石墨——鉛酸電池重要組成部分之一

       

石墨的化學(xué)性質(zhì)人們對(duì)此了解不多，通常有三類反應(yīng)：①氣化反應(yīng)與高溫氧化反應(yīng)；②與金屬和陶瓷等的固—固相反應(yīng)；③層間化合物生成反應(yīng)。用于松下蓄電池鉛酸電池的石墨，最關(guān)注的是層間反應(yīng)(插層反應(yīng))。
石墨層間化合物是一種結(jié)晶晶格不稠密、孔隙很多的物質(zhì)，其孔隙部分具有吸收其他各種分子(或離子)的性質(zhì)，石墨特殊的層間結(jié)構(gòu)，雖然在碳層平面內(nèi)的鍵力很強(qiáng)，很牢固，形成稠密的網(wǎng)平面，然而與層平面垂直方向的鍵力則比較弱，在層間殘留著較大的空間，在這個(gè)石墨的層間，其他的反應(yīng)物侵入，并于網(wǎng)平面上成鍵，形成并不喪失碳層狀結(jié)構(gòu)的結(jié)晶化合物，稱為石墨層間化合物。
廣義的層間化合物可以分為兩類：一類是層平面內(nèi)的碳原子與層間的反應(yīng)物質(zhì)，以共價(jià)鍵牢固地結(jié)合，濕式氧化所涉及的氧化石墨包括在這一類中。這類化合物中還有一種石墨與氟元素的化合物叫氟石墨。這類化合物，由于鍵合力牢固，石墨會(huì)失去導(dǎo)電性，變成絕緣體。因此將這類化合物稱為非導(dǎo)性的層間化合物。另一類層間化合物是碳的層平面和反應(yīng)物質(zhì)之間的鍵合力比較弱；碳原子并不失去芳系環(huán)的平面性，層間反應(yīng)物質(zhì)也不失去原有的分子，這類化合物是一種分子化合物，稱為傳導(dǎo)性層間化合物。松下蓄電池傳導(dǎo)性層間化合物比非導(dǎo)性層間化合物的種類要多得多，所謂狹義的石墨層間化合物就是指這類傳導(dǎo)性的層間化合物。這類層間化合物與添加在鉛酸電池內(nèi)會(huì)發(fā)生諸如H’、HS04—、H2SO‘等插(嵌)人石墨的層間反應(yīng)形成的傳導(dǎo)性層間化合物，將在下面詳細(xì)討論。
(1)層間化合物的種類根據(jù)嵌層劑(夾層劑)的性質(zhì)與石墨和嵌層劑間的作用力，可將層間化合物劃分為以下幾類。
①離子型其中有供體型，夾層劑供電子給石墨，本身成為正離子，如堿金屬、堿土金屬等；另一種是受體型，夾層劑奪取石墨的電子，本身成為負(fù)離子，如鹵素、金屬鹵化物、硫酸等。在鉛酸電池中，石墨與硫酸形成的石墨層間化合物歸于這類。
②分子型石墨與夾層劑之間的范德華力相結(jié)合，如硫酸分子、四氫呋喃、芳烴分子等石墨層間化合物。石墨在鉛酸電池中也有可能嵌入硫酸分子，形成這類石墨層間化合物。
③共價(jià)型如氟與石墨的碳原子間形成共價(jià)鍵生成氟化石墨。
石墨層間化合物合成的機(jī)理是使夾層劑有控制地向石墨層間進(jìn)行擴(kuò)散(嵌入)，擴(kuò)大層間距離。
石墨層間化合物雖然是分子性化合物，但已知的所謂包合物(inclusioncompound)不同的一點(diǎn)是在碳層平面間反應(yīng)物之間具有明顯的電荷轉(zhuǎn)移(電荷運(yùn)動(dòng))而且有比較強(qiáng)的鍵合力互相結(jié)合。由于與石墨之間有可能發(fā)生這樣的電荷移動(dòng)，則可形成反應(yīng)物在石墨層間侵入并形成層間化合物的條件。但是碳是4價(jià)元素，正處在元素周期表的中央，為此石墨既是電子供體，也可看作是電子受體，都有同樣的作用。松下蓄電池石墨層間化合物中這種電荷移動(dòng)，在石墨與反應(yīng)物之間到底發(fā)生何種反應(yīng)要看層間反應(yīng)物是電子給予體(donor)還是受體(acceptor)，因此認(rèn)為有兩種：前者為n型層間化合物，后者為p型層間化合物。
和石墨反應(yīng)形成層間化合物的物質(zhì)，要么完全是iE'陛要么完全是負(fù)性。在化學(xué)性質(zhì)方面多數(shù)是有活潑性質(zhì)的物質(zhì)，n型層間化合物都是正性極強(qiáng)的堿金屬，特別是鉀、銣、銫的層間化合物；p型層間化合物為Br2、C12、12等鹵素和石墨組成的層間化合物，此外還有FeCl；、CuCl2等非常多的金屬鹵化物都能生成p型層間化合物。
根據(jù)電化學(xué)的氧化還原反應(yīng)，可以生成石墨層間化合物的有已知的p型，如硫酸、硝酸；n型，如氨的層間化合物。因此，與石墨生成層間化合物的物質(zhì)其范圍是很廣的。

出自：松下蓄電池