负极铅膏加入石墨烯对铅酸蓄电池寿命的影响

2017-10-17张娅莉陈秀琴

电源技术 2017年9期

关键词：负极板铅膏酸蓄电池

张娅莉，陈秀琴

(信阳职业技术学院，河南信阳464000)

负极铅膏加入石墨烯对铅酸蓄电池寿命的影响

张娅莉，陈秀琴

(信阳职业技术学院，河南信阳464000)

主要研究内容为向通信系统所用的铅酸蓄电池负极铅膏中添加石墨烯后，该蓄电池的寿命变化情况。研究结果表明，当向该电池的负极铅膏中加入石墨烯后，不仅电池的稳定性显著提高，而且电池的循环寿命也得到了很大的提升。实验中向负极铅膏中分别加入质量分数不同的石墨烯制备不同的样品，通过X射线衍射光谱法(XRD)和扫描电子显微镜法(SEM)对寿命结束后的电池的负极板的物相及活性物质的结构进行表征。实验结果表明，向电池的负极铅膏中加入的石墨烯可使负极板的活性物质出现多孔性状态，可有效地支撑负极板的结构，同时在循环时该多孔结构可明显降低负极板硫酸盐化的速度，使蓄电池的寿命延长。

铅酸蓄电池；负极板；石墨烯；循环寿命

Abstract:The main research was the change on the cycle life of the lead-acid battery when joining grapheme in the communication system of the cathode lead paste using in communication system.The research results show that the stability of the battery is significantly increased and the cycle life of the battery is prompted when join the grapheme on the lead-acid battery.In the experiment,different scale grapheme was joined in the lead-acid battery to get different samples.The battery negative plate phase and structure of the active material were characterized by XRD and SEM.Experimental results show that the battery cathode lead paste with graphene can make the negative plate of the active material in porous state,which can effectively support the negative plate structure.At the same time,the speed of sulfuric acid salinization of the negative plate was reduced and the service life of the battery was prolonged.

Key words:lead-acid battery;negative plate;grapheme;cycle life

相关研究表明，当将炭材料添加到铅酸蓄电池的负极活性物质中后，可显著降低电池负极板硫酸盐化的速度，使蓄电池的寿命延长，而使其寿命得到延长的关键是提高炭材料在电池负极板的分散性。石墨烯作为一种单元子层的石墨结构具有较好的柔韧性，其比表面积大于2600 m2/g，这使得石墨烯可与电极的活性物质形成面-面接触。相关研究表明，当向电池的电极材料中加入石墨烯后可使电极的导电性得到很大的提升[1]。本文主要通过一种简单实用的方法向负极铅膏中加入石墨烯，并研究分析石墨烯对其性能及循环寿命的影响。

1 实验

本实验在制备电池负极板时，在常规制备负极铅膏所用材料的基础上添加功能化之后的炭材料，使石墨烯在负极铅膏中的质量分数分别为0.6%和0.3%，然后对硫酸和去离子的水的质量进行调整后，进行和膏并涂板，将涂膏后的极板进行固化干燥后即得到实验所用的添加石墨烯后的负极板[2]。本实验中正极板采用常规2 V100 Ah阀控制铅酸蓄电池所用正极板，将所制备的负极板与实验所用正极板进行组装、灌酸、化成等工艺后，即得到实验所用电池(分别记为a电池、b电池)，同时制备未添加石墨烯的2 V100 Ah电池(记为c电池)以进行比较，实验中在进行初始性能测试时分别进行10小时率放电、3小时率放电、1小时率放电、3C放电。在进行循环性能测试时先以10 A放电到1.8 V/单体，再以10 A恒流限压2.4 V/单体充电20 h，如此循环，直至连续三次放电时间小于7 h时结束[3]。

2 实验结果与分析

2.1 初性能测试结果

观察化成后的负极板中活性物质Pb与石墨烯的结合状态，并将极板中部的活性物质取出进行SEM表征，表征结果见图1。观察图1可发现，石墨烯对极板的活性物质的表观形貌有很明显的影响，未添加石墨烯的极板活性物质有很明显的颗粒感，由于石墨烯本身的片状结构使得添加石墨烯的极板活性物质中没有出现明显的大颗粒，大多数为石墨烯与活性物质结合后所形成的多孔结构，而且石墨烯在极板中的分布很均匀。对三种配方不同的电池进行初始性能的测试，包括10小时率放电、3小时率放电、1小时率放电和3C放电。观察实验所得数据可发现a、b两种电池在3小时率和10小时率的放电时间均小于电池c的放电时间，但在1小时率a、b、c三种电池的放电时间相差不多，在进行3C放电时a、b两种电池均好于电池c，这说明了在负极板中添加石墨烯可使电池的放电性能大幅提升。

图1 化成后负极板活性物质SEM表征

2.2 循环性能测试结果

根据实验设置的循环性能测试方案对三种电池进行充放电性能测试，测试所得结果见图2。观察图2可发现，当放电容量连续三次均低于额定容量的70%时(也就是放电时间小于7 h时)，a、b、c 三种电池的循环次数分别为182、108、60 次，其中 a、b两种电池的循环寿命分别为电池c的3.03倍、1.80倍，这说明向负极板中添加石墨烯后可大幅度延长电池的循环寿命[4]。通过对比循环曲线可发现，在初期a、b、c三种电池约有10次循环趋势类似，均出现了容量急速下降的现象，且初期a、b、两种电池的容量较低。当循环次数为10～40次时，电池c出现一个平台后容量迅速下降直至寿命终止，当a、b两种电池在循环10次之后均出现了一个较稳定的平台，尤其是电池a的循环曲线表现较平稳且下降缓慢，具有较好的循环稳定性。

图2 循环寿命测试曲线

当循环结束后分别从三种电池负极板的上、中、下三部分进行取样并进行SEM分析，SEM分析结果见图3，观察图3可发现电池a的负极板的上部和中部均没有硫酸铅的存在，且仍表现为多孔结构，但在底部则出现了较明显的硫酸铅颗粒；电池b的负极板的上部、中部和下部均没有硫酸铅大颗粒的存在，在底部则出现了许多小颗粒聚集的结构；电池c的负极板的上部和中部均出现了少量的硫酸铅颗粒，且底部则出现了硫酸铅大颗粒聚集的结构。

图3 循环结束后负极板活性组织的SEM表征

图4所示为与图3结果相对应的XRD数据。上文测试所得结果进行分析发现，电池a在经历182次循环寿命结束后，负极板的底部出现了较明显的硫酸铅颗粒；电池b在经历108次循环寿命结束后，负极板的底部并未出现明显的硫酸盐化现象[5]；电池c在经历60次循环寿命结束后，负极板的底部出现了较明显的象。由以上分析可得，在负极板中添加石墨烯后可减缓负极板底部发生硫酸盐化的现象，从而使电池的循环寿命得到延长。

2.3 电池极板孔率分析

对实验所用三种电池进行解剖发现与电池c相比a、b两种电池的正极板的泥化现象更加严重、活性物质更易脱落，造成这种现象的原因为a、b两种电池的循环次数较多[6]，其中解剖结构如图5所示。经过固化和干燥处理后，未经化成的三种实验所用电池的负极板的孔率相似，但在化成后三种电池有较大差别，其中a、b、c三种电池负极板孔率分别为76.34%、73.76%、56.89%，这与图1所得结果相一致。在充放电循环结束后，a、b两种电池负极板孔率仍较高且分别为70.24%、

图4 循环结束后负极板活性物质的XRD表征

72.53%，略低于与化成后所得结果。将图1和图3进行比较可发现，当循环结束后极板的多孔性结构略有减少，该结果与孔率分析结果一致。循环结束后电池c负极板的孔率为48.75%，与化成后的结果相比下降较多，这说明在负极板中加入一定量的石墨烯可对其结构起到很好的支撑作用，同时可大大降低充放电循环对电池负极板结构所产生的影响。