改进的稻壳基碳素材料、制备方法及其在铅炭电池领域的应用和产品与流程

本发明涉及电化学储能材料，具体涉及改进的稻壳基碳素材料、制备方法及其在铅炭电池领域的应用和产品。

背景技术：

1、铅炭电池是一种电容型铅酸电池，该类电池在铅酸电池的负极中添加有碳素材料，能够显著提高电池寿命。碳素材料的前驱体众多，例如稻壳、椰壳、秸秆以及淀粉等，其中，稻壳作为碳素材料前驱体的一种，具有不易受潮、变质，易于储存、运输的特点，且稻壳具有独特的三维网状结构并含有大量二氧化硅成分，可以在向碳材料的转化过程中作为优异的模板骨架。与此同时，稻壳的使用实现废物资源化利用，减少了环境污染问题，因此被广泛使用。

2、现有技术如文献：程宇, 熊源泉.稻壳基碳材料制备及其电化学性能研究[j].电源技术, 2021, 45（12）:1620-1635.以生物质稻壳为原料，以不同的金属盐作为活化剂和石墨化催化剂，利用水热和活化相结合的方法，在不同的活化温度下，制备出了多孔石墨化碳材料。结果表明，在800℃下进行活化，能得到高比表面积(1549.4 cm2/g)和较高石墨化程度的碳材料，在1 a/g的电流密度下，比电容为354.8 f/g，在5 a/g的电流密度下循环10000次后，比电容为起始值的85.5%，表现出良好的倍率性能和循环稳定性。再如学位论文：林哲琪.稻壳基活性炭作为铅炭电池负极添加剂的应用研究[d].吉林大学, 2020.基于对碳素材料作用机制的认识，探究了具有多级孔道结构的高比表面稻壳基活性炭作为铅炭电池负极添加剂的应用可能性。

3、另外，专利cn114824274a公开了一种稻壳基碳素材料及其制备方法以及铅炭电池负极铅膏、极板和电池，采用稻壳和磷酸为前驱体和改性剂，首先采用碳酸钠溶液进行预脱硅处理，将稻壳中的部分无定形二氧化硅脱除，剩余无定形二氧化硅在后续的煅烧改性过程中与磷酸反应生成偏磷酸盐，从而在改性的同时实现磷官能团的原位均匀负载，极大的简化制备流程；同时，磷官能团能有效抑制碳素材料的析氢现象，提高碳素材料表面铅沉积速率。添加该发明中稻壳基碳素材料的铅炭电池，在高倍率部分荷电状态下的循环寿命为空白电池的17倍，在不同倍率下的放电容量也有显著提高。但该发明中的稻壳基碳素材料以及对应的铅炭电池的循环寿命以及放电容量等性能仍有进一步提高的可能性，从而可便于产业化应用时成本的节约。

4、针对现有技术存在的问题，寻找一种性能更为优异的改进的稻壳基碳素材料、制备方法及其在铅炭电池领域的应用和产品十分必要。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提供了改进的稻壳基碳素材料、制备方法及其在铅炭电池领域的应用和产品。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、本发明提供了一种稻壳基碳素材料，原料包括稻壳、碳酸钠溶液、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐。

4、进一步地，所述稻壳和碳酸钠溶液的料液比为1g:（8-20ml）。优选为1g:12ml。

5、进一步地，所述稻壳、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐的重量比为1:(10-20):(0.2-0.3):(0.05-0.15):(0.05-0.1)。

6、优选地，所述稻壳、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐的重量比为1:15:0.2:0.1:0.1。

7、进一步地，所述碳酸钠的浓度为0.05-2mol/l，所述磷酸溶液的浓度为0.2-1mol/l。

8、优选地，所述碳酸钠的浓度为1mol/l，所述磷酸溶液的浓度为0.5mol/l。

9、进一步地，本发明还提供了上述的稻壳基碳素材料的制备方法，包括以下步骤：

10、（1）将稻壳破碎后浸渍于碳酸钠溶液中，预脱硅得到预脱硅稻壳；

11、（2）将预脱硅稻壳与磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐混合、干燥后，得到混合物；

12、（3）将混合物煅烧后，即得稻壳基碳素材料。

13、进一步地，步骤（1）中所述预脱硅的温度为85-98℃，时间为0.5-4h；步骤（3）中所述煅烧在空气氛围或惰性气体中进行，当在空气氛围中进行时，煅烧的温度为300-400℃，时间为0.5-3h，当在惰性气体中进行时，煅烧的温度为500-700℃，时间为0.5-3h。

14、优选地，步骤（1）中所述预脱硅的温度为90℃，时间为2h；步骤（3）中所述煅烧在空气氛围或惰性气体中进行，当在空气氛围中进行时，煅烧的温度为350℃，时间为1h，当在惰性气体中进行时，煅烧的温度为600℃，时间为1.5h。

15、进一步地，本发明提供的上述的稻壳基碳素材料或权上述的制备方法制得的稻壳基碳素材料能够用于制备铅炭电池负极铅膏、铅炭电池负极极板或铅炭电池。

16、进一步地，本发明还提供了一种铅炭电池负极铅膏，包括上述的稻壳基碳素材料或上述的制备方法制得的稻壳基碳素材料。

17、进一步地，本发明还提供了一种铅炭电池负极极板，采用上述铅炭电池负极铅膏制备得到。

18、进一步地，本发明还提供了一种铅炭电池，包括上述的铅炭电池负极极板。

19、进一步地，所述的铅炭电池的制备方法，包括以下步骤：

20、s1:铅炭电池负极铅膏制备：将铅粉、乙炔黑、纤维、腐殖酸、木质素磺酸钠、稻壳基碳素材料混合后，加入水和硫酸，得到铅炭电池负极铅膏；

21、s2:铅炭电池负极极板制备：将铅炭电池负极铅膏涂覆于铅合金材料表面，固化、冷却，得到铅炭电池负极极板；

22、s3:使用铅炭电池负极极板组装得到铅炭电池。

23、进一步地，按重量份数计，所述铅炭电池负极铅膏的原料包括95-105份铅粉、0.1-0.2份乙炔黑、0.1-0.16份纤维、0.15-0.25份腐殖酸、0.15-0.25份木质素磺酸钠、0.5-3份稻壳基碳素材料、10-13份水和8-9.6份硫酸。

24、进一步地，步骤s2中所述固化具体为在温度为48-55℃、相对湿度为80%的条件下固化22-24h，继续在温度为58-65℃、相对湿度为90%的条件下固化10-14h。

25、进一步地，所述酯基季铵盐包括酯基季铵盐eq-90和/或酯基季铵盐yh-866。

26、本发明所取得的技术效果是：

27、1.本发明的稻壳基碳素材料以稻壳为前驱体进行制备，通过磷酸以及痕量助剂之间的协同作用，活化得到的稻壳基碳素材料具有丰富的孔隙度和较高的比表面积。

28、2.本发明的稻壳基碳素材料可进一步用于铅炭电池等相关产品的制备，制得的铅炭电池具有较优的循环寿命以及放电容量，有助于产业化应用时成本的节约。

技术特征：

1.一种稻壳基碳素材料，其特征在于：原料包括稻壳、碳酸钠溶液、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐。

2.根据权利要求1所述的稻壳基碳素材料，其特征在于：所述稻壳和碳酸钠溶液的料液比为1g:（8-20ml）。

3.根据权利要求1所述的稻壳基碳素材料，其特征在于：所述稻壳、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐的重量比为1:(10-20):(0.2-0.3):(0.05-0.15):(0.05-0.1)。

4.根据权利要求1所述的稻壳基碳素材料，其特征在于：所述碳酸钠的浓度为0.05-2mol/l，所述磷酸溶液的浓度为0.2-1mol/l。

5.如权利要求1-4任一项所述的稻壳基碳素材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）中所述预脱硅的温度为85-98℃，时间为0.5-4h；步骤（3）中所述煅烧在空气氛围或惰性气体中进行，当在空气氛围中进行时，煅烧的温度为300-400℃，时间为0.5-3h，当在惰性气体中进行时，煅烧的温度为500-700℃，时间为0.5-3h。

7.如权利要求1-4任一项所述的稻壳基碳素材料或权利要求5-6任一项所述的制备方法制得的稻壳基碳素材料在制备铅炭电池负极铅膏、铅炭电池负极极板或铅炭电池中的应用。

8.一种铅炭电池负极铅膏，其特征在于：包括权利要求1-4任一项所述的稻壳基碳素材料或权利要求5-6任一项所述的制备方法制得的稻壳基碳素材料。

9.一种铅炭电池负极极板，其特征在于：采用权利要求8所述的铅炭电池负极铅膏制备得到。

10.一种铅炭电池，其特征在于：包括权利要求9所述的铅炭电池负极极板。

11.根据权利要求10所述的铅炭电池的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

12.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：按重量份数计，所述铅炭电池负极铅膏的原料包括95-105份铅粉、0.1-0.2份乙炔黑、0.1-0.16份纤维、0.15-0.25份腐殖酸、0.15-0.25份木质素磺酸钠、0.5-3份稻壳基碳素材料、10-13份水和8-9.6份硫酸。

13.根据权利要求11所述的制备方法，其特征在于：步骤s2中所述固化具体为在温度为48-55℃、相对湿度为80%的条件下固化22-24h，继续在温度为58-65℃、相对湿度为90%的条件下固化10-14h。

技术总结
本发明提供了改进的稻壳基碳素材料、制备方法及其在铅炭电池领域的应用和产品，涉及电化学储能材料技术领域，该稻壳基碳素材料的原料包括包括稻壳、碳酸钠溶液、磷酸溶液、柠檬酸铁、葡萄糖苷和酯基季铵盐。上述稻壳基碳素材料孔隙丰富、比表面积大，能够实现废物资源化利用以及碳素材料的进一步回收。此外，该材料可进一步用于铅炭电池等相关产品的制备，制得的铅炭电池具有较优的循环寿命以及放电容量，在产业化应用中有助于节约成本。

技术研发人员：熊源泉,孙晓飞,张平
受保护的技术使用者：江西金糠新材料科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9