不同类型氧化石墨烯对铅酸电池负极和电池性能的影响

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传统的铅酸电池在混合动力汽车的高倍率部分荷电量(HRPSoC)工作条件下,短时间内电池的负极板表面会累积大量的硫酸铅晶体,造成负极板不可逆硫酸盐化,极大的缩短电池的循环寿命。将碳材料直接引入负极板活性物质(NAM)中,可明显抑制负极板不可逆硫酸盐化的问题,但铅酸电池负极板加入碳材料会带来严重的析氢问题。课题组前期寻找到合适的碳基复合材料,提高循环寿命的同时抑制析氢,发现氧化石墨烯(GO)可极大的增加HRPSoC循环寿命,同时炭黑(CB)表面的碱性官能团具有抑制析氢的作用。但有关碳材料表面官能团对负极板析氢的作用机理仍不明晰。因此,本论文通过控制氧化和还原条件制备了不同类型的GO/P-RGO材料,研究了GO表面氧化官能团对铅酸电池负极板和电池性能的影响,为负极板添加剂的筛选和优化提供一定的理论支持。主要研究结果如下:1、不同类型GO/P-RGO的制备与表征通过两种方法降低GO氧化度,制备了6种不同氧化度的GO/P-RGO材料(氧化度范围:58.90%–23.26%)。采用改进Hummers法,通过控制合成条件制备了具有不同氧化官能团的4种GO材料。采用X光衍射(XRD)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱仪(XPS)等方法对制备的GO/P-RGO材料进行了表征。2、GO氧化度对负极板和铅酸电池的影响采用制备的6种不同氧化度的GO/P-RGO作为负极添加剂,研究了其对负极板和电池性能的影响。结果表明,加入GO/P-RGO显著促进了负极板中H2析出和PbSO4的还原,降低了反应阻抗。加入GO/P-RGO的负极板具有更大的比表面积、孔体积和亲水性。其中,加入M-GO(具有最高氧化度58.90%)的负极板不可逆硫酸盐化现象被明显抑制,含M-GO的模拟电池2C-3set HRPSoC循环寿命最佳(35598 cycles),显示加入高氧化度GO的电池循环寿命更长。改变负极板中M-GO的含量(0.0%-2.0%),研究确定1.0%为合适的添加剂含量。3、GO不同氧化官能团对负极板和铅酸电池的影响采用制备的4种具有不同氧化官能团比例的GO作为负极添加剂,研究发现加入GO显著促进了H2的析出和PbSO4的还原,其中C–O官能团相对含量的增加对H2的析出有强烈的促进作用。含有GO4-H(羰基和羧基比例较高)的负极板具有相对合适的电化学性能和物理性能,其模拟电池的2C-3set HRPSoC循环寿命相对最高(19672cycles)。相同氧化度下,具有较低含量的C–O官能团和较高含量的羰基和羧基(例如GO4-H和R-GO1)更适合作为负极板的添加剂。
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