一种石墨烯铅碳动力电池及其制造方法与流程

本发明属于新能源材料技术领域，具体涉及一种石墨烯铅碳动力电池及其制造方法。

背景技术：

传统铅酸电池以涂在板栅表面的氧化铅为正极的活性物质，以涂在板栅表面的铅为负极的活性物质，以硫酸溶液为电解液，由于性价比高、安全稳定、维护少等优点，铅酸电池广泛应用于电动自行车、汽车启停、通信、工业电子、再生能源、军工等领域，在电池市场中占有的份额最高。我国铅酸电池的产量世界第一，而福建省是主要的制造集群地之一，铅酸电池产业给福建省带来了丰厚税收并创造了大量就业机会。但是传统铅酸电池存在比功率小、比能量低，循环寿命与使用寿命短等弊端，铅碳电池应运而生，而目前主流的铅碳超级电池研发方案主要是以活性炭、和导电石墨或乙炔黑等碳材料与铅混合作为负极的活性物质，在铅酸电池中引入了超级电容的特性以增强其比功率，并利用碳材料在电极中构建导电网络以缓解负极的“硫酸盐化”问题。但是，碳材料的加入给负极带来以下难题：第一，铅粉与碳材料的振实密度差异大，使得铅粉和碳材料难以均匀混合，将影响负极涂膏的稳固性，降低极板强度，造成电池循环稳定性下降；第二，碳材料表面析氢电位较铅低，碳材料的加入会导致电池负极析氢增加，过度析氢则会引起电池失水失效，影响电池寿命。活性炭是具有大比表面积的微孔结构，双电层容量高，但是导电性不高，且活性炭不容易改性修饰，对其功能化改性极易堵住其微孔；石墨导电性最高，但是比表面积非常小，无法增加双电层电容特性；乙炔黑导电性好，能够增加极板的孔隙率，但也存在着比表面积不高和不容易改性修饰等缺点。由此可见，这些传统碳材料由于结构与性质的特点，不仅无法有效地解决传统铅酸电池的“硫酸盐化”问题，而且又带来新的技术难题，不能充分发挥铅碳超级电池的优点，这也导致了国内尚未有自主研制的成熟产品。

技术实现要素：

基于以上现有技术，本发明的目的在于提供一种石墨烯铅碳动力电池，石墨烯是目前已知的世界上最薄最轻、韧性最好、强度最高、导电性最好、高比表面积(可达2630m²/g)、结构稳定、易于功能化改性的优异纳米材料，本发明提供的石墨烯铅碳动力电池充分利用石墨烯的优良特性解决目前铅碳超级电池研制中所存在的技术瓶颈。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种石墨烯铅碳动力电池，包括壳体与内芯，所述内芯由依次排列的正极复合极板、隔膜与负极复合极板组成，所述正极复合极板、负极复合极板分别由正极铅膏板、负极铅膏板与包覆于所述正极铅膏板、负极铅膏板的极栅构成，其中，所述正极铅膏板由氧化铅与石墨烯纤维复合而成，所述负极铅膏板由铅、石墨烯、导电聚合物复合而成，所述极栅由铅板栅与包覆于铅板栅表面的石墨烯构成。

作为优化，所述正极铅膏板、负极铅膏板为长条形片体结构。

作为另一优化，所述导电聚合物为聚乙炔。

本发明还提供一种制造石墨烯铅碳动力电池的方法，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯与导电聚合物、铅粉混合后进行和膏并定型得到负极铅膏板；

步骤2、将石墨烯纤维与氧化铅混合后进行和膏并定型得到正极铅膏板；

步骤3、在铅板栅表面包覆石墨烯后制得板栅，接着分别对步骤1，步骤2中得到的负极铅膏板、正极铅膏板进行涂片得到正极复合极板、负极复合极板并固化，之后将隔板与正极复合极板、负极复合极板进行组装得到内芯，将内芯与壳体组装并焊接导线后进行密封封胶，气密性检测通过后进行注酸、内化成型、清洗后即得到石墨烯铅碳动力电池。

作为优化，所述步骤1中将石墨烯与导电聚合物、铅粉混合后进行和膏的重量比例为1～3：2～5：1～6。

作为优化，所述步骤2中将石墨烯纤维与氧化铅混合后进行和膏的重量比例为1～3：1～3：1～5。

作为优化，所述步骤3中采用真空电镀方法将石墨烯包覆于铅板栅表面，进行真空电镀的设备为等离子喷涂设备，优选采用的石墨烯为颗粒尺寸为100～300纳米的石墨烯粉末。

作为进一步优化，所述步骤3中铅板栅表面包覆石墨烯的厚度为0.01～0.2mm。

作为优化，所述步骤3中在压缩空气至0.4～0.6mpa的环境下进行涂片。

作为优化，所述步骤3中固化过程是在固化房中进行，固化阶段固化房条件为：温度45～70℃、湿度98％以上。

有益效果

本发明的有益效果如下：

(1)、本发明提供的石墨烯铅碳动力电池，其负极采用铅、石墨烯、导电聚合物复合而成，石墨烯高的比表面积、优良的导电性以及独特的二维平面结构，通过导电聚合物对其功能化改性，实现石墨烯、导电聚合物与铅粉的高度分散，构建良好导电网络，增加双电层电容特性，同时有效改善传统铅酸电池出现负极“硫酸盐化”现象，提高析氢过电位，从而提高电池的循环寿命、充电接受能力、比功率、低温性能。

(2)、本发明提供的石墨烯铅碳动力电池，其正极采用氧化铅与石墨烯纤维复合而成，利用石墨烯纤维优良的导电性和机械强度，增强正极板铅膏的机械强度，防止正极活性物质的软化脱落，从而提高电池的循环寿命、充电接受能力、比功率、低温性能。

(3)、本发明提供的石墨烯铅碳动力电池，其极栅由铅板栅与包覆于铅板栅表面的石墨烯构成，利用石墨烯优良的导电性、独特的二维平面结构、片状搭接特性以及优良的化学稳定性，对铅板栅进行石墨烯表面包覆处理，实现对铅板栅的防腐蚀保护，提高电池的循环寿命。

综上所述，本发明提供的石墨烯铅碳动力电池具有长循环寿命、高充电接受能力、高比功率、良好低温性能等特性。

附图说明

图1为本发明石墨烯铅碳动力电池的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种石墨烯铅碳动力电池，包括壳体与内芯，所述内芯由依次排列的正极复合极板1、隔膜2与负极复合极板3组成，所述正极复合极板1、负极复合极板3分别由正极铅膏板11、负极铅膏板31与包覆于所述正极铅膏板、负极铅膏板的极栅12，32构成，其中，所述正极铅膏板11、负极铅膏板31为长条形片体结构，所述正极铅膏板11由氧化铅与石墨烯纤维复合而成，所述负极铅膏板31由铅、石墨烯、导电聚合物复合而成，所述导电聚合物为聚乙炔；所述极栅由铅板栅与包覆于铅板栅表面的石墨烯构成。

本实施例还提供一种制造石墨烯铅碳动力电池的方法，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯与导电聚合物、铅粉按照1：2：1。的重量比混合后进行和膏并定型得到负极铅膏板；

步骤2、将石墨烯纤维与氧化铅按照1：1：1的重量比混合后进行和膏并定型得到正极铅膏板；

步骤3、采用真空电镀方法将颗粒尺寸为100纳米的石墨烯粉末涂覆于铅板栅表面后制得板栅，包覆厚度为0.05mm，接着分别对步骤1，步骤2中得到的负极铅膏板、正极铅膏板在压缩空气至0.4～0.6mpa的环境下进行涂片得到正极复合极板、负极复合极板并固化，之后将隔板与正极复合极板、负极复合极板进行组装得到内芯，将内芯与壳体组装并焊接导线后进行密封封胶，气密性检测通过后进行注酸、固化成型、清洗后即得到石墨烯铅碳动力电池，其中，固化过程是在固化房中进行，固化阶段固化房条件为：温度45～70℃、湿度98％以上。

实施例2

本实施例提供一种石墨烯铅碳动力电池，其结构与实施例1中提供的石墨烯铅碳动力电池一样，不同之处在于所述导电聚合物为聚乙炔。

本实施例还提供一种制造石墨烯铅碳动力电池的方法，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯与导电聚合物、铅粉按照2：3.5：4的重量比混合后进行和膏并定型得到负极铅膏板；

步骤2、将石墨烯纤维与氧化铅按照2：2：3的重量比混合后进行和膏并定型得到正极铅膏板；

步骤3、采用真空电镀方法将颗粒尺寸为100纳米的石墨烯粉末涂覆于铅板栅表面后制得板栅，包覆厚度为0.1mm，接着分别对步骤1，步骤2中得到的负极铅膏板、正极铅膏板在压缩空气至0.4～0.6mpa的环境下进行涂片得到正极复合极板、负极复合极板并固化，之后将隔板与正极复合极板、负极复合极板进行组装得到内芯，将内芯与壳体组装并焊接导线后进行密封封胶，气密性检测通过后进行注酸、固化成型、清洗后即得到石墨烯铅碳动力电池，其中，固化过程是在固化房中进行，固化阶段固化房条件为：温度45～70℃、湿度98％以上。

实施例3

本实施例提供一种石墨烯铅碳动力电池，其结构与实施例1中提供的石墨烯铅碳动力电池一样，不同之处在于所述导电聚合物为聚乙炔。

本实施例还提供一种制造石墨烯铅碳动力电池的方法，包括以下步骤：

步骤1、将石墨烯与导电聚合物、铅粉按照3：5：6的重量比混合后进行和膏并定型得到负极铅膏板；

步骤2、将石墨烯纤维与氧化铅按照3：3：5的重量比混合后进行和膏并定型得到正极铅膏板；

步骤3、采用真空电镀方法将颗粒尺寸为100纳米的石墨烯粉末涂覆于铅板栅表面后制得板栅，包覆厚度为0.2mm，接着分别对步骤1，步骤2中得到的负极铅膏板、正极铅膏板在压缩空气至0.4～0.6mpa的环境下进行涂片得到正极复合极板、负极复合极板并固化，之后将隔板与正极复合极板、负极复合极板进行组装得到内芯，将内芯与壳体组装并焊接导线后进行密封封胶，气密性检测通过后进行注酸、固化成型、清洗后即得到石墨烯铅碳动力电池，其中，固化过程是在固化房中进行，固化阶段固化房条件为：温度45～70℃、湿度98％以上。

上述实施例提供的石墨烯铅碳动力电池，对其60％dod充放电循环次数、100％dod充放电循环次数、充电接受能力、高倍率放电时间进行测试并将其测试结果与现有技术中的合格铅酸电池、合格铅碳电池进行对比，测试结果如下表1所示：

表1测试结果

由上述表格1可知，本发明提供的石墨烯铅碳动力电池，其60％dod充放电循环次数、100％dod充放电循环次数、充电接受能力、高倍率放电时间等性能皆优于现有技术中的铅酸电池、铅碳电池，其中，以实施例2中制得的石墨烯铅碳动力电池各项性能最佳，为最佳实施例。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。