三種腐植酸對(duì)鉛酸電池負(fù)極板電化學(xué)性能的影響

趙婧，李勇，張彥杰，陳昱縈，汪志新，張曉妍，王夢(mèng)陽(yáng)，王貴喜， 丁克強(qiáng)*（. 河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 05004；. 風(fēng)帆股份有限公司，河北 保定 07057；. 唐山市古冶區(qū)天力腐植酸廠，河北 唐山 0600）

?

三種腐植酸對(duì)鉛酸電池負(fù)極板電化學(xué)性能的影響

趙婧1，李勇2，張彥杰2，陳昱縈1，汪志新1，張曉妍1，王夢(mèng)陽(yáng)2，王貴喜3， 丁克強(qiáng)1*
（1. 河北師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2. 風(fēng)帆股份有限公司，河北 保定 071057；3. 唐山市古冶區(qū)天力腐植酸廠，河北 唐山 063100）

摘要：在鉛酸蓄電池負(fù)極中，分別添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的三種腐植酸制備出不同腐植酸摻雜的負(fù)極板，并將其與常規(guī)的鉛酸電池正極板組裝成小電池。在對(duì)組裝的小電池進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試的基礎(chǔ)上，利用紅外、X 射線衍射、電子掃描電鏡等技術(shù)對(duì)得到的三種負(fù)極材料進(jìn)行了表征。研究結(jié)果表明，不同種類的腐植酸具有不同的形貌，其將顯著影響鉛酸電池的容量。一般含有更多羥基的腐植酸所對(duì)應(yīng)的鉛酸電池具有較高的放電容量。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；摻雜；腐植酸；電池容量；負(fù)極板；羥基；鉛膏

*通訊聯(lián)系人

0 前言

隨著充放電過(guò)程的進(jìn)行，鉛酸蓄電池極板上活性物質(zhì)的體積將發(fā)生膨脹與收縮，因此活性物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生粉化脫落等現(xiàn)象，進(jìn)而嚴(yán)重影響電池的容量和壽命。為了改善鉛酸蓄電池的性能，人們將腐植酸添加到負(fù)極鉛膏中，得到了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

張麗芳等人[1]將腐植酸和木素磺酸鈉單獨(dú)或同時(shí)加到負(fù)極材料中，發(fā)現(xiàn)單獨(dú)添加木素磺酸鈉的電池具有較好的電池性能。該課題組[2]還利用循環(huán)伏安等技術(shù)探討了三種不同腐植酸對(duì)鉛酸電池電性能的影響，認(rèn)為對(duì)鉛離子吸附作用強(qiáng)的腐植酸可對(duì)電池的電化學(xué)行為產(chǎn)生促進(jìn)作用。但其研究并未涉及腐植酸對(duì)電池活性物質(zhì)形貌的影響，也未給出相應(yīng)的放電曲線。王少潔等人[3]對(duì)包含腐植酸在內(nèi)的幾種負(fù)極添加劑的添加方式進(jìn)行了研究，認(rèn)為負(fù)極添加劑的不同添加方式可能對(duì)電池的性能產(chǎn)生一定的影響。

本文依據(jù)工業(yè)用鉛酸蓄電池負(fù)極鉛膏的配方，在負(fù)極材料中分別加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的三種不同的腐植酸，按現(xiàn)有工業(yè)操作工藝，制成模擬小電池。之后，本文針對(duì)這三種添加不同腐植酸的負(fù)極板構(gòu)成的鉛酸蓄電池，進(jìn)行不同倍率的充放電測(cè)試，發(fā)現(xiàn)添加適量腐植酸 b 的電池具有較高的放電容量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 正極板的制備

按照現(xiàn)有的配方和操作工藝將正極鉛粉和膏后，將質(zhì)量為 7 g 左右的鉛膏涂抹在正極板柵（12 cm×3 cm）上，在室溫下放置 12 h 后，再放到鼓風(fēng)干燥箱中以 80 ℃ 干燥 2 h，得到正生極板。

1.2 負(fù)極板的制備

將一定質(zhì)量的工業(yè)用鉛粉以及硫酸鋇、木素、石墨、炭黑、水和硫酸按照現(xiàn)有工業(yè)用比例混合后，再加入 0.125 g 的腐植酸進(jìn)行和膏，和膏后將質(zhì)量為 7 g 左右的鉛膏涂抹到板柵（12 cm×3 cm）上，室溫下放置 12 h 后，在鼓風(fēng)干燥箱中以 80 ℃干燥 2 h，得到負(fù)生極板。分別添加三種不同腐植酸 a、b、c 所制成的三種負(fù)極板分別稱作負(fù)極板a′、b′、c′，其構(gòu)成的電池分別稱作電池 A、B、C，構(gòu)成的負(fù)極板材料為 A′、B′、C′。

1.3 鉛酸蓄電池的制備

將制備的正極板與三種摻雜不同腐植酸的負(fù)極板分別組裝成一正一負(fù)的模擬電池，固定于一容器內(nèi)。利用新威爾充電放電儀進(jìn)行化成與放電（化成參數(shù)由企業(yè)提供），化成時(shí)硫酸密度為 1.05 g/mL，而在充放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，硫酸密度為 1.28 g/mL。

1.4 實(shí)驗(yàn)儀器

使用日本日立公司生產(chǎn)的 JASCO 8900 型紅外吸收光譜儀進(jìn)行紅外測(cè)試；采用日本日立公司S-4800 型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察樣品形貌；采用德國(guó)布魯克公司生產(chǎn)的 D8 ADVANCE 型衍射儀對(duì)樣品進(jìn)行 X 射線衍射測(cè)定，掃速 2(°)/min，衍射角范圍 10°～80°。利用新威爾電子有限公司生產(chǎn) CT-3008W-5V3A-S1 高精度電池性能測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行電池充放電性能測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 放電性能的測(cè)試

圖 1 為所制備的 3 種負(fù)極板 a′、b′、c′組裝成鉛酸蓄電池樣品分別在 1.25C 倍率下的放電曲線?？梢钥闯?，3 種電池樣品在 1900～2100 mV 間都有一個(gè)明顯的放電平臺(tái)區(qū)間，這與之前的報(bào)道是一致的[4]。仔細(xì)觀察我們注意到放電平臺(tái)的長(zhǎng)度明顯不同，A、B、C 電池的放電容量分別為 320、436、262 mAh， 也就是說(shuō)摻雜腐植酸 b 樣品的電池具有更高的放電容量。

圖 1　摻雜腐植酸后電池在 1.25C 下的放電曲線

圖 2 為 3 種電池在不同倍率下的放電容量圖。由圖 2 可知：當(dāng)放電倍率由 0.2C 上升到 1.25C 時(shí)，電池 A 的放電容量從 342 mAh 降低到 316 mAh；電池 B 的放電容量從 380 mAh 上升到 436 mAh；電池 C 的放電容量從 333 mAh 降低到 260 mAh。顯然在整個(gè)倍率范圍內(nèi)，摻雜腐植酸 b 樣品的電池都具有較高的放電容量。同時(shí)可以得到以下結(jié)論：（1）在摻雜量相同且摻雜方式相同的情況下，不同種類的腐植酸對(duì)鉛酸蓄電池容量的影響差別很大；（2）在小倍率（電流較?。┓烹娗闆r下，腐植酸的種類對(duì)電池的容量影響較小；（3）在高倍率（電流較大）放電情況下，腐植酸的類別對(duì)鉛酸蓄電池的容量影響很大。通常情況下，根據(jù)塔菲爾公式[5]，我們知道，放電電流越大，極化過(guò)電位越高，電池的實(shí)際輸出電壓會(huì)更低。B 電池出現(xiàn)的現(xiàn)象比較反常，這可能是摻雜的腐植酸 b 與鉛膏發(fā)生了某種特殊的相互作用，導(dǎo)致在放電時(shí)有更多的單質(zhì)鉛轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U，顯示出更高的放電容量。

圖 2　摻雜腐植酸后電池在不同倍率下的放電容量

2.2 材料的表征

2.2.1 腐植酸的表征

圖 3 為 3 種腐植酸原樣放大 3 萬(wàn)倍后的 SEM圖。從圖可見，雖然 3 種樣品都為腐植酸，但在形貌上有較大差異： a 樣品和 b 樣品的形貌接近，呈現(xiàn)出一種疏松的層狀結(jié)構(gòu)；而腐植酸 c 則由塊狀的顆粒構(gòu)成。顯然，在將腐植酸機(jī)械混合到鉛膏過(guò)程中，腐植酸的形貌將直接影響到摻雜分散的結(jié)果，疏松層狀的結(jié)構(gòu)更有利于混合均勻。

圖 3　三種腐植酸原樣的 SEM 圖

圖 4 為 3 種腐植酸原樣的 EDS 分析結(jié)果?？梢?，雖然 3 種腐植酸的形貌有較大差異，但在元素組成方面卻基本相同，都主要含有 C、O、S 元素。分析結(jié)果表明：樣品 a、b、c 中 C 原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為 32.9 %、31.7 % 和 33.1 %；O 原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為 66.8 %、67.1 % 和 66.7 %； S原子的原子數(shù)分?jǐn)?shù)分別為 0.3 %、1.3 % 和 0.1 %。也就是說(shuō)，相比之下，腐植酸 b 樣品中含有的氧和硫元素較多。根據(jù)路易斯酸堿理論[6]，氧和硫元素可被認(rèn)為是含有孤對(duì)電子的堿，其會(huì)與具有空軌道的陽(yáng)離子發(fā)生酸堿反應(yīng)。換句話說(shuō)，含有更多氧和硫元素的腐植酸與鉛離子具有更大的反應(yīng)趨勢(shì)。

圖 4　腐殖酸原樣的 EDS 圖

圖 5 為 3 種腐植酸的紅外光譜圖。大體上來(lái)看，三種腐植酸的紅外光譜圖形狀很接近，說(shuō)明三種腐植酸中含的主要官能團(tuán)是相近的。一般認(rèn)為，在 1550 cm-1位置出現(xiàn)的吸收峰對(duì)應(yīng) C＝O 的伸縮振動(dòng)[7]，這可能是腐植酸自身或吸附二氧化碳引起的，而在 3600 cm-1位置出現(xiàn)的峰應(yīng)是由于 —OH的伸縮振動(dòng)造成的。顯然，對(duì)腐植酸 b 樣品而言，在 3600 cm-1位置出現(xiàn)的峰的強(qiáng)度更大，說(shuō)明腐植酸 b 含有更多的羥基。另外，仔細(xì)觀察可以看到，腐植酸 b 樣品在 2350 cm-1位置處有一明顯的吸收峰出現(xiàn)，這是與其他兩種腐植酸不同的。

圖 5　腐植酸原樣的紅外譜圖

2.2.3 負(fù)極板材料的表征

圖 6 為 3 種不同腐植酸摻雜的負(fù)極板材料化成后放大 2 萬(wàn)倍的 SEM 圖。由圖可見，3 種樣品的形貌差異很大，說(shuō)明不同腐植酸在鉛膏中摻雜后，經(jīng)化成將展現(xiàn)出不同的形貌：樣品 A′顆粒較小，但很不規(guī)則，有長(zhǎng)條狀的顆粒，還有塊狀的顆粒；樣品 B′的顆粒較小，且顆粒大小分布較均勻；樣品 C′中雖然有規(guī)則的大顆粒出現(xiàn)，但顆粒的粒徑分布很不均勻。在負(fù)載量相同的情況下，顆粒小會(huì)產(chǎn)生大的比表面積，可增大極板與電解液（此處為硫酸）的接觸面積，因此在相同電流的條件下，顆粒小的活性物質(zhì)對(duì)應(yīng)的電流密度較小。根據(jù)塔菲爾公式可知[5]，顆粒小的活性物質(zhì)對(duì)應(yīng)的極化過(guò)電位較小，活性物質(zhì)更能被充分地利用。

圖 6　摻雜腐植酸負(fù)極板材料化成后的 SEM 圖

圖 7 是摻雜不同腐植酸的負(fù)極板材料化成后的 X 射線衍射譜圖。通過(guò)與單質(zhì)鉛和硫酸鉛的標(biāo)準(zhǔn)XRD 譜圖對(duì)照可知，化成后的三種負(fù)極板中都含有單質(zhì)鉛和硫酸鉛，這與化成的機(jī)制是一致的。鉛膏的主要成分為氧化鉛，經(jīng)過(guò)化成在負(fù)極板上的氧化鉛會(huì)接收外電源負(fù)極提供的電子，發(fā)生還原反應(yīng)生成單質(zhì)鉛。在由鉛粉制備鉛膏時(shí)加入了硫酸，這樣部分氧化鉛將與硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛，因此即使在化成后依然有部分硫酸鉛存在。另外，如圖中圓圈所示，樣品 B′呈現(xiàn)的單質(zhì)鉛的衍射峰峰強(qiáng)度較大，說(shuō)明樣品 B′經(jīng)化成后有更多的單質(zhì)鉛生成，且晶型更好。

圖 7　摻雜腐植酸的負(fù)極板材料化成后的 XRD 圖

圖 8　摻雜腐植酸負(fù)極板材料化成后的紅外譜圖

圖 8 為摻雜 3 種不同腐植酸的負(fù)生極板化成后的紅外譜圖。相對(duì)于純的腐植酸，經(jīng)過(guò)與鉛膏混合和化成后，腐植酸的紅外譜圖發(fā)生明顯變化。根據(jù)我們以前的工作[8]，一般認(rèn)為：在 682 cm-1位置處的吸收峰主要是由于硫酸根的伸縮振動(dòng)引起的；在1076 cm-1位置處的吸收峰可能為 S＝O 的伸縮振

citrate solution[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95: 82–86.

[3] Sonmez M S, Kumar R V. Leaching of waste battery paste components. Part 1: Lead citrate synthesis from PbO and PbO2[J]. Hydrometallurgy, 2009, 95: 53–60.

[4] 朱新峰, 楊家寬, 楊丹妮. 從廢鉛膏制備超細(xì)碳酸鉛的表征及熱分解性能研究[J]. 功能材料, 2012, 43(17): 2343–2345.

[5] 高林霞, 朱新峰, 劉建文, 等. 鋅雜質(zhì)對(duì)鉛酸蓄電池能的影響—基于檸檬酸/檸檬酸鈉回收廢鉛膏[J]. 蓄電池, 2014(2): 56–59.

[6] 陳紅雨, 熊正林, 李中奇. 先進(jìn)鉛酸蓄電池制造工藝[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010: 1–10.

Effects of three kinds of humic acid on the electrochemical properties of negative plates of lead-acid batteries

ZHAO Jing1, LI Yong2, ZHANG Yanjie2, CHEN Yuying1, WANG Zhixin1, ZHANG Xiaoyan1, WANG Mengyang2, WANG Guixi3, DING Keqiang1*
(1. College of Chemistry and Material Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang Hebei 050024; 2. Fengfan Co., Ltd., Baoding Hebei 071057; 3. Tianli Humic Acid Plant of Guye District of Tangshan City, Tangshan Hebei 063100, China)

Abstract:Three kinds of humic acids were respectively doped into negative lead paste at the same content. And then the humic acid-doped negative plates were assembled with normal positive plates to make small batteries. The simulated batteries were measured electrochemically to evaluate the infl uence of humic acid on the electrochemical performance of the prepared battery. The produced humic acid-doped negative plates were characterized by FTIR, XRD and SEM. The results indicated that different kinds of humic acid had various morphologies, which may lead to signifi cant effect on the capacity of prepared battery. Generally speaking, the lead-acid battery with humic acid that contains more —OH groups delivered larger discharge capacity.

Key words:lead-acid battery; doping; humic acid; capacity; negative plate; hydroxyl; lead paste

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（21173066）；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（B2015205150）；河北師范大學(xué)應(yīng)用開發(fā)基金項(xiàng)目（L2010k03）

收稿日期：2015–11–02

中圖分類號(hào)：TM 912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0847(2016)02-55-04