石墨烯水凝膠制備及在鉛酸蓄電池陰極板中的應(yīng)用

孟凡英+許艷霞+孫震

摘 要：使用Hummers法制備石墨烯，通過XRD和SEM表征材料的物相與微結(jié)構(gòu)，將石墨烯制備的水凝膠與鉛膏混合進(jìn)行陰極涂布。通過循環(huán)伏安法、恒流充放電法研究了石墨烯鉛復(fù)合材料的電化學(xué)性能，表明石墨烯鉛復(fù)合物的充放電性能、循環(huán)性能均得到了改善。

關(guān)鍵詞：石墨烯水凝膠；鉛酸蓄電池；循環(huán)性能

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.18.096

1 引言

鉛酸蓄電池在我國廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用領(lǐng)域如汽車起動(dòng)電源、電動(dòng)自行車電源等。鉛酸蓄電池根據(jù)應(yīng)用需要分為恒流放電和瞬間放電。

我國是世界上最大的鉛酸蓄電池生產(chǎn)國，鉛酸蓄電池因其生產(chǎn)成本低廉在工業(yè)和民用領(lǐng)域一直占據(jù)著巨大的市場份額。但是廢舊鉛酸蓄電池對環(huán)境有嚴(yán)重的污染作用，通過改善鉛酸蓄電池的充放電性能和延長使用壽命可以降低再生鉛的產(chǎn)生量。對于降低用戶使用成本和環(huán)境改善均具有重要意義。

陰極材料一直是鉛酸蓄電池的重點(diǎn)研究材料，鉛酸蓄電池的陰極硫酸鹽化是導(dǎo)致循環(huán)性能降低的主要原因，限制了鉛酸蓄電池的使用壽命。

石墨烯是目前已知最好的導(dǎo)電材料，可以適應(yīng)瞬間的大電流輸入、輸出。在其他種類的電池中已得到了廣泛的研究與部分的應(yīng)用。

常規(guī)情況下石墨烯與鉛材料的混合很難均勻一致，不易形成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。本研究擬通過制備石墨烯復(fù)合鉛水凝膠的方式改善石墨烯在鉛酸蓄電池陰極中的附著性和分散性，從而改善鉛酸蓄電池的充放電性能。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 石墨烯的制備

Hummers 法制備氧化石墨與石墨烯。

2.2 石墨烯水凝膠制備

稱取0.1 g 抗壞血酸加入250 mL， 0.1 mg/mL的亮黃色氧化石墨烯分散液中，經(jīng)超聲（超聲處理時(shí)反應(yīng)體系置于冰水浴中）作用（180 W） 2小時(shí)后，靜置于室溫（約23 ℃ ） 48 h后，得到均勻的黑色溶液。

2.3 蓄電池陰極的制備

以常規(guī)陰極極板鉛膏配方為基礎(chǔ)，和膏時(shí)添加石墨烯水凝膠并相應(yīng)的調(diào)整其他液體量。然后經(jīng)過涂板、固化、干燥制得電極。

2.4 結(jié)構(gòu)分析與電化學(xué)性能測試

合成材料的物相分析使用X射線衍儀（Bruker D8 ADVANCE），微結(jié)構(gòu)使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（vltra55）。

將制得的負(fù)極板與常規(guī)2V100Ah電池用正極板按照工廠裝配工藝進(jìn)行組裝、灌酸、化成。并制作未添加石墨烯的2V100Ah電池作為參比電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

初始性能測試：10小時(shí)率放電，3小時(shí)率放電，1小時(shí)率放電，3C放電。

循環(huán)性能測試：以10A放電到1.8V/單體，再以10A恒流限壓2.4V/單體充電20h。如此循環(huán)，直至連續(xù)三次放電時(shí)<420min時(shí)結(jié)束。

3 結(jié)果與討論

3.1 合成材料物相與結(jié)構(gòu)分析

采用XRD分析氧化石墨（GO），結(jié)果如圖1所示。氧化石墨烯（GO）在11.6°處出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰，氧化石墨烯（GO）的峰在8—12度，說明GO存在，另外也表明氧化石墨中含有沒有被完全氧化的石墨。

通過SEM進(jìn)行石墨烯的形態(tài)表征。如圖2所示，從圖中可以看出石墨烯的制備率較高，片層結(jié)構(gòu)具有較高的透明度，在微米級的掃描電鏡下呈現(xiàn)出良好的片層結(jié)構(gòu)的石墨烯存在明顯的褶皺部分，表明GO的還原程度達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，氧化石墨經(jīng)過反應(yīng)已變?yōu)槭?/p>

3.2 電化學(xué)性能測試

采用常規(guī)的蓄電池循環(huán)性能測試方案對添加石墨烯凝膠的鉛酸蓄電池和對照電池進(jìn)行充放電循環(huán)性能測試，測試結(jié)果見圖3。當(dāng)連續(xù)三次放出的電量低于額定容量的70%時(shí)，常規(guī)鉛酸蓄電池對照組的循環(huán)次數(shù)是58次，而添加1%石墨烯水凝膠的實(shí)驗(yàn)組循環(huán)放電次數(shù)是165次，是常規(guī)電池壽命的2.84倍。

說明在電極材料中添加石墨烯水凝膠有助于鉛酸蓄電池使用壽命的延長，其主要原因是高度分散的石墨烯可以在鉛膏中形成高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也抑制了硫酸鉛晶體的生成與生長。

4 結(jié)論

通過Hummers法制備了氧化石墨（GO），石墨烯及石墨烯水凝膠，該材料通過常規(guī)制膏的工藝即可添加到鉛酸蓄電池極板中。添加了石墨烯水凝膠的鉛酸蓄電池循環(huán)使用壽命得到了顯著延長。石墨烯水凝膠對極板中硫酸鉛晶體的生成與成長有抑制作用。

石墨烯水凝膠在延長鉛酸蓄電池使用壽命方面具有顯著應(yīng)用價(jià)值。

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