一种基于植物活性碳的高纯铜基电池及其制备方法与流程

本发明属于电化学能量存储技术领域，具体涉及一种成本低、环保、高性能容量、高导电性强、高倍率强，能满足充放电的各种需求的基于植物活性碳的高纯铜基电池及其制备方法。

背景技术：

电池是一种能量转化与储存的装置，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，通过电化学反应并在“极片”之间产生一定电动势；当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供电能。

不论是锂离子电池，还是传统的碱性电池以及目前的环保水电池、镁电池，为了提高电极的性能，一般都会在集电极上涂布或沉积一层石墨、石墨烯或活性碳作为离子的嵌套体，用于俘获电解质中的离子、电子等。但是，传统的涂布工艺通常将石墨、石墨烯或活性碳与导电剂、粘结剂以一定比例均匀混合成电极浆料，人工通过物理涂抹工艺涂覆在集流体表面。由于涂抹的浆料与集流体的物理性质不同，在电极制备时的加热固化及在电池在长期循环充/放电过程中的体积变化，往往因为活性物质与集流体之间结合不够紧密而脱落，并降低电极的循环充/放电寿命。而且为了解决易脱落的问题，目前一般是采取尽量减低涂层的厚度以降低涂层与集电极之间的体积变化差，由于碳层表面积越大，则集电极上所存储的离子或电子越多，因此较薄的涂层也会造成碳层表面积无法增加，限制了电池的电量。此外，在集流体上采用电沉积等物理或化学方法在集流体上沉积碳层，虽然基本解决了碳层易脱落的问题，但也存在诸如制备条件苛刻、获得的碳层较薄、比容量低，而且难以克服碳层与集流体物理性质不同的难题，电池的循环性能差。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题及不足，提供了一种成本低、环保、高性能容量、高导电性强、高倍率强，能满足充放电的各种需求的基于植物活性碳的高纯铜基电池，还提供了一种基于植物活性碳的高纯铜基电池的制备方法。

本发明之基于植物活性碳的高纯铜基电池是这样实现的：包括高纯铜网片、植物活性碳填料、电解质、隔膜、负极片、壳体，所述高纯铜网片表面分布有多个网孔，所述植物活性碳填料与电解质混合后紧密填充于高纯铜网片的网孔内作为正极片，所述负极片与相邻的正极片之间设置有隔膜，所述负极片及正极片的端面固定设置有极耳，所述壳体内的负极片、正极片及隔膜的空隙中填充有电解质。

本发明之基于植物活性碳的高纯铜基电池的制备方法是这样实现的：包括植物活性碳填料制备、填料混合、网孔填充、组装步骤，具体如下：

a、植物活性碳填料制备：将不同植物在300～500℃下碳化10～15分钟，然后在800～1200℃下碳化15～25分钟出炉冷却得到植物活性碳，将植物活性碳混合后粉碎为粉末，得到植物活性碳填料；

b、填料混合：将植物活性碳填料与电解质按1:1～1:10的比例充分搅拌混合，得到混合填料；

c、网孔填充：将混合填料填入高纯铜网片的网孔中并进行压制，得到正极片；

d、组装：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明根据现有技术中石墨、石墨烯或活性碳等活性材料通过涂覆、电沉积法等物理或化学方法与集流体结合形成的电极缺陷，创造性的植物活性碳与电解质混合后填充于高纯铜网片的网孔内，不仅填充后与高纯铜网片的连接更加牢固，从而可避免涂布或沉积式结构在制备过程因加热固化及电池在长期循环充/放电过程中热膨胀，而造成碳层与集流体之间结合不够紧密而脱落，从而降低电极制备的合格率，且使电池内阻随循环次数迅速增大，影响电极的循环充/放电寿命。

2、本发明以植物活性碳填料与电解质混合后作为正极片的填充材料，既充分利用活性碳具有远大于铜箔的比表面积，又利用网孔远大于平面的面积优势，活性碳的表面积比通常采用涂布、沉积方式制作的颗粒状活性碳大1～2个数量级，并且由于网孔内的活性碳与电解质直接混合，可显著增加铜箔集流体与电解质间的接触面积，而且增大的接触面积可有效降低电解质与铜箔集流体之间的电荷转移界面内阻，增加离子的扩散系数，最终提高电池的充/放电性能；而且填充式的结构可显著增加电解质的容量，从而增加电池的充电速度和减慢放电的速度及增加整体容量。

3、本发明的植物活性碳填料、电解质混合后填充于高纯铜网片的网孔内，相比现有技术中的涂覆、电沉积法等物理或化学方法附着于集流体上的结构，在铜箔集流体与活性物质、电解质接触面积相当的情况下，可以有效降低电极的厚度，从而提高相同体积电池内电极板的数量，以提高电池的容量，而且也可以在电池容量一定情况下，减小电池的体积以扩大适应范围。

4、本发明以植物性原料经碳化后作为植物活性碳填料，既能解决农林废弃物对环境的污染，而且成本较低且也有利于电池的无公害回收处理。

5、本发明的制备方法过程条件及操作较为简单、容易控制、成品率较高。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为图1之正极片结构示意图；

图中：1-高纯铜网片，2-混合填料，4-隔膜，5-负极片，6-网孔，7-正极片，8-极耳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1及图2所示，本发明之基于植物活性碳的高纯铜基电池，包括高纯铜网片1、植物活性碳填料、电解质、隔膜4、负极片5、壳体，所述高纯铜网片1表面分布有多个网孔6，所述植物活性碳填料与电解质混合后紧密填充于高纯铜网片1的网孔6内作为正极片7，所述负极片5与相邻的正极片7之间设置有隔膜4，所述负极片5及正极片7的端面固定设置有极耳8，所述壳体内的负极片5、正极片7及隔膜4的空隙中填充有电解质。

所述植物活性碳填料由秸秆、草木、竹藤、玉米芯中的至少两种碳化并粉碎到细度1200～2000目后混合制成，所述植物活性碳填料的碳化碘值为600～1500、灰分为6～16且水分＜3。

所述高纯铜网片1为铜纯度不小于99.99%的方形、圆形或不规则形状且表面分布有多个网孔6、厚度为10～500μm，所述网孔6为圆孔、方孔、菱形孔或不规则孔的通孔或沉头孔，所述网孔6的最大外接圆直径为20～1000μm。

所述负极片5的集流体表面设置有多个网孔，所述集流体的网孔中紧密填充有植物活性碳填料与电解质的混合填料。

所述高纯铜网片1表面设置有石墨缓冲层或石墨烯缓冲层，所述网孔6和/或集流体的网孔中填充的植物活性碳填料与电解质的质量份之比为1:1～1:10。

所述网孔6和/或集流体的网孔中填充的混合料中还包括总质量百分比为1～30%的聚四氟乙烯或聚偏氟乙烯作为粘结剂。

所述隔膜4为聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺、聚酰亚胺、纤维素、玻璃纤维中的一种制成的多孔薄膜且厚度为5μm～100μm。

所述电解质为常规电池的固态电解质。

本发明之基于植物活性碳的高纯铜基电池的制备方法，包括植物活性碳填料制备、填料混合、网孔填充、组装步骤，具体如下：

a、植物活性碳填料制备：将不同植物在300～500℃下碳化10～15分钟，然后在800～1200℃下碳化15～25分钟出炉冷却得到植物活性碳，将植物活性碳混合后粉碎为粉末，得到植物活性碳填料；

b、填料混合：将植物活性碳填料与电解质按1:1～1:10的比例充分搅拌混合，得到混合填料；

c、网孔填充：将混合填料填入高纯铜网片的网孔中并进行压制，得到正极片；

d、组装：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。

所述a步骤中的植物为秸秆、草木、竹藤、玉米芯中的至少两种，所述植物活性碳植物活性碳粉碎到细度1200～2000目，所述植物活性碳填料的碳化碘值为600～1500、灰分为6～16且水分＜3；所述高纯铜网片为铜纯度不小于99.99%的方形、圆形或不规则形状且表面分布有多个网孔的薄片。

所述正极片在组装前还包括干燥碳化步骤，所述干燥碳化步骤是将正极片放入微波设备中干燥固形并碳化，其中干燥碳化分三个阶段进行：第一阶段为干燥固形，35～50℃条件下干燥1～3小时；第二阶段为轻微碳化，80～150℃条件下干燥2～3小时；第三阶段为烧结碳化，1500～2000℃条件下碳化2～4小时。

所述c步骤中压制的压力为0.25kg.f/cm²，所述压制后植物活性碳填料与电解质填充的高纯铜网片的网孔填充面与高纯铜网片的表面平齐。

所述高纯铜网片在网孔填充步骤前还包括高纯铜网片预处理步骤，所述高纯铜网片预处理步骤是将高纯铜网片依次置于浓度为5％的fecl3和hcl稀溶液中浸泡10～30分钟，然后置于n2、he、ar、n2/he或ar/h2气氛下退火处理30～60分钟，退火温度800～1000℃。

实施例1

s100：将小麦秸秆截短后在300℃下碳化13分钟，然后在800℃下碳化20分钟出炉冷却得到小麦秸秆活性碳；将木渣在500℃下碳化10分钟，然后在1000℃下碳化15分钟出炉冷却得到木渣活性碳，将小麦秸秆活性碳与木渣活性碳按1:3的质量比混合后粉碎到细度1600目，得到碳化碘值为800，灰分为11且水分＜3的植物活性碳填料。

s200：将上述植物活性碳填料与固态电解质按1:5的比例充分搅拌混合，得到混合填料。

s300：将高纯铜网片依次置于浓度为5％的fecl3和hcl稀溶液中浸泡30min，然后置于n2气氛下退火处理30分钟，退火温度1000℃。

s400：将混合填料填入预处理后的高纯铜网片之网孔中在0.25kg.f/cm²压力下进行压制，使得压制后的混合填料填充的高纯铜网片的网孔填充面与高纯铜网片的表面平齐，得到正极片。

s500：将正极片放入微波设备中干燥固形并碳化，其中干燥碳化分三个阶段进行：第一阶段为干燥固形，50℃条件下干燥1小时；第二阶段为轻微碳化，110℃条件下干燥2小时；第三阶段为烧结碳化，1500℃条件下碳化4小时。

s600：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。

实施例2

s100：将玉米芯在400℃下碳化15分钟，然后在1200℃下碳化15分钟出炉冷却得到玉米芯活性碳；将竹子截段后在450℃下碳化15分钟，然后在1200℃下碳化25分钟出炉冷却得到竹子活性碳，将玉米芯活性碳与竹子活性碳按1:1的质量比混合后粉碎到细度1200目，得到碳化碘值为1500，灰分为6且水分＜3的植物活性碳填料。

s200：将上述植物活性碳填料与固态电解质按1:1的比例充分搅拌混合，得到混合填料。

s300：将高纯铜网片依次置于浓度为5％的fecl3和hcl稀溶液中浸泡30分钟，然后置于n2/he按1：1的混合气氛下退火处理50分钟，退火温度800℃。

s400：将混合填料填入预处理后的高纯铜网片之网孔中在0.25kg.f/cm²压力下进行压制，使得压制后的混合填料填充的高纯铜网片的网孔填充面与高纯铜网片的表面平齐，得到正极片。

s500：将正极片放入微波设备中干燥固形并碳化，其中干燥碳化分三个阶段进行：第一阶段为干燥固形，45℃条件下干燥2小时；第二阶段为轻微碳化，80℃条件下干燥3小时；第三阶段为烧结碳化，1700℃条件下碳化3小时。

s600：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。

实施例3

s100：将玉米芯在400℃下碳化15分钟，然后在1200℃下碳化15分钟出炉冷却得到玉米芯活性碳；将玉米秸秆在350℃下碳化10分钟，然后在1000℃下碳化17分钟出炉冷却得到玉米芯活性碳；将竹子截段后在450℃下碳化15分钟，然后在1200℃下碳化25分钟出炉冷却得到竹子活性碳，将玉米芯活性碳、玉米秸秆活性碳与竹子活性碳按2:1:2的质量比混合后粉碎到细度2000目，得到碳化碘值为1000，灰分为16且水分＜3的植物活性碳填料。

s200：将上述植物活性碳填料与固态电解质按1:3的比例充分搅拌混合，得到混合填料。

s300：将高纯铜网片依次置于浓度为5％的fecl3和hcl稀溶液中浸泡10分钟，然后置于ar/h2气氛下退火处理60分钟，退火温度1000℃。

s400：将混合填料填入预处理后的高纯铜网片之网孔中在0.25kg.f/cm²压力下进行压制，使得压制后的混合填料填充的高纯铜网片的网孔填充面与高纯铜网片的表面平齐，得到正极片。

s500：将正极片放入微波设备中干燥固形并碳化，其中干燥碳化分三个阶段进行：第一阶段为干燥固形，35℃条件下干燥3小时；第二阶段为轻微碳化，90℃条件下干燥2.5小时；第三阶段为烧结碳化，2000℃条件下碳化2小时。

s600：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。

实施例4

s100：将甘蔗渣在500℃下碳化10分钟，然后在900℃下碳化25分钟出炉冷却得到甘蔗渣活性碳；将稻草截段后在300℃下碳化11分钟，然后在800℃下碳化25分钟出炉冷却得到稻草活性碳；将甘蔗渣活性碳与稻草活性碳按3:1的质量比混合后粉碎到细度1800目，得到碳化碘值为600，灰分为13且水分＜3的植物活性碳填料。

s200：将上述植物活性碳填料与固态电解质按1:10的比例充分搅拌混合，得到混合填料。

s300：将高纯铜网片依次置于浓度为5％的fecl3和hcl稀溶液中浸泡20分钟，然后置于he气氛下退火处理40分钟，退火温度900℃。

s400：将混合填料填入预处理后的高纯铜网片之网孔中在0.25kg.f/cm²压力下进行压制，使得压制后的混合填料填充的高纯铜网片的网孔填充面与高纯铜网片的表面平齐，得到正极片。

s500：将正极片放入微波设备中干燥固形并碳化，其中干燥碳化分三个阶段进行：第一阶段为干燥固形，40℃条件下干燥1.5小时；第二阶段为轻微碳化，150℃条件下干燥2小时；第三阶段为烧结碳化，1850℃条件下碳化2.5小时。

s600：在正极片及负极片间将放入隔膜，置入电池壳体固定并填充电解质后封装，得到基于植物活性碳的高纯铜基电池。