包含碳添加剂的电极组合物制造技术

本文公开了电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：含铅材料；以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂。相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～2重量％。所述组合物可具有0.1:0.9～0.5:0.5的炭黑/活性炭比率。所述活性炭可具有4μm～100μm的d50粒径分布和至少0.7cm3/g的孔容。此外，公开了由所述电极组合物形成的电极、包含所述电极/电极组合物的电池(例如，铅酸蓄电池)、以及它们的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2014年6月10日提交的美国临时申请No.62/009,973的优先权，其公开内容在此引入作为参考。
本文公开了电极组合物，其包含：含铅材料；以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂。可将所述组合物结合到用于例如铅酸蓄电池的电极材料中。
技术介绍
许多应用(例如微混合动力汽车和能量存储)需要铅酸蓄电池在部分充电状态(PSoC)条件下连续地操作。而且，不同于常规蓄电池应用，混合动力车在点火、制动、舱室加热等的过程中具有高的功率需求，要求蓄电池的更快的再充电速率。未来的应用可能会在不同的循环条件和充电速率下进行操作，所述应用包括其中期望提高的循环寿命和更快的充电容量这两者的移动电源和固定的富液式蓄电池。因此，仍然需要开发新的电极材料以满足日益提高的蓄电池要求。
技术实现思路
一个实施方式提供了电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：含铅材料，以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂，其中：相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～2重量％，炭黑/活性炭比率为0.1:0.9～0.5:0.5，而且所述活性炭具有4μm～100μm的d50粒径分布和至少0.7cm3/g的孔容。另一实施方式提供了电极组合物的制造方法，包括：使含铅材料与包含炭黑和活性炭的碳添加剂组合，从而形成混合物，其中所述炭黑是经预先润湿的；向所述混合物中加入硫酸和水以形成浆料。附图说明图1A是示出了含有不同碳添加剂的糊料与对照物(无碳添加剂)的糊料密度(g·cm-3)的柱状图；图1B是示出了含有不同碳添加剂的糊料与对照物(无碳添加剂)的糊料透入度(mm)的柱状图；图2A是柱状图，其示出了来自于含有不同碳添加剂的阳极糊料(板)的新形成的NAM样品与来自于对照物(无碳添加剂)的新形成的NAM样品的Pb和PbO的相含量(重量％)；图2B示出了来自于阳极糊料(板)的新形成的NAM样品的XRD谱图，其中，插图示出了PbO的峰区域；以及图3是针对由包含NAM样品的阳极制得的电池的充电终止(EOC，上部)的电池电压(V)和放电终止(EOD)的电池电压(V)随着时间而变化的叠层图。具体实施方式已经发现，向电活性材料(例如，含铅材料)中加入碳添加剂能够增强电极的性能。不希望受限于任何理论，这样的碳添加剂能够在电极处增强电子转移过程、改善传导性、和/或控制硫酸铅的晶粒生长，在所述电极处，充电和放电还发生于碳表面处。虽然高表面积的含碳材料能够改善动态充电接收能力(DCA)及循环寿命，但是，它们可有害地降低冷启动能力和/或增大过度充电时的失水量。一些含有活性炭的电极组合物已经显示出增大的孔隙率，这至少部分地归因于它们的较大的粒径。但是，活性炭没有赋予与炭黑相同程度的传导性性质且需要较高的加载量来获得性能利益。本文公开了这样的电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：包含炭黑和活性炭的碳添加剂。由这些组合物制得的电极可用在铅酸蓄电池中。一个实施方式提供了电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：含铅材料，以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂，其中：相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～2重量％，炭黑/活性炭比率为0.1:0.9～0.5:0.5，而且所述活性炭具有4μm～100μm的d50粒径分布和至少0.7cm3/g的孔容。在常规铅酸蓄电池的充电过程中，PbSO4晶粒溶解释放出Pb2+离子，所述Pb2+离子经历与金属表面的电子转移反应并形成Pb。在放电过程中，发生相反的情形，其中，Pb转变回Pb2+，随后发生PbSO4的结晶，所述PbSO4能够溶解以提供用于另一次充电循环的Pb2+离子源。在连续的PSoC情况下，以非常高的速率发生充电循环，使得在电极板的外表面处发生电子转移过程，导致硫酸铅的累积。由于该蓄电池从未充分充电，因此，这导致转变回铅的硫酸铅量的降低并且形成大的硫酸铅晶体。硫酸铅的这样的积累可以减损蓄电池性能并最终导致蓄电池失效。不希望受限于任何理论，据信炭黑和活性炭这两者均能够提高电极组合物(例如，负极活性材料，NAM)的表面积。但是，由于炭黑的小的粒径，炭黑可作为用于铅晶粒生长的晶种层并导致NAM孔尺寸的减小以及因此的较高的“能量”铅结构(其促进了动态充电接收能力)。相比之下，由于活性炭的大的粒径，活性炭对于NAM孔隙率的影响不太强，且能够良好地连接到NAM的“骨架”中。虽然碳添加剂通常能够提高孔容，但是，活性炭与其它添加剂(例如炭黑)相比的较大的尺寸能够增强该效果。而且，活性炭能够提供3D构架，在所述3D构架中，活性炭的较大的尺寸能够提供用于硫酸铅晶粒的较大的接触面积，防止在电极板内的过度积累。最后，较大的孔容还可提供在电极内的较高的H2SO4浓度，允许在需要时供给H+和HSO4-。可在具有由活性炭赋予的3D网络的更大的表面区域上发生导致形成PbSO4的电子转移反应。一个实施方式提供了电极组合物，其中，至少所述含铅材料和碳添加剂是均匀地彼此点缀(intersperse)的。因此，所述均匀混合物中没有组分是作为层或涂层提供的。在一个实施方式中，电极组合物的其它组分(例如，BaSO4、H2SO4)均匀地点缀有含铅材料和碳添加剂。不希望受限于任何理论，据信炭黑和活性炭的混合物使来自于这两种碳类型的贡献最大化。炭黑通过提供用于电子转移反应的表面而增强了传导性，并且，能够改变电极板的形态，导致形成较小的PbSO4晶粒。然而，炭黑的小尺寸能够降低电极组合物的孔容。采用炭黑和活性炭的混合物，能够降低活性炭的量并同时保证用于实现所述益处的足够的量。因此，一个实施方式提供了活性炭相对于炭黑的相等或较低的量，例如，在0.1:0.9至0.5:0.5的比率范围内，例如，范围为0.1:0.9至0.45:0.55的比率、范围为0.1:0.9至0.4:0.6的比率、或者范围为0.1:0.9至0.35:0.65的比率。在一个实施方式中，相对于所述组合物的总重量，炭黑和活性炭的总量为0.1重量％～1.9重量％，例如，相对于所述组合物的总重量，总量为0.1重量％～1.8重量％、0.1重量％～1.7重量％、0.1重量％～1.6重量％、0.1重量％～1.5重量％、0.1重量％～1.4重量％、0.1重量％～1.3重量％、0.1重量％～1.2重量％、0.1重量％～1.1重量％、或者0.1重量％～1重量％。在一个实施方式中，相对于所述组合物的总重量，所述炭黑的存在量为0.1重量％～1重量％，例如，相对于所述组合物的总重量，存在量为0.1重量％～0.9重量％、0.1重量％～0.8重量％、0.1重量％～0.7重量％、0.1重量％～0.6重量％、0.1重量％～0.5重量％、0.1重量％～0.4重量％、0.1重量％～0.3重量％、0.2重量％～1重量％、0.2重量％～0.9重量％、0.2重量％～0.8重量％、0.2重量％～0.7重量％、0.2重量％～0.6重量％、0.2重量％～0.5重量％、0.2重量％～0.4重量％、或者0.2重量％～0.3重量％。在一个实施方式中，相对于所述组合物的总重量，所述活性炭的存在量为0.1重量％～1重量％，例如，相对于所述组合物的总重量，存在量为0.1重量％～0.9本文档来自技高网...

【技术保护点】
电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：含铅材料，以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂，其中：相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～2重量％，炭黑/活性炭比率为0.1:0.9～0.5:0.5，而且所述活性炭具有4μm～100μm的d50粒径分布和至少0.7cm3/g的孔容。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.10 US 62/009,9731.电极组合物，其包含含有以下物质的均匀混合物：含铅材料，以及，包含炭黑和活性炭的碳添加剂，其中：相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～2重量％，炭黑/活性炭比率为0.1:0.9～0.5:0.5，而且所述活性炭具有4μm～100μm的d50粒径分布和至少0.7cm3/g的孔容。2.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有4μm～20μm的d50粒径分布。3.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有4μm～10μm的d50粒径分布。4.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有至少1cm2/g的孔容。5.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有至少1.5cm2/g的孔容。6.权利要求1的组合物，其中，相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～1.5重量％。7.权利要求1的组合物，其中，相对于所述组合物的总重量，所述碳添加剂的总量为0.1重量％～1重量％。8.权利要求1的组合物，其中，相对于所述组合物的总重量，所述活性炭的存在量为0.1重量％～0.9重量％。9.权利要求1的组合物，其中，相对于所述组合物的总重量，所述炭黑的存在量为0.1重量％～0.5重量％。10.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有650m2/g～3000m2/g的表面积。11.权利要求1的组合物，其中，所述活性炭具有650m2/g～2000m2/g的表面积。12.权利要求1的组合物，其中，所述炭黑具有50m2/g～2000m2/g的表面积。13.权利要求1的组合物，其中，所述炭黑具有100m2/g～1500m2/g的表面积。14.权利要求1的组合物，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：P阿塔纳索瓦，AL杜帕斯奎尔，M奥尔贾卡，
申请(专利权)人：卡博特公司，
类型：发明
国别省市：美国;US