[发明专利]包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池

说明书

技术领域

本发明涉及超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池。

背景技术

当今世界面临的重大课题之一是能源和环境的问题，为了节约有限的化石能源，降低化石燃料导致的污染，世界各国均大力发展新能源汽车，我国也将电动汽车作为重点发展的战略性新兴产业。目前，制约电动汽车发展的瓶颈是动力电池，首要问题是电池的安全性、价格、寿命、比能量、比功率以及快速充电性能。同时，风能、太阳能等可再生清洁能源也获得了大力的开发，但是由于这类能源的产生存在不稳定性，在并入电网时需要储能蓄电池进行调峰。电动车电池和储能电池的工作环境要求电池在部分荷电状态下频繁进行短时间的大电流充放电，即所谓的“高倍率-部分荷电工作条件”。一方面由于电池的高倍率性能和充电接受能力相对较差，另一方面这一工作条件加速了电池内部材料的衰退(如铅酸电池的负极硫酸盐化，电极活性物质团聚导致比表面积减小等)，因此目前的电池尚不能满足电动车电池和储能电池的要求。为此提出了“超级电池”的理念，即把超级电容器的电容性电极和电池的电化学反应电极并联在同一个单体电池中，在高倍率充放电时由电容性电极分担一部分电流，这样一方面提高了电池的高倍率充放电性能，另一方面减小了大电流对电化学反应电极的冲击，大幅度提高电池在高倍率-部分荷电工作条件下的使用寿命。

目前超级电池中使用的电容性电极材料包括各种高比表面积的碳材料以及赝电容材料，其中效果较好的是活性炭和炭黑，但是活性炭的孔径较小(平均2nm左右)，不利于高倍率条件下电解质在孔内的高速传输；而炭黑比表面积较小，比电容较小。石墨烯是近年发展起来的新型碳材料，理论比表面积高达2630m²/g，有望成为性能良好的超级电容器电极材料以及超级电池的电容性电极材料。但是，由于石墨烯片层之间存在强的范德华作用力，在石墨烯的制备和使用过程中极易发生石墨烯纳米片的再堆叠，紧密的片层堆叠使得片层间的表面不能得到有效利用，实际比表面积远远低于预期的理论值(2630m²/g)，造成比电容较小。

铅酸电池具有价格低，安全性好，生产工艺设施和回收利用技术成熟等优势，但是铅酸电池的高倍率性能较差，尤其是高倍率-部分荷电条件下工作寿命短，迫切需要提高其工作寿命以适应电动车电池和储能电池的要求。

发明内容

本发明是要解决现有的超级电池中使用的电容性电极材料的比电容小、倍率性能差的技术问题，而提供包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板、其制备方法以及由其组装的铅酸超级电池。

本发明的包含石墨烯基水凝胶的超级电池极板，它由集流体和涂覆在集流体上的电极材料组成，电极材料包含电容性电极活性物质和电池性电极活性物质，电容性电极活性物质包括石墨烯基水凝胶，石墨烯基水凝胶中石墨烯的质量占电池性电极活性物质质量的0.01％～20％；

所述的电容性电极活性物质是指通过双电层充放电过程来转换电能的电极活性物质，所述的电池性电极活性物质是指通过电化学反应过程来转换电能的电极活性物质；

其中石墨烯基水凝胶是由石墨烯形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％；

上述的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行：

一、称取石墨与还原剂；其中石墨与还原剂的质量比为1∶(1～1000)；还原剂为KOH、NaOH、LiOH、氨水、抗坏血酸、抗坏血酸钠、水合肼、二甲肼、苯肼、乙二胺、硼氢化钠、对苯二酚和硫脲中的一种或其中几种的组合；

二、将步骤一称取的石墨氧化成为氧化石墨；

三、按氧化石墨的浓度为0.01mg/mL～50mg/mL，将步骤二得到的氧化石墨加入水中，超声剥离、分散，得到氧化石墨烯水分散液；

四、将步骤三得到的氧化石墨烯水分散液在温度为4℃～100℃的条件下，加入步骤一称取的还原剂，在频率为20～100KHz、功率为40～1000W的超声条件下还原0.2h～6h，得到石墨烯胶体分散液；

五、将步骤四得到的石墨烯胶体分散液真空抽滤、减压旋转蒸发、静置处理或旋转离心处理至含水量为90％～99.5％的凝胶从石墨烯胶体分散液中析出，然后再对凝胶进行渗析或真空抽滤水洗，得到石墨烯基水凝胶。

石墨烯基水凝胶还可以是由石墨烯和非石墨碳材料形成的水凝胶，水凝胶中的水分占总质量的90％～99.5％；非石墨碳材料为碳纳米管、炭黑、乙炔黑、碳纤维、碳纳米颗粒和活性炭中的一种或其中几种的组合；非石墨碳材料与石墨烯的质量比为(0.01～20)∶1；

上述的石墨烯基水凝胶的制备方法按以下步骤进行：