什么是鉛碳電池，鉛碳電池為什么會(huì)比鉛酸電池重？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-10 16:09
點(diǎn)擊量：次
鉛酸電池（VRLA），是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。一個(gè)單格鉛酸電池的標(biāo)稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，能充電到2.4V；在應(yīng)用中，經(jīng)常用6個(gè)單格鉛酸電池串聯(lián)起來組成標(biāo)稱是12V的鉛酸電池，還有24V、36V、48V等。
鉛酸電池是電池界中的一名老兵，于1859年由法國(guó)人G.plante發(fā)明，至今已有150多年的歷史。同時(shí)，在這些年中，鉛酸電池的主要工作原理幾乎沒有變過，可以說是電池界中的元老。普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛（PbO2），負(fù)極活性材料是鉛（Pb），它們附著在板柵上。鉛酸電池以硫酸的水溶液為電解液，構(gòu)造簡(jiǎn)單，易于使用。
鉛炭電池為什么會(huì)比鉛酸電池重
其充電、放電反應(yīng)機(jī)理如下：
鉛炭電池為什么會(huì)比鉛酸電池重
鉛酸電池在過去一百多年中一直是人類最常用的電池之一，這主要是因?yàn)槠鋷讉€(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：
1）成本低廉：只有0.6~0.7rmb/Wh；
2）制備工藝簡(jiǎn)單：制備設(shè)備、廠房投資都不大，相比于鋰電要小的多；
3）較為安全：爆炸燃燒的可能性很低；
4）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：具有很寬的工作范圍區(qū)間，而且性能隨溫度的變化不像鋰離子電池一樣劇烈，對(duì)于溫控系統(tǒng)要求更低；
5）易于回收再利用：廢舊的鉛酸電池回收活性材料較為容易；
6）技術(shù)成熟穩(wěn)定可靠：已有百余年歷史的技術(shù)，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，值得依賴。
然而傳統(tǒng)鉛酸電池也一直有其突出的問題：
1）壽命問題：傳統(tǒng)上只有幾百次壽命；
2）大功率工作問題：在0.5C以上的大倍率工作條件下，會(huì)發(fā)生“硫酸鹽化現(xiàn)象，”衰減加速，而這也是鉛酸電池壽命不佳的根本原因；
3）能量密度不高：只有20~40Wh/kg，因此大部分對(duì)于能量密度較高的場(chǎng)合都選用了鋰電池，這也是鋰電池近年來強(qiáng)勢(shì)崛起的重要原因；
4）回收再利用方面：雖然鉛酸電池回收并不困難，但是因?yàn)榛厥諜C(jī)制不健全、民眾環(huán)保意識(shí)不強(qiáng)的因素，導(dǎo)致了鉛酸電池回收存在許多不正規(guī)的現(xiàn)象，因而造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。
隨著社會(huì)的進(jìn)步，社會(huì)的各種場(chǎng)合對(duì)于電池儲(chǔ)能的要求不斷提升。在過去的幾十年中，很多種電池技術(shù)都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而鉛酸電池自身的發(fā)展也遇到了諸多機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在此背景之下，科學(xué)家與工程師共同努力，將鉛酸電池的負(fù)極活性材料中加入碳，于是就誕生了鉛碳電池——這一鉛酸電池的升級(jí)版本。
鉛碳電池
傳統(tǒng)鉛酸電池的最大問題在于在大電流，長(zhǎng)時(shí)間服役后出現(xiàn)的負(fù)極的硫酸鹽化效應(yīng)，使得材料發(fā)生失效，容量驟降。與此同時(shí)，大家都看過不少關(guān)于電池進(jìn)步的大新聞，比如充電7秒之類，實(shí)際上這些新聞講的都是充電速度本質(zhì)上就很快的超級(jí)電容，而非電池。這樣不難看出：鉛酸電池的短板（快充放），恰恰是電容機(jī)理比較擅長(zhǎng)應(yīng)對(duì)的情況。因此就有人想到了：在鉛酸電池的負(fù)極中加入活性碳，可以綜合電容和電池的優(yōu)點(diǎn)。
實(shí)際上，是可以把超級(jí)電容器與鉛酸電池并聯(lián)使用的（這種用法可稱“外并”，即電池和電容器做為兩個(gè)獨(dú)立的元件進(jìn)行一個(gè)機(jī)械的并聯(lián)整合）。而對(duì)于鉛碳電池來說，此時(shí)的情景就變成了“內(nèi)并”（lead-acid battery with a carbon supercapacitor
combination），就是將雙電層電容器的高比功率、長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)內(nèi)化融合到鉛酸電池中，從而提高了功率、比能量，延長(zhǎng)了電池壽命，因此也有地方將其稱為“超級(jí)電池”（Ultrabattery）。
普通鉛酸電池的負(fù)極活性材料是鉛（Pb），而在鉛碳電池中，負(fù)極從純Pb變成了具有雙電層電容特性的碳材料（C）+電池特性海綿鉛（Pb）混合組成的雙功能復(fù)合負(fù)極，即鉛碳（Lead-carbon）負(fù)極，然后再與PbO2正極匹配組裝，即組成了鉛碳電池?？傮w來說，鉛碳電池的變化主要出現(xiàn)在負(fù)極上，電極液、正極等方面的變化并不大?？梢赃@樣說，鉛碳電池可以說是鉛酸電池這顆老樹上開出的新花，并且在近年來還結(jié)出了很多不錯(cuò)的應(yīng)用成果。而在這一方面，加入的碳自然是要記頭功的。
鉛炭電池為什么會(huì)比鉛酸電池重
目前，國(guó)內(nèi)外有許多電池企業(yè)都在生產(chǎn)鉛碳電池，代表性的企業(yè)包括日本古河，Ecoult，East Penn，Axion，國(guó)內(nèi)的圣陽、雙登、南都、C&D等。
鉛碳電池工作原理分析
傳統(tǒng)鉛酸電池中的一個(gè)核心問題就在于負(fù)極的硫酸鹽化，即在高倍率放電模式下，負(fù)極的海綿狀鉛與HSO4-快速反應(yīng)生成PbSO4，此時(shí)因?yàn)镠SO4-與Pb這一對(duì)反應(yīng)物的供應(yīng)失配，導(dǎo)致了PbSO4成核速率太快，這樣就使得生成的PbSO4（本質(zhì)是絕緣的）“糊”在了負(fù)極表面，或者是生成了極大的顆粒；而不是按我們所需要的在負(fù)極板內(nèi)部均勻的生成，或者是在表面只是生成細(xì)小均勻容易還原的絨狀PbSO4。
鉛炭電池為什么會(huì)比鉛酸電池重
表面生成的PbSO4堆積層或者是大顆粒PbSO4明顯減少了電子轉(zhuǎn)移、反應(yīng)需要的有效表面積和物質(zhì)，使得后續(xù)的反應(yīng)更為困難，因此使得負(fù)極板內(nèi)部變成了“死”區(qū)。而在充電時(shí)，因?yàn)楸砻鍼bSO4層阻礙了鉛酸電池本體反應(yīng)的發(fā)生，此時(shí)負(fù)極的電位只好將電池中的水電解成氫氣，造成電解液的枯竭，這樣會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電池性能的惡化。
