳的添加量占和膏鉛粉質(zhì)量的2%,將質(zhì)量比為1:3、1:1和3:1的AC1和G1混合加入到鉛酸電池負極中,制備含兩種碳源的鉛碳負極,并研究了兩種碳源對電池HRPSOC循環(huán)性能的影響。結(jié)果表明,兩種碳源的加入顯著提高了電池的HRPSOC循環(huán)性能,當AC1:G1=1:3時,電池的循環(huán)性能較好,循環(huán)次數(shù)達到36432次,遠遠優(yōu)于一般商業(yè)電池。同時,由于利用了活性碳為鉛離子還原提供額外的反應場所和石墨的良好導電性,在硫酸鉛顆粒之間形成了導電網(wǎng)絡,兩者的協(xié)同作用大大抑制了電池的硫酸鹽化。最后,選取AC1作為碳源,通過電沉積的方法,在AC1上電沉積鉛,制得鉛碳復合材料(Pb/C),研究了這種復合材料的陰極極化情況,發(fā)現(xiàn)該材料比AC1具有較負的析氫電勢,并將這種復合材料加入到鉛酸電池負極中,研究了電池的HRPSOC循環(huán)性能。當添加量為1%時,循環(huán)次數(shù)為14526,在和AC1相同添加量的情況下,添加這種復合材料的電池循環(huán)性能要遠優(yōu)于添加AC1電池,共原因是這種材料能夠讓碳材料更加牢固地整合到負極中,從而延長了碳材料的作用時間。
【關(guān)鍵詞】：鉛碳電池 碳材料 高倍率部分荷電態(tài) 硫酸鹽化 析氫
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TQ127.11;TM912
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-24
• 1.1 引言10-11
• 1.2 鉛酸電池簡介11-16
• 1.2.1 鉛酸電池的發(fā)展歷程11-12
• 1.2.2 鉛酸電池在我國的發(fā)展歷程12-13
• 1.2.3 鉛酸電池分類13-14
• 1.2.4 鉛酸電池結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.5 鉛酸電池工作原理15-16
• 1.3 鉛碳電池結(jié)構(gòu)和原理16-19
• 1.4 鉛碳電池的研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4.1 國外研究現(xiàn)狀19-21
• 1.4.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀21
• 1.5 本文的研究意義和主要研究內(nèi)容21-24
• 1.5.1 研究意義21-22
• 1.5.2 研究內(nèi)容22-24
• 第2章 實驗儀器材料和實驗方法24-30
• 2.1 主要藥品和儀器24-25
• 2.1.1 主要化學藥品和實驗材料24
• 2.1.2 主要實驗儀器和設備24-25
• 2.2 材料的物化性質(zhì)表征25-27
• 2.2.1 X-射線衍射 (XRD)25
• 2.2.2 掃描電子顯微鏡25-26
• 2.2.3 粒度分布測試26
• 2.2.4 BET表面積測試26-27
• 2.3 鉛碳負極制備和電池的組裝27
• 2.3.1 鉛碳負極制作27
• 2.3.2 電池組裝27
• 2.4 電化學工作站測試用工作電極制備27-28
• 2.5 電化學性能測試28-30
• 2.5.1 線性伏安法測試28
• 2.5.2 循環(huán)伏安法測試（CV）28
• 2.5.3 電池的電化學性能測試28-30
• 第3章 單一碳源對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能影響30-43
• 3.1 碳材料的表征30-34
• 3.1.1 碳材料電鏡掃描檢測30-31
• 3.1.2 碳材料的粒度分布測試31-32
• 3.1.3 碳材料的比表面積（BET）測試32
• 3.1.4 碳材料電化學性能測試32-34
• 3.2 單一碳源加入負極后對電池HRPSOC循環(huán)性能的影響34-40
• 3.2.1 AC1加入電池負極后對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能的影響34-36
• 3.2.2 AC2加入電池負極后對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能的影響36-38
• 3.2.3 G1加入電池負極后對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能的影響38-39
• 3.2.4 G2加入電池負極后對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能的影響39-40
• 3.3 機理探討40-42
• 3.4 本章小結(jié)42-43
• 第4章 兩種碳源對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能影響43-50
• 4.1 AC1和G1比例為 1:3 時混合加入到負極對電池循環(huán)性能影響43-45
• 4.2 AC1和G1比例為 1:1 時混合加入到負極對電池循環(huán)性能的影響45-47
• 4.3 AC1和G1的比例為 3:1 時混合加入到負極對電池循環(huán)性能的影響47-48
• 4.4 本章小結(jié)48-50
• 第5章 復合碳材料對鉛酸電池HRPSOC循環(huán)性能影響50-55
• 5.1 鉛碳復合材料的制備50
• 5.2 鉛碳復合材料的表征50-51
• 5.3 鉛碳復合材料的陰極極化掃描51-52
• 5.4 鉛碳復合材料加入鉛酸電池負極后對電池HRPSOC循環(huán)性能影響52-53
• 5.5 酸浸實驗53-54
• 5.6 本章小結(jié)54-55
• 第6章 結(jié)論和展望55-57
• 6.1 結(jié)論55-56
• 6.2 展望56-57
• 參考文獻57-61
• 致謝61-62
• 個人簡歷62-63
• 攻讀碩士期間發(fā)表的論文和專利63

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本文編號：533639