本發(fā)明涉及一種鉛炭復(fù)合顆粒及其制備方法，屬于鉛炭電池技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鉛酸蓄電池作為傳統(tǒng)的化學(xué)電源，具有成本低、安全性好、制造工藝成熟、使用范圍廣、回收率高等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于汽車、混合動力汽車、可持續(xù)電源設(shè)備（UPS）、太陽能交通信號燈等設(shè)備中，對人類社會的進步和工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。

由于全球范圍內(nèi)環(huán)境污染問題越來越嚴重，世界各國紛紛立法限制二氧化碳的排放，促使研究者們加大了電動車（EVs）和混合動力汽車（HEVs）的開發(fā)力度?；旌蟿恿ζ嚕℉EVs）作為一種過渡性的交通工具得到了很好的發(fā)展，然而HEVs用儲能裝置都需要在高倍率部分荷電態(tài)（HRPSoC）運行，傳統(tǒng)鉛酸電池的負極板表面會快速發(fā)生硫酸鹽化現(xiàn)象，從而限制了電池的循環(huán)壽命。

研究表明，將炭材料添加到負極活性物質(zhì)中，不但可以提高電池在高倍率下的充電接受能力，還可有效減緩負極的硫酸鹽化過程，從而提高電池的循環(huán)性能。石墨化程度高的炭材料能提高極板電導(dǎo)率，并在極板內(nèi)生成有利于電解液離子遷移的孔道，從而可以有效提高電池的性能。電容用活性炭材料可以使鉛離子得電子生成沉積鉛的反應(yīng)過電位下降300～400mV，這有利于鉛沉積反應(yīng)的進行，可見高比表面積的電容用活性炭可增強鉛酸電池的充放電反應(yīng)能力。然而，將鉛與炭材料簡單混合制作出來的負極材料，雖然短期內(nèi)能很好的實現(xiàn)大電流充放電，但炭材料由于其密度小而與鉛粉的親和力差，在長期循環(huán)后活性炭易析出、剝落，導(dǎo)致負極粉化，循環(huán)壽命變差。另外，由于活性炭的添加量大，負極析氫嚴重，電池失水嚴重。

因此，有必要開發(fā)一種性能優(yōu)異的新型鉛炭復(fù)合材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種鉛炭復(fù)合顆粒及其制備方法。

本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：

一種鉛炭復(fù)合顆粒，其外層為炭層，內(nèi)部包含多個二氧化硅包覆Pb&PbO顆粒。

所述的鉛炭復(fù)合顆粒的粒徑為0.1～10μm，所述的Pb&PbO顆粒的粒徑為1～20nm，所述的二氧化硅包覆Pb&PbO顆粒的粒徑為20～70nm。

上述鉛炭復(fù)合顆粒的制備方法包括以下步驟：

1)將氫氧化鈉溶液和醋酸鉛溶液混合均勻，充分反應(yīng)，將生成的沉淀分離出來，得到氫氧化鉛；

2)將氫氧化鉛分散在PVP溶液中，充分反應(yīng)，將生成的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到無水乙醇中，并加入水，分散均勻，得到分散液；

3)將四甲基氫氧化氨溶液加入到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再加入正硅酸乙酯的乙醇溶液，充分反應(yīng)，將生成的沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4)將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在葡萄糖溶液中，充分反應(yīng)，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5)將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到氯化鋅溶液中進行浸漬，充分干燥，再在氮氣氛圍下充分煅燒，冷卻后取出，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

步驟1）所述的氫氧化鈉、醋酸鉛的摩爾比為（1～9）：1。

步驟2）所述的氫氧化鉛、PVP的質(zhì)量比為1：（1～10）。

所述的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀、四甲基氫氧化氨、正硅酸乙酯的質(zhì)量比為（50～600）：（5～200）：1。

步驟4）所述的二氧化硅包覆氫氧化鉛、葡萄糖的質(zhì)量比為1：（1～10）。

步驟4）所述的反應(yīng)在150～220℃下進行，反應(yīng)時間為8～12小時。

步驟5）所述的干燥在100～120℃下進行，干燥時間為10～20小時。

步驟5）所述的煅燒在500～1000℃下進行，煅燒時間為2～5小時。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的鉛炭復(fù)合顆粒的外層為高導(dǎo)電炭層，內(nèi)部包含多個顆粒狀的二氧化硅包覆Pb&PbO，整體密度大于1.9cm³，和鉛粉1.9～2.1g/cm³的密度接近，在鉛酸電池制備和膏的過程中能與鉛粉均勻混合，其析氫過電位為1.85V，高于常規(guī)炭材料的析氫過電位，且其在鉛酸電池中的添加量可以達到5wt%，Pb&PbO外面包覆的納米級二氧化硅過渡層可將Pb&PbO與炭層有效地分隔開，可以大大改善鉛炭復(fù)合顆粒制備過程中的穩(wěn)定性和使用的安全性。

附圖說明

圖1為實施例1中的中間產(chǎn)物SiO₂@Pb(OH)₂的TEM圖。

圖2為實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的TEM圖（低放大倍數(shù)）。

圖3為實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的TEM圖（高放大倍數(shù)）。

圖4為實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的TG曲線。

圖5為實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的XRD圖。

圖6為實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒在1.26g/L硫酸溶液中浸泡后的XRD圖。

圖7為實施例1和實施例2的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒添加到電池負極后的電池容量測試圖。

圖8為實施例1和實施例2的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒添加到電池負極后的電池高倍率循環(huán)測試圖。

具體實施方式

一種鉛炭復(fù)合顆粒，其外層為炭層，內(nèi)部包含多個二氧化硅包覆Pb&PbO顆粒。

優(yōu)選的，所述的鉛炭復(fù)合顆粒的粒徑為0.1～10μm，所述的Pb&PbO顆粒的粒徑為1～20nm，所述的二氧化硅包覆Pb&PbO顆粒的粒徑為20～70nm。

上述鉛炭復(fù)合顆粒的制備方法包括以下步驟：

1)將氫氧化鈉溶液和醋酸鉛溶液混合均勻，充分反應(yīng)，將生成的沉淀分離出來，得到氫氧化鉛；

2)將氫氧化鉛分散在PVP溶液中，充分反應(yīng)，將生成的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到無水乙醇中，并加入水，分散均勻，得到分散液；

3)將四甲基氫氧化氨溶液加入到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再加入正硅酸乙酯的乙醇溶液，充分反應(yīng)，將生成的沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4)將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在葡萄糖溶液中，充分反應(yīng)，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5)將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到氯化鋅溶液中進行浸漬，充分干燥，再在氮氣氛圍下充分煅燒，冷卻后取出，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

優(yōu)選的，步驟1）所述的氫氧化鈉、醋酸鉛的摩爾比為（1～9）：1。

優(yōu)選的，步驟1）所述的氫氧化鈉溶液的濃度為2～20g/L。

優(yōu)選的，步驟1）所述的醋酸鉛溶液的濃度為20～400g/L。

優(yōu)選的，步驟2）所述的氫氧化鉛、PVP的質(zhì)量比為1：（1～10）。

優(yōu)選的，步驟2）所述的PVP溶液的濃度為10～200g/L。

優(yōu)選的，所述的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀、四甲基氫氧化氨、正硅酸乙酯的質(zhì)量比為（50～600）：（5～200）：1。

優(yōu)選的，步驟3）所述的四甲基氫氧化銨溶液的質(zhì)量分數(shù)為5%～30%。

優(yōu)選的，步驟3）所述的正硅酸乙酯的乙醇溶液的體積分數(shù)為0.001%～0.1%。

優(yōu)選的，步驟4）所述的二氧化硅包覆氫氧化鉛、葡萄糖的質(zhì)量比為1：（1～10）。

優(yōu)選的，步驟4）所述的葡萄糖溶液的濃度為10～200g/L。

優(yōu)選的，步驟4）所述的反應(yīng)在150～220℃下進行，反應(yīng)時間為8～12小時。

優(yōu)選的，步驟5）所述的干燥在100～120℃下進行，干燥時間為10～20小時。

優(yōu)選的，步驟5）所述的煅燒在500～1000℃下進行，煅燒時間為2～5小時。

優(yōu)選的，步驟5）所述的氯化鋅溶液的質(zhì)量分數(shù)為30%～80%。

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進一步的解釋和說明。

實施例1：

1）將80mL的20g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的400g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在150mL的30g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)10小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到130mL無水乙醇中，并加入8mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)10%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.05%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的200g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，180℃下反應(yīng)10小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到5mL的質(zhì)量分數(shù)80%的氯化鋅溶液中浸漬2小時，再100℃干燥20小時，再在氮氣氛圍下800℃下煅燒3小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

實施例2：

1）將160mL的10g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的20g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在150mL的10g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)10小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到130mL無水乙醇中，并加入8mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)30%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.05%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的100g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，180℃下反應(yīng)10小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到5mL的質(zhì)量分數(shù)40%的氯化鋅溶液中浸漬2小時，再110℃干燥20小時，再在氮氣氛圍下500℃下煅燒5小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

實施例3：

1）將100mL的2g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的100g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在100mL的10g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)10小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到100mL無水乙醇中，并加入10mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)5%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.01%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的10g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，220℃下反應(yīng)8小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到10mL的質(zhì)量分數(shù)30%的氯化鋅溶液中浸漬2小時，再120℃干燥100小時，再在氮氣氛圍下800℃下煅燒3小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

實施例4：

1）將80mL的30g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的120g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在100mL的50g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)8小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到100mL無水乙醇中，并加入10mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)10%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.02%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的80g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，180℃下反應(yīng)10小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到10mL的質(zhì)量分數(shù)50%的氯化鋅溶液中浸漬2小時，再110℃干燥15小時，再在氮氣氛圍下900℃下煅燒3小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

實施例5：

1）將100mL的10g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的350g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在100mL的30g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)10小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到100mL無水乙醇中，并加入10mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)10%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.03%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的80g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，150℃下反應(yīng)12小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到20mL的質(zhì)量分數(shù)40%的氯化鋅溶液中浸漬5小時，再110℃干燥18小時，再在氮氣氛圍下1000℃下煅燒3小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

實施例6：

1）將80mL的30g/L的氫氧化鈉溶液和40mL的120g/L的醋酸鉛溶液混合均勻，反應(yīng)2小時，將生成的白色沉淀分離出來，用去離子水洗滌干凈，得到氫氧化鉛；

2）將氫氧化鉛分散在100mL的50g/L的PVP溶液中，攪拌反應(yīng)8小時，將生成的淺黃色的PVP修飾的氫氧化鉛沉淀分離出來，加入到100mL無水乙醇中，并加入10mL去離子水，超聲分散10分鐘，得到分散液；

3）邊攪拌邊將100μL的質(zhì)量分數(shù)10%的四甲基氫氧化氨溶液滴加到步驟2）的分散液中，充分反應(yīng)，再滴加20mL的體積分數(shù)為0.04%的正硅酸乙酯的乙醇溶液，2小時內(nèi)滴完，保持攪拌反應(yīng)10小時，將生成的白色沉淀分離出來，得到二氧化硅包覆氫氧化鉛；

4）將二氧化硅包覆氫氧化鉛分散在80mL的60g/L的葡萄糖溶液中，超聲分散30分鐘，180℃下反應(yīng)10小時，得到C@[SiO₂@Pb(OH)₂]；

5）將C@[SiO₂@Pb(OH)₂]加入到10mL的質(zhì)量分數(shù)50%的氯化鋅溶液中浸漬3小時，再110℃干燥12小時，再在氮氣氛圍下800℃下煅燒3小時，冷卻后取出，用80℃的去離子水離心洗滌3次，得到C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒。

測試例：

1）透射電鏡檢測

實施例1制備的中間產(chǎn)物SiO₂@Pb(OH)₂的TEM圖如圖1所示，實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的TEM圖如圖2（低放大倍數(shù)）和圖3（高放大倍數(shù)）所示。

由圖1、圖2和圖3可知：實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的最外層為導(dǎo)電炭層，內(nèi)部包含多個納米二氧化硅包覆的Pb&PbO顆粒。

2）熱失重測試

對實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒進行熱失重測試，其TG曲線如圖4所示。

由圖4可知：實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒中鉛和氧化鉛的質(zhì)量約占40%。

3）BET比表面積測試

對實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒進行BET比表面積測試，測試得到其比表面積為848.8m²/g。

4）XRD測試

對實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒進行XRD測試，測試結(jié)果如圖5所示。

將實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒加入到1.26g/L的硫酸溶液中進行浸泡，取出后進行XRD測試，測試結(jié)果如圖6所示。

由圖5和圖6可知：實施例1制備的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒中包覆的鉛和氧化鉛在鉛酸電池中可以參與電化學(xué)反應(yīng)。

5）電池測試

將實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒、實施例2的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒、椰殼炭分別以相對于負極鉛粉5%的含量加入到電池負極活性物質(zhì)中，做成電池，化成結(jié)束后以0.1C電流進行電池容量測試，測試結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：負極中添加有C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的電池的容量明顯高于負極中添加有相同含量椰殼炭的電池。

將實施例1的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒、實施例2的C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒、椰殼炭分別以相對于負極鉛粉5%的含量加入到電池負極活性物質(zhì)中，做成電池，化成結(jié)束后放電至50%荷電狀態(tài)下，用1C的電流充放電，充放電時間為25s，間歇時間為5s，終止電壓為1.75V進行高倍率循環(huán)測試，測試結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知：負極中添加有C@[SiO₂@Pb&PbO]復(fù)合顆粒的電池的循環(huán)性能明顯優(yōu)于負極中添加有相同含量椰殼炭的電池。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。