陳遠(yuǎn)強(qiáng)
(1.中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所,光電材料化學(xué)與物理院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002; 2.中國(guó)福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室,福州 350108)
鉛酸電池因具有高安全性、高可回收利用率、低成本、技術(shù)成熟等顯著優(yōu)勢(shì)[1–4]而廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、通訊、工業(yè)、備用電源、風(fēng)光能綠色照明、軍工等領(lǐng)域,其市場(chǎng)占有率極高。然而,盡管鉛酸電池有諸多顯著的優(yōu)勢(shì),但是鉛酸電池在儲(chǔ)能以及混合動(dòng)力等高倍率部分荷電狀態(tài)(HRPSoC)應(yīng)用場(chǎng)景下,負(fù)極表面極易形成不導(dǎo)電、粗大的“惰性”硫酸鉛晶體,在隨后的充電過(guò)程中,不能可逆地轉(zhuǎn)化為鉛,導(dǎo)致電極活性物質(zhì)利用率低、倍率性能差、電池的容量迅速喪失,由此造成鉛酸電池的循環(huán)壽命變短,稱(chēng)為負(fù)極的“硫酸鹽化”現(xiàn)象。為了解決鉛酸電池負(fù)極的“硫酸鹽化”問(wèn)題,以提高電池在HRPSoC的循環(huán)壽命,人們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn),在鉛酸電池的負(fù)極引入碳材料[包括炭黑(CB)、活性炭、石墨、碳纖維、石墨烯等]可以相對(duì)改善該問(wèn)題,同種類(lèi)碳材料的微觀結(jié)構(gòu)和物化性能差異很大,對(duì)鉛酸電池的性能影響也不同[5–12]。其中,CB具有小粒徑、高比表面、高導(dǎo)電性以及高穩(wěn)定性的特點(diǎn),在負(fù)極內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),提高了鉛酸電池負(fù)極的導(dǎo)電能力。當(dāng)電池處于HRPSoC下運(yùn)行時(shí),CB不僅能夠提供傳遞電子的通道,而且分散在硫酸鉛晶體周?chē)纬傻诙?,可抑制硫酸鉛晶體的長(zhǎng)大,避免負(fù)極進(jìn)一步不可逆“硫酸鹽化”。另外,具有一定電容特性的CB,在大電流充電時(shí),電流先經(jīng)過(guò)碳電極,再經(jīng)過(guò)鉛電極,碳電極起到緩沖作用,從而進(jìn)一步減緩“硫酸鹽化”現(xiàn)象。然而,導(dǎo)電CB的析氫過(guò)電位往往很低,在充電后期,會(huì)引起嚴(yán)重析氫反應(yīng),而且析氫問(wèn)題會(huì)隨鉛酸電池負(fù)極中碳含量增加變得更加嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致電池電解液“干涸”,性能?chē)?yán)重劣化,大大限制鉛酸電池的循環(huán)壽命進(jìn)一步提升[13–16]。
被稱(chēng)為“導(dǎo)電塑料”的聚吡咯(PPy)自在二十世紀(jì)初被合成以來(lái)一直都是研究熱點(diǎn),研究表明,PPy是一種含有共軛大π鍵結(jié)構(gòu)的本征型導(dǎo)電聚合物,具有良好光學(xué)、電學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)能、導(dǎo)電、防腐、傳感、電催化、吸波、電磁屏蔽等領(lǐng)域[17–19]。雖然PPy的導(dǎo)電能力比碳材料差,但其具有良好電化學(xué)和化學(xué)氧化還原穩(wěn)定性、較大比電容,更重要的是其具有易合成、易加工、安全無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。目前與PPy的復(fù)合材料相關(guān)研究較多,但是PPy與CB復(fù)合材料相關(guān)的研究及其應(yīng)用的報(bào)道較少,還沒(méi)有在鉛酸電池上應(yīng)用的報(bào)道。朱嫦娥等[20]用CB吸附化學(xué)氧化聚合法制備PPy/CB導(dǎo)電復(fù)合材料并作為鋰/PPy二次電池的正極膜;Ji Shiyu等[21]采用化學(xué)法制備了PPy/CB復(fù)合材料并作為超級(jí)電容器的電極;M. C. Bertolini等[22]采用熔融混合法制備了熱塑性聚氨酯和CB與PPy的復(fù)合材料并作為電池屏蔽材料。
筆者以吡咯(Py)和鉛酸電池用導(dǎo)電CB為原料,采用化學(xué)原位法成功制備了PPy/CB復(fù)合材料,并對(duì)復(fù)合材料樣品的形貌、組成進(jìn)行了表征,對(duì)其電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。同時(shí),將所制備PPy/CB復(fù)合材料應(yīng)用于鉛酸電池負(fù)極中,研究其對(duì)鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命性能的影響。
Py、乙醇、過(guò)硫酸銨、硫酸:分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;
N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP):電子級(jí),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;
聚偏氟乙烯(PVDF):HSV900,法國(guó)Arkema公司;
鉛酸電池用CB及鉛酸電池其它相關(guān)的正、負(fù)極材料:電子級(jí),泉州凱鷹電源電器有限公司提供。
掃描電子顯微鏡(SEM):SU–8010型,日本Hitachi公司;
傅立葉變換紅外光譜(FTIR)儀:Nicolet iS10型,美國(guó)Thermo Fisher公司;
拉曼光譜儀:LabRAM HR Evolution型,德國(guó)HORIBA公司;
X射線(xiàn)衍射(XRD)儀:Miniflex600型,美國(guó)Rigaku公司;
Neware高性能電池檢測(cè)系統(tǒng):CT–4008–5V6A–S1型,深圳市新威爾電子有限公司;
電化學(xué)工作站:WaveDriver200型,美國(guó)PINE公司。
(1) PPy制備。
將0.5 g Py單體溶解于100 g質(zhì)量濃度50%乙醇水溶液中,將其移至冰水浴中;然后,將100 g的質(zhì)量濃度2%過(guò)硫酸銨水溶液緩慢加入上述溶液中,滴加過(guò)程需要連續(xù)攪拌;其次,待上述兩種溶液混合完畢后,連續(xù)攪拌反應(yīng)12 h以上;接著,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行抽濾和洗滌之后,收集粉末,并在60℃下真空干燥12 h直至恒重;最后,研磨、過(guò)篩制備得到PPy粉體并作為負(fù)極添加劑。
(2) PPy/CB復(fù)合材料制備。
首先,將1.0 g CB分散于100 g質(zhì)量濃度50%乙醇水溶液中;接著,將0.5 g Py單體溶解于上述溶液中,將其移至冰水浴中;然后,將100 g的質(zhì)量濃度2%過(guò)硫酸銨溶液緩慢加入上述溶液中,滴加過(guò)程需要連續(xù)攪拌;其次,待上述兩種溶液混合完畢后,連續(xù)攪拌反應(yīng)12 h以上;接著,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行抽濾和洗滌之后,收集粉末,并在60℃下真空干燥12 h直至恒重;最后,研磨、過(guò)篩制備得到PPy/CB復(fù)合材料粉體。
(3)工作電極的制備。
制備分別以CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料為活性物質(zhì)的工作電極。制備流程如下:首先,按質(zhì)量比為8∶1∶1稱(chēng)取負(fù)極添加劑、導(dǎo)電助劑、粘結(jié)劑PVDF置于球磨罐中;其次,加入適量的溶劑NMP,密封置于300 r/min行星球磨機(jī)上球磨3 h,混合均勻后得到漿料;最后,將所得漿料均勻涂覆在經(jīng)拋光的鉛片和鈦片上,在120℃的真空烘箱中烘干24 h。負(fù)極添加劑分別為CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料,由這三種負(fù)極添加劑材料分別制得電極對(duì)應(yīng)命名為NCB,NPPy和NPPy/CB。其中,將涂覆于鉛片的電極用于電化學(xué)線(xiàn)性?huà)呙璺?LSV)測(cè)試,涂覆于鈦片的電極用于電化學(xué)循環(huán)伏安法(CV)測(cè)試。
(4)電池制備。
負(fù)極板的制備流程如圖1所示[23–24]。首先,按比例稱(chēng)取負(fù)極添加劑、木素、硫酸鋇、短纖維、硫酸、純水;然后,將上述固態(tài)粉末置于燒杯中攪拌均勻;隨后,緩慢地加入純水和硫酸均勻攪拌制出鉛膏;最后,均勻地將鉛膏涂覆在合金鉛板柵上,輥壓后置于溫度為55℃、相對(duì)濕度為90%的恒溫恒濕箱中固化24 h。
“兩正一負(fù)”鉛酸電池的制備流程如圖1所示。首先,根據(jù)以上步驟,將預(yù)先制備的三種添加劑材料應(yīng)用于鉛酸電池負(fù)極中,分別制備出相應(yīng)實(shí)驗(yàn)負(fù)極板;然后,將單片實(shí)驗(yàn)負(fù)極與兩片正極板匹配并組裝;接著,將組裝后的電極放入電池殼后進(jìn)行封裝;隨后,在電池殼中注入硫酸電解液并進(jìn)行密封;最后,對(duì)電池進(jìn)行化成,化成結(jié)束后即完成“兩正一負(fù)”鉛酸電池制備(如圖2所示)。根據(jù)以上制備流程,采用以上三種負(fù)極添加劑材料分別制備的相應(yīng)電池對(duì)應(yīng)命名為BCB,BPPy和BPPy/CB,并用于HRPSoC循環(huán)壽命性能測(cè)試。
圖1 實(shí)驗(yàn)負(fù)極板及“兩正一負(fù)”鉛酸電池制備流程圖
圖2 鉛酸電池組裝過(guò)程
(1)材料形貌與結(jié)構(gòu)表征。
SEM分析:分辨率1.3 nm,加速電壓0.1~30 kV,放大倍數(shù)20~800000;
XRD分析:掃描范圍–3°~145°,600 W Cu靶,閃爍計(jì)數(shù)器為碘化鈉閃爍體;
FTIR分析:分辨率0.5~1 cm-1,掃描光譜范圍4000~400 cm-1;
拉曼光譜分析:光譜范圍200~2100 nm,焦長(zhǎng)800 mm。
(2)材料電化學(xué)性能測(cè)試。
LSV測(cè)試:采用三電極體系,其中,參比電極為Hg|Hg2SO4電極,對(duì)電極為鉑網(wǎng),工作電極為制備的鉛片電極,電解液為濃度1.265 g/mL的硫酸溶液,掃描速率為5 mV/s,測(cè)試窗口為–1.2~–1.6 V。
CV測(cè)試:采用三電極體系,以Hg|Hg2SO4電極為參比電極,鉑網(wǎng)作為對(duì)電極,制備的鈦片電極作為工作電極,電解液為濃度1.265 g/mL的硫酸溶液,掃描速度為10 mV/s。
(3)鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能測(cè)試。
圖3為鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能測(cè)試程序[23–24]:首先,以1 C的恒流條件將電池放電至40%的部分荷電狀態(tài)(SoC);接著,以1 C的恒流條件進(jìn)行充電60 s;然后,靜置10 s;緊接著,以1 C恒流條件進(jìn)行放電60 s;最后,再靜置10 s。以此作為1個(gè)完整的HRPSoC循環(huán),進(jìn)行多次循環(huán),直至放電電壓低于GB/T 32620.1–2016參考電壓1.75 V時(shí)[25],循環(huán)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)中使用設(shè)備為Neware高性能電池檢測(cè)系統(tǒng)。
圖3 鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能測(cè)試程序
圖4分別為CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的SEM照片。圖4顯示,CB粒度最小且呈現(xiàn)團(tuán)聚狀態(tài),而合成的PPy為花椰菜狀的大顆粒。通過(guò)PPy包覆CB所得到PPy/CB復(fù)合材料基本維持CB的形態(tài),粒度有所變大,但仍然小于0.1 μm且相對(duì)松散,這將有利于CB在鉛負(fù)極中分散。導(dǎo)電PPy的引入,可將CB表面性質(zhì)進(jìn)行改性,碳材料疏水性特性變?yōu)橛H水性,使其在復(fù)合材料中避免團(tuán)聚,更易于在電極中實(shí)現(xiàn)均勻分散。
圖4 CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的SEM照片
圖5是CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的FTIR譜圖。將PPy/CB復(fù)合材料與純PPy的FTIR譜圖相比較,結(jié)果顯示:復(fù)合材料具有PPy的特征吸收峰,在995,1039 cm-1附近的吸收峰反映了C—H和N—H鍵在吡咯環(huán)內(nèi)的變形振動(dòng),在1125 cm-1附近的吸收峰反映了吡咯環(huán)的振動(dòng),在1201 cm-1附近的吸收峰說(shuō)明了基團(tuán)在吡咯鏈上的振動(dòng),在1287,1389 cm-1附近的吸收峰則分別反映了C—H和N—H鍵的伸縮振動(dòng),在1493,1664 cm-1附近的吸收峰反映了C—C和C—N在吡咯鏈上的伸縮振動(dòng),由此可見(jiàn),PPy已成功與CB復(fù)合。
圖5 CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的FTIR譜圖
圖6是CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的拉曼光譜分析譜圖。圖6顯示,CB的拉曼光譜中1353 cm-1附近代表碳材料無(wú)序度和缺陷的D峰,1583 cm-1附近代表SP2雜化碳原子面內(nèi)有序振動(dòng)的G峰,以及在2690 cm-1處的2D峰。而PPy的特征峰主要位于1350 cm-1和1578 cm-1處,這與聚合物骨架的環(huán)形伸縮共軛結(jié)構(gòu)相關(guān)。將PPy/CB復(fù)合材料的譜圖與CB和PPy兩種材料的譜圖對(duì)比顯示,復(fù)合材料具有CB和PPy的特征峰,因此可以進(jìn)一步說(shuō)明PPy與CB已成功復(fù)合。
圖6 CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的拉曼譜圖
進(jìn)一步利用XRD來(lái)表征所制備的PPy/CB復(fù)合材料的結(jié)構(gòu),并與CB和純PPy的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較,如圖7所示。圖7顯示,純PPy在2θ為24°附近呈現(xiàn)饅頭形的衍射峰,主要原因是化學(xué)原位聚合的PPy是一種有機(jī)高分子,大部分以無(wú)定型的非晶態(tài)存在,有序程度很低。CB在2θ為25°附近出現(xiàn)較寬的(002)衍射峰,在44°附近出現(xiàn)強(qiáng)度很低的(001)衍射峰,說(shuō)明其結(jié)晶性很差。而PPy/CB復(fù)合材料XRD譜圖與CB的差異不大,表明制備的PPy/CB復(fù)合材料仍然與純CB形態(tài)相近。
圖7 CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的XRD譜圖
利用電化學(xué)工作站分別對(duì)NCB,NPPy和NPPy/CB進(jìn)行LSV測(cè)試和CV測(cè)試,結(jié)果如圖8所示。從圖8a可以看出,由CB,PPy和PPy/CB三種材料單獨(dú)制作的工作電極在–1.6 V電位下的析氫電流密度絕對(duì)值分別為58.5,5.5,27 A/g??梢?jiàn),在–1.6 V電位下,CB相比PPy的析氫要嚴(yán)重得多,而PPy/CB復(fù)合材料的析氫性能有顯著的改善,析氫電流值不到CB的一半。另外一方面,從圖8b可以看出,在–0.8~0 V電位窗口中,純PPy的比容量可以達(dá)到22.16 F/g,而相對(duì)于CB僅含有少量表面包覆PPy的PPy/CB復(fù)合材料來(lái)說(shuō),其比容量雖然僅有3.19 F/g,但是相對(duì)于CB的比容量1.16 F/g,已提高了近兩倍。說(shuō)明PPy/CB復(fù)合材料相對(duì)于CB,不僅具有更高析氫過(guò)電位性能,而且在負(fù)電位具有更高的電容性能。如假定制備電池其它因素相同條件下,僅考慮導(dǎo)電劑析氫行為及電容性能力的強(qiáng)弱對(duì)鉛酸電池性能的影響,可以推斷當(dāng)PPy/CB復(fù)合材料作為鉛酸電池負(fù)極板添加劑時(shí),不僅能夠減少鉛酸電池的析氫副反應(yīng),而且也能夠在大電流充電時(shí)更好起到緩沖作用。
圖8 CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料LSV測(cè)試和CV測(cè)試圖
為了研究制備的PPy/CB復(fù)合材料對(duì)鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能的影響,采用正極活性物質(zhì)過(guò)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)J剑磧蓚€(gè)正極板和一個(gè)負(fù)極板組裝成鉛酸電池。實(shí)驗(yàn)電池在1 C倍率條件下的典型充放電截止電壓隨HRPSoC循環(huán)壽命的變化曲線(xiàn)如圖9所示(充電電壓變化范圍為2.20~2.60 V,放電電壓變化范圍為1.75~2.00 V)。由圖9可以看出,當(dāng)放電結(jié)束電壓低于下限電壓1.75 V時(shí),添加CB,PPy和PPy/CB復(fù)合材料的鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命分別為3620次、3400次和7578次。可見(jiàn),負(fù)極板中僅添加PPy的鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命最差,而采用PPy/CB復(fù)合材料作為添加劑對(duì)鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命有顯著提升,從3620次增加至7578次,提升約109%。分析認(rèn)為,PPy單獨(dú)作為負(fù)極板中的導(dǎo)電劑時(shí),相對(duì)于CB,雖然其抑制析氫能力強(qiáng),但是其粒度大、比表面小,更重要的是導(dǎo)電性仍不夠高,不易于在負(fù)極中建立優(yōu)異的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),因此鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命比較差。雖然PPy/CB復(fù)合材料相對(duì)于CB粒度有所變大,但保留CB的基本結(jié)構(gòu)特征:小顆粒形態(tài)和高導(dǎo)電性,而且更加松散,同時(shí)復(fù)合材料的析氫過(guò)電位性能相對(duì)于CB更加優(yōu)異,當(dāng)PPy/CB復(fù)合材料作為電極中的添加劑時(shí),不僅可在負(fù)極中建立優(yōu)異的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有助于電子的傳輸,而且能夠提供更多的硫酸鉛成核點(diǎn)從而生成顆粒較小的多孔的硫酸鉛,促使硫酸鉛更容易轉(zhuǎn)化為鉛,更好抑制了表面的高致密性、低溶解度硫酸鉛的連續(xù)沉積,延緩了負(fù)極的“硫酸鹽化”;同時(shí),PPy/CB復(fù)合材料的電容性相對(duì)于CB更高,在充電時(shí)可以提供更多電流緩沖“容器”,進(jìn)一步改善“硫酸鹽化”的問(wèn)題;更重要的是PPy/CB復(fù)合材料的析氫過(guò)電位更高,在HRPSoC循環(huán)下,鉛酸電池的電解液更不易“干涸”,因此鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能有明顯的改善。
圖9 鉛酸電池HRPSoC循環(huán)壽命圖
進(jìn)一步對(duì)在HRPSoC循環(huán)壽命測(cè)試失效后的電池進(jìn)行拆解并對(duì)電池的負(fù)極板進(jìn)行SEM測(cè)試分析,如圖10a~圖10c所示。從圖10a~圖10c可以看出,電池的負(fù)極的顆粒狀態(tài)各有不同,其中BCB負(fù)極板顆粒形態(tài)雖然略有粗大但顆粒間略微松散,BPPy的負(fù)極板顆粒形態(tài)更為粗大且更加致密。而相對(duì)于BCB和BPPy的負(fù)極板顆粒,BPPy/CB的負(fù)極板不僅顆粒較為細(xì)小,而且比較松散。進(jìn)一步證明了在負(fù)極中引入復(fù)合材料后,與CB類(lèi)似,其在負(fù)極內(nèi)部形成合適導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)有助于電子的傳輸,提供更多的硫酸鉛成核點(diǎn)進(jìn)而生成顆粒較小的多孔的硫酸鉛,促使硫酸鉛更容易轉(zhuǎn)化為鉛,更好抑制了表面的高致密性、低溶解度硫酸鉛鈍化層的連續(xù)沉積,延緩負(fù)極的“硫酸鹽化”[25–26]。利用XRD儀對(duì)循環(huán)測(cè)試后負(fù)極板樣品進(jìn)行物相表征,以進(jìn)一步觀察負(fù)極板“硫酸鹽化”程度,如圖10d所示。由圖10d可以看出,三組電池的負(fù)極板都存在大量的硫酸鉛相和鉛相,相對(duì)于BCB和BPPy的負(fù)極板樣品,BPPy/CB的負(fù)極板樣品峰值強(qiáng)度顯示負(fù)極板樣品的單質(zhì)鉛含量明顯更高。因此,在負(fù)極中添加PPy/CB復(fù)合材料,更加有利于硫酸鉛轉(zhuǎn)化為單質(zhì)鉛,從而可以有效抑制負(fù)極的“硫酸鹽化”問(wèn)題,進(jìn)而進(jìn)一步延長(zhǎng)鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命。
圖10 循環(huán)壽命失效后電池負(fù)極板的SEM照片及XRD表征結(jié)果
(1)通過(guò)SEM,F(xiàn)TIR,拉曼光譜和XRD等表征手段分別對(duì)PPy/CB復(fù)合材料的微觀形貌、結(jié)構(gòu)和物相組成進(jìn)行分析,表明PPy成功包覆CB且復(fù)合材料繼承了CB的基本結(jié)構(gòu)特征。
(2)采用LSV和CV測(cè)試了復(fù)合材料的電化學(xué)性能,結(jié)果顯示復(fù)合材料具有更高析氫過(guò)電位性能和在負(fù)電位具有更高的電容性能。
(3)將復(fù)合材料作為鉛酸電池的負(fù)極添加劑,更好抑制了負(fù)極表面的高致密性、低溶解度硫酸鉛的連續(xù)沉積,可有效延緩負(fù)極的“硫酸鹽化”。同時(shí),復(fù)合材料因具有更高析氫過(guò)電位性能和在負(fù)電位具有更高的電容性能,在HRPSoC循環(huán)下,電池更不易“干涸”,而且在充電時(shí)可以提供更多電流緩沖“容器”,進(jìn)一步改善“硫酸鹽化”的問(wèn)題,對(duì)鉛酸電池的HRPSoC循環(huán)壽命性能有明顯的改善,循環(huán)壽命高達(dá)7578次,相對(duì)于空白組(負(fù)極只添加CB)電池的循環(huán)壽命提高約109%。PPy/CB復(fù)合材料作為鉛酸電池的負(fù)極添加劑可大幅改善電池性能,具有很好的實(shí)用價(jià)值。