科學家研發(fā)出新型電池 ，電池容量更耐用
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-20 11:27
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據(jù)外媒報道，科學家們開發(fā)出了一種新方法，他們認為這種方法可以顯著提高鋰金屬電池的使用壽命、充電速度和安全性。美國賓夕法尼亞州立大學開發(fā)了一種三維交聯(lián)聚合物海綿，可以附著在電池陽極的金屬鍍層上。
科學家研發(fā)出新型電池（圖片來自網(wǎng)絡）
科學家研發(fā)出新型電池（圖片來自網(wǎng)絡）
這項研究的首席研究員王東海發(fā)表在《自然能源》(Nature Energy)雜志上“這個項目旨在開發(fā)下一代金屬電池”。王東海表示:“鋰金屬已經(jīng)在電池中試用了幾十年，但是有一些基本問題阻礙了它們的發(fā)展。”
在額外的壓力下，比如電動汽車所需的快速充電方式，鋰離子(Li)電池容易受到樹枝狀增長的影響——針狀增長會降低電池的使用壽命，并可能引發(fā)安全問題——包括火災或爆炸。
王東海表示：“我們的方法是在鋰離子的金屬接觸面使用聚合物”。該材料作為多孔海綿，不僅促進離子轉(zhuǎn)移，而且抑制惡化。“這使得金屬鍍層沒有樹突，即使在低溫和快速充電條件下也是如此，”他說。研究人員進行了建模工作，以了解改善鋰金屬陽極。研究人員稱這項工作的實際應用可能使更強大、更穩(wěn)定的金屬電池技術(shù)成為日常生活不可或缺的一部分。”
鉛酸蓄電池充放電的過程是電化學反應的過程，充電時，硫酸鉛形成氧化鉛，放電時氧化鉛又還原為硫酸鉛。而硫酸鉛是一種非常容易結(jié)晶的物質(zhì)，當電池中電解溶液的硫酸鉛濃度過高或靜態(tài)閑置時間過長時，就會“抱成”團，結(jié)成小晶體，這些小晶體再吸引周圍的硫酸鉛，就象滾雪球一樣形成大的惰性結(jié)晶，結(jié)晶后的硫酸鉛充電時不但不能再還原成氧化鉛，還會沉淀附著在電極板上，造成了電極板工作面積下降，這一現(xiàn)象叫硫化，也就是常說的老化。這時電池容量會逐漸下降，直至無法使用。當硫酸鉛大量堆集時還會吸引鉛微粒形成鉛枝，正負極板間的鉛枝搭橋就造成電池短路。如果極板表面或密封塑殼有縫隙，硫酸鉛結(jié)晶就會在這些縫隙內(nèi)堆積，并產(chǎn)生膨脹張力，最終使極板斷裂脫落或外殼破裂，造成電池不可修復性物理損壞。所以，導致鉛酸蓄電池失效和損壞的主要機理就是電池本身無法避免的硫化。
2、電動自行車特殊工作環(huán)境的原因
只要是鉛蓄電池，在使用的過程中都會硫化，但其它領(lǐng)域的鉛酸電池卻比電動自行車上使用的鉛酸電池有著更長的壽命，這是因為電動自行車的鉛酸電池有著一個更容易硫化的工作環(huán)境。
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用在汽車上的鉛蓄電池只是在點火時單向放電，點火后發(fā)電機會對電池自動充電，不造成電池深度放電。而電動自行車在騎行時不可能充電，經(jīng)常會超過60%的深度放電，深放電時，硫酸鉛濃度增加，硫化就會相當嚴重。
②大電流放電
電動車20公里巡航電流一般是4A，這個值已經(jīng)高于其它領(lǐng)域的電池工作電流，而超速超載的電動車的工作電流就更大。電池制造商都進行過1C充電70％，2C放電60％的循環(huán)壽命試驗。經(jīng)過這樣的壽命試驗，可達到充放電循環(huán)350次壽命的電池很多，但是實際在用的效果就相差甚遠了。這是因為大電流工作增加了50%的放電深度，電池會加速硫化。所以，電動三輪摩托車的電池壽命更短，因為三輪摩托車的車身太重，工作電流達6A以上。
③充放電頻率高
用在后備供電領(lǐng)域的電池，只有在停電時才會放電，如果一年停8次電，要達到10年的壽命，只用做到80次循環(huán)充電壽命，而電動車一年充放電循環(huán)300次以上很常見。
?、芏虝r充電
由于電動自行車是交通工具，可充電的時間不多，要在8小時內(nèi)完成36伏或48伏的20安時充電，這就必須提高充電電壓（一般為單節(jié)2.7~2.9伏），當充電電壓超過單節(jié)電池的析氧電壓（2.35伏）或析氫電壓（2.42伏）時，電池就會因過度析氧而開閥排氣，造成失水，使電解液濃度增加，電池的硫化現(xiàn)象加重。
?、莘烹姾蟛荒芗皶r充電
作為交通工具，電動自行車的充電及放電被完全分離開來，放電后很難有條件及時充電，而放電后形成的大量硫酸鉛如果超過半小時不充電還原為氧化鉛，就會硫化結(jié)成晶體。
3、鉛蓄電池生產(chǎn)方面的原因
針對電動自行車用鉛酸蓄電池的特殊性，各個電池制造商采取了多種方法。最典型的方法如下：
?、僭黾訕O板數(shù)量。
把原設計的單格5片6片制改為6片7片制，7片8片制，甚至8片9片制?？繙p薄極板厚度和隔板，增加極板數(shù)量來提高電池容量。
?、谔岣唠姵氐牧蛩岜戎?。
原來浮充電池的硫酸比重一般都在1.21~1.28之間，而電動自行車的電池的硫酸比重一般都在1.36～1.38左右，這樣可以提供較大的電流，提升電池的初期容量。
?、墼黾诱龢O板活性物質(zhì)氧化鉛的用量和比例。
增加氧化鉛就增加了參與放電的電化學反應物質(zhì)，也就增加了放電時間，增加了電池容量。 通過這些措施，電池的初期容量滿足了電動自行車的容量要求，特別是改善了電池的大電流放電的特性。但是，極板增加了，硫酸的容量就減少了，電池發(fā)熱導致大量失水，同時，電池的微短路和鉛枝搭橋的概率增加了。提高硫酸比重增加了電池的初期容量，但是，硫化現(xiàn)象就更嚴重。密封電池的最基本原理之一就是正極板析氧以后，氧氣直接到負極板，被負極板吸收而還原為水，考核電池這個技術(shù)指標的參數(shù)叫做“密封反應效率”，這種現(xiàn)象叫做“氧循環(huán)”。這樣，電池的失水很少，實現(xiàn)了“免維護”，就是免加水。為此，都要求負極板容量做的比正極板容量大一些，又稱為負極過渡。增加正極板活性物質(zhì)必然使得，負極過渡減少了，氧循環(huán)變差了，失水增加了，又會造成硫化。這些措施雖然提升了電池的初期容量，但是卻會造成失水和硫化，而失水和硫化又會相互促成，最終結(jié)果卻是犧牲電池的壽命。
