[发明专利]一种层状结构石墨烯-钛酸盐铅酸电池电极活性物质添加剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种层状结构石墨烯‑钛酸盐铅酸电池电极活性物质添加剂的制备方法，本方明利用二维碳化钛晶体和还原氧化石墨烯纳米片的受限转变，制备夹在石墨烯层之间的集成超薄钛酸钠/钛酸铅纳米片。该层状二维材料复合材料由于其大的层间距、优异的电导率、高反应活性、高化学稳定性等优点，不仅可辅助电极材料提供铅源，与高比电容石墨烯产生协同作用来提高容量，更重要的是可显著改善铅酸电池电化学性能和循环稳定性，延长使用寿命。

技术领域

本发明涉及一种层状结构石墨烯-钛酸盐铅酸电池电极活性物质添加剂的制备方法，属于复合材料制备及应用技术领域。

背景技术

铅酸电池现在仍然是世界上产量最大、用途最广的化学电源，因其原料丰富、制造工艺成熟、性价比高、性能安全可靠等显著优势在通信、交通、电力等各个领域内都得到广泛应用。目前，在汽车起动、电动助力车、通信基站、工业叉车等诸多领域，铅酸电池始终仍然占据行业主导地位。采用新型二维金属碳化物晶体对电极材料可进行改性，可大幅提升铅酸电池的比能量密度和循环寿命，再辅以高回收利用率，均比锂离子电池、镍氢电池都占有优势，对于铅酸电池技术与性能创新提升有着重要的应用价值。

发明内容

现有铅酸电池电极活性物质的利用率低，所生成的硫酸铅颗粒导电性极差和硫酸盐化等问题，导致电池能量密度低且循环寿命短。目前通过添加石墨烯来改善上述缺点的工作，主要通过合成高比表面积的石墨烯宏观组装体，来取得较理想的质量比容量，但由于这些石墨烯材料的表观密度较低，从而导致其体积比容量较差，无法满足实际商业化应用需求。针对所存在的问题，本发明提供一种层状结构石墨烯-钛酸盐铅酸电池电极活性物质添加剂的制备方法，将迈科烯与还原氧化石墨烯纳米片结合，然后将迈科烯转化为具有良好结合的层状结构的超薄钛酸盐复合材料。这种夹层结构的二维排列方式具有良好的力学性能，且经过超薄钛酸盐与石墨烯的协同作用，使其具有离子层间距合适、化学稳定性高、环境友好等优点，显著提升电池能量密度和长循环稳定性，是改善铅酸电池电化学性能有效策略。

本发明的技术方案是：一种层状结构石墨烯-钛酸盐铅酸电池电极活性物质添加剂的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、将Ti₃AlC₂粉末溶于LiF与HCl混合溶液中，加热反应制备得到Ti₃C₂T_x迈科烯(MXene)悬浮液；

步骤二、将氧化石墨烯水溶液添加到步骤一所制备的Ti₃C₂T_x迈科烯悬浮液中，将复合浆料干燥后，采用热还原法制备Ti₃C₂T_x迈科烯/还原氧化石墨烯复合材料；

步骤三、使用氢氧化钠、氢氧化铅和过氧化氢获得的混合水溶液添加至步骤二制得的复合浆料中，经水热处理并干燥后得到具有三明治结构的还原氧化石墨烯/钛酸钠/钛酸铅层状二维材料复合材料。

进一步的，步骤一中Ti₃AlC₂与LiF粉末质量比为1:1，HCl溶液浓度为7～9mol/L，所收集的Ti₃C₂T_x胶体悬浮液浓度为0.5～1.0g/L。

进一步的，步骤一中加热反应条件为：35℃，24小时。

进一步的，步骤一中Ti₃C₂T_x迈科烯的官能团-T_x为-F或-O或-OH。

进一步的，步骤二中所述氧化石墨烯水溶液的固含量为0.5～1％，氧化石墨烯水溶液与Ti₃C₂T_x迈科烯悬浮液体积比为1:7～1:3。

进一步的，步骤二中热还原法条件为：在450℃及氩气气氛下退火3小时。