一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及制备和应用

摘要

本发明公开了一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其特征在于以氮掺杂罗汉果残渣基碳材料为载体，金属铅沉积于氮掺杂罗汉果残渣碳材料表面。同时发明还公开了该氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料的制备方法。该氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料具有良好的电化学性能和析氢抑制性能双重功能，即能解决铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象，又能解决铅碳电池因添加碳材料而产生的析氢现象。

说明书

技术领域

本发明属于铅碳电池负极材料制备技术领域，主要涉及一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及制备和应用。

背景技术

铅碳电池既保留了铅酸蓄电池安全可靠、回收率高、价格低的优点，又具有铅酸蓄电池和超级电容器的双重功能，在HRPSoC状态下具有极好的循环使用寿命和较高的功率密度，在负极板中加入多孔碳材料，碳添加剂对铅碳电池起到缓冲电流、提供导电网络的作用，从而改善电池的电化学行为，延长负极板在高倍率部分荷电状态下的循环寿命。

市面上的碳材料层出不穷，添加在铅碳电池负极中的碳材料主要有：活性炭、炭黑、碳纳米管、乙炔黑、石墨烯、生物质碳等，添加的这些碳材料在不同程度上均对减缓铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象有一定的帮助，但其中有些碳材料价格比较昂贵，如：石墨烯、碳纳米管等，而像乙炔黑这样的碳材料，其颗粒细小，在电池中容易团聚，不利于活性物质铅的分散，从而降低铅的利用率，从而影响铅碳电池的电化学性能。在诸多的碳材料中，生物质碳则是最廉价易得的，自然界中的生物质，包括许多不被处理的农业废弃物，都是非常宝贵的碳资源，以生物质为碳源，人们可以根据需要，通过人工耦合技术，将生物质碳与其他化学组分复合，对生物质碳进行改性和调控其结构已成为研究热点之一。

然而铅碳电池的发展也存在着一些问题，例如，在大多数情况下，人们仅仅是简单地将碳材料和负极材料中的活性物质、析氢抑制剂、粘结剂等物质混合，在一定量的水和硫酸溶液中进行机械搅拌，而后获得铅膏，将其涂覆于铅钙合金板栅上，再经淋酸、固化、干燥、化成等工序得到负极板。但由于碳添加剂的密度小，与负极材料添加剂的密度有一定的差异，尤其是和铅粉的密度相差很大，因此简单的机械混合，使得铅膏中碳材料与负极活性物质之间存在界面不相容性，这会增加界面欧姆电阻，导致电池在HRPSoC状态下长时间运行时发生中断的可能，最终影响负极活性物质的导电性。除此之外，碳添加剂也出现了严重的问题，碳材料有较低的析氢过电势，在电池进行充电的后期，负极容易析出氢气，加速电解液枯涸，此外，产生的氢气泡使碳颗粒与铅分离，从而破坏了负极板结构的稳定性，最终也会缩短电池的循环寿命。因此，针对如何减缓铅碳电池不可逆硫酸盐化和负极析氢的研究仍然具有十分重要的意义。

近几年来，SnO

基于自然界生物质原料丰富、廉价易得，包括农业废弃物的利用价值尚低的现状，本着充分利用可再生生物质资源的理念，本申请以罗汉果残渣作为碳源，利用水热-掺杂法制备氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO

发明内容

本发明的目的：制备一种即能解决铅碳电池在高倍率荷电工作状态下运行产生不可逆硫酸盐化的现象，又能解决铅碳电池因添加碳材料而产生的析氢现象的复合材料------氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO

发明思路：利用SnO

本发明提出氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO

一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣按下列方法进行预处理：

将罗汉果残渣放入装有5wt.％K

一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣基碳材料制备方法如下：

称取10g罗汉果残渣粉末于氧化铝坩埚中，置于真空管式炉中，在氩气气氛下煅烧进行预碳化，温度条件为650℃，保温3h(其中氩气流速控制100mL/min，升温速度为5℃/min)，待真空管式炉冷却到室温，取出氧化铝坩埚，把碳化后得到的罗汉果残渣基碳材料装在样品管中备用。

一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，所述的罗汉果残渣基C/SnO复合材料制备方法如下：

量取55.25mL正丁醇(分散剂)置于在100mL烧杯中，量取6mL浓盐酸，称取1.6364gSnCl

一种氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料，其氮掺杂方法如下：

称取2g制备好的罗汉果残渣基C/SnO

所述制备方法获得的氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料可应用于铅碳电池负极，表现出良好的循环稳定性。这与水热-掺杂法制备法可以使罗汉果残渣碳材料与SnO

附图说明

图1是制备氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及铅碳电池负极的制备工艺流程图。

图2铅碳电池首次放电曲线图。

图3铅碳电池循环寿命图。

图4不同配比C/SnO

图5(a)、图5(b)和图5(c)为罗汉果残渣碳材料、C/SnO

图6(a)、图6(b)和图6(c)为罗汉果残渣碳材料、C/SnO

具体实施方式

下面进一步说明本发明。

1.罗汉果残渣预处理方法：将罗汉果残渣放入装有5wt.％K

2.罗汉果残渣基碳材料制备方法：称取10g罗汉果残渣粉末于氧化铝坩埚中，置于真空管式炉中，在氩气气氛下煅烧进行预碳化，温度条件为650℃，保温3h，控制氩气流速控制100mL/min，升温速度为5℃/min，待真空管式炉冷却到室温，取出氧化铝坩埚，得到罗汉果残渣基碳材料，装在样品管中备用。

3.罗汉果残渣基C/SnO复合材料制备方法：量取作为分散剂55.25mL正丁醇置于在100mL烧杯中，量取6mL浓盐酸，称取1.6364g SnCl

4.称取2g罗汉果残渣基C/SnO

5.铅碳电池正负极材料的制备

分别称1g罗汉果残渣基C/SnO

将正极活性物质(PbO

将上述铅碳电池正、负极材料分别涂到正、负极板栅上，涂抹均匀并压实，然后将电极板放入60℃的烘箱中固化12h，即获得铅碳电池正、负极板。

附图1是上述氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料及铅碳电池负极的制备工艺流程图。在附图1中，固化条件控制如下：将淋酸后的铅碳电池负极生极板置于真空干燥箱中，控制温度为55℃固化12h，再将温度调整至65℃固化24h。化成参数设置如下：将固化后的铅碳电池负极生极板连接至电池充放电测试系统，以3/5C恒流充电2h，再以17/20C恒流充电5h，之后以1/4C恒流放电20min，继续用17/20C恒流充电5h，再以7/10C恒流放电10min，最后以3/5C恒流充电2h，化成程序完毕，其中化成过程中硫酸电解液浓度为1.14g/mL。

附图2是利用含有上述氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料的负极材料组装的铅碳电池首次放电曲线图。从附图2可以观察到，含氮掺杂C/SnO

附图3是利用含有上述氮掺杂罗汉果残渣基C/SnO复合材料的负极材料组装的铅碳电池循环寿命图。从附图3中可以看出，含氮掺杂C/SnO

附图4表明罗汉果残渣碳材料：SnCl

附图5(a)、附图5(b)和附图5(c)为罗汉果残渣碳材料、C/SnO

附图6为罗汉果残渣碳材料、C/SnO