傳統(tǒng)鉛酸電池中的一個(gè)核心問(wèn)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。

 

為了解決這一問(wèn)題，我們可以在鉛負(fù)極中加入的碳粒子，其會(huì)形成如上圖所示的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要如下：

 

1）提供反應(yīng)中心：這些碳粒子表面就形成了新的反應(yīng)活性中心；

 

2）形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)降低極化；

 

3）形成更幼小均勻的傳質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)在電極表面、內(nèi)部的均勻進(jìn)行，從而減輕PbSO4在表面的集中析出效應(yīng)；

 

4）作為異質(zhì)材料阻礙PbSO4顆粒的長(zhǎng)大，使其均勻分布。

 

5）通過(guò)碳的電容效應(yīng)，提高電池的容量和功率特性。

 

基于以上幾點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)，鉛碳電池通過(guò)加入碳，有效抑制了負(fù)極的硫酸鹽化趨勢(shì)，使得電池壽命明顯提升。不僅如此，鉛碳電池的生產(chǎn)工藝相比于傳統(tǒng)鉛酸電池并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，不需改變現(xiàn)在已經(jīng)成熟的工藝，生產(chǎn)容易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?，尤其對(duì)于儲(chǔ)能電池長(zhǎng)壽命、低成本方面的要求。

 

對(duì)于鉛碳電池來(lái)說(shuō)，加入的碳的種類(lèi)有很多種：炭黑、活性炭、石墨烯、石墨、碳纖維、碳納米管均可。而它們的主要優(yōu)點(diǎn)/能為鉛碳電池提供的主要功能有：1）導(dǎo)電導(dǎo)熱；2）網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu)，提供反應(yīng)所需比表面積以及雙電層電容?？梢哉f(shuō)，鉛碳電池的發(fā)展給了碳材料家族一個(gè)施展才華的舞臺(tái)，但是如何在性能提升與成本控制上尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，可能是在鉛碳電池中應(yīng)用高級(jí)碳材料的一個(gè)需要注意的問(wèn)題。此外，碳材料加入也是需要控制量的，過(guò)多的碳材料加入會(huì)導(dǎo)致極板活性物質(zhì)脫落等一系列問(wèn)題。

 

工作與性能特點(diǎn)

鉛碳電池的負(fù)極形成了鉛金屬-碳顆粒組成的較為均勻、細(xì)小的網(wǎng)絡(luò)，此結(jié)構(gòu)有利于縮短擴(kuò)散距離，提高反應(yīng)均勻性，而且碳本身具有良好的導(dǎo)電性、電容特性使得鉛碳電池具有比傳統(tǒng)鉛酸電池有更好的低溫啟動(dòng)能力、充電接受能力和大電流充放電性能。

 

1）大電流工作時(shí)：電容碳材料起“緩沖”作用。當(dāng)鉛碳電池在頻繁的瞬時(shí)大電流充放電工作時(shí)，主要由具有電容特性的碳材料釋放或接收電流，此時(shí)鉛金屬負(fù)極接收的大電流的沖擊較小，從而不會(huì)像傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣，在大電流下急劇的發(fā)生“負(fù)極硫酸鹽化”，這樣就有效地延長(zhǎng)了電池使用壽命；

 

2）小電流工作時(shí)：主要由海綿鉛負(fù)極工作，持續(xù)提供能量，而之前因?yàn)榇箅娏鳑_擊以電容能量?jī)?chǔ)存在碳中的能量也會(huì)就近與鉛反應(yīng)，逐步反應(yīng)均勻化。

 

3）能量&功率密度，可以提升到40~60Wh/kg，300~400W/kg左右，性能已經(jīng)接近了一部分鋰電池的能力，而且更關(guān)鍵的一點(diǎn)，是其成本仍然是0.6~0.8rmb/Wh，低于鋰電池等其它電池，在成本控制嚴(yán)格的場(chǎng)合最有優(yōu)勢(shì)。

 

4）壽命，在淺充放條件下具有很長(zhǎng)的循環(huán)壽命（比如4500次（70%DOD））

 

市場(chǎng)定位與技術(shù)分析：鉛碳PK鋰電PK其它？

 

鉛酸/鉛碳電池的典型應(yīng)用場(chǎng)景

 

近年來(lái)，鋰離子電池發(fā)展速度非?？?，給很多人一度造成了“鉛酸電池落后應(yīng)該被淘汰”的印象。然而實(shí)際上，隨著鉛碳電池技術(shù)的推出與改進(jìn)，其核心競(jìng)爭(zhēng)力：低廉的成本（0.6~0.8rmb/Wh）與較好的壽命使之在固定式儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)等領(lǐng)域都取得不小的成果，成為了鋰電等技術(shù)的強(qiáng)勁對(duì)手。

 

1）在固定式儲(chǔ)能方面，光伏電站儲(chǔ)能、風(fēng)電儲(chǔ)能和電網(wǎng)調(diào)峰等儲(chǔ)能領(lǐng)域，常要求電池具有功率密度較大，循環(huán)壽命長(zhǎng)和價(jià)格較低等特點(diǎn)。鉛碳電池在空間寬裕、成本要求高的場(chǎng)合競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更大，而且相對(duì)來(lái)說(shuō)一次投資成本較低。而鋰電因?yàn)槟芰棵芏雀?、成本偏高，更適合用于一些對(duì)于空間有要求、成本相比下不那么敏感的場(chǎng)合，在分布式儲(chǔ)能場(chǎng)合會(huì)更有發(fā)展。而對(duì)比其它儲(chǔ)能技術(shù)，比如電容（儲(chǔ)能密度很低，只能進(jìn)行功率緩沖），液流電池（技術(shù)成熟度中等，體積明顯偏大），鉛碳技術(shù)在現(xiàn)階段仍然具有良好的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

 

鉛碳電池用于固定式儲(chǔ)能

 

2）交通工具儲(chǔ)能方面，鉛碳電池的主要競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)在于成本低廉、性能穩(wěn)定、安全性佳。A、成本低廉使其在低速電動(dòng)車(chē)等中低端市場(chǎng)上一直占有優(yōu)勢(shì)，雖然國(guó)家有推廣鋰電的想法，但是畢竟市場(chǎng)規(guī)律更需要尊重。B、性能穩(wěn)定使得鉛碳電池在高、低溫等極端條件下一直可以提供可靠的保障，比如汽車(chē)啟停電源要在-20℃下能夠輸出大電流，而鋰電池的低溫性能則一直是個(gè)普遍性的老大難問(wèn)題。C、安全性佳：交通運(yùn)輸工具的安全性無(wú)論如何強(qiáng)調(diào)都不為過(guò)，在這方面鋰電客觀上就是存在短板的，而鉛酸-鉛碳電池在這方面先天就具有明顯優(yōu)勢(shì)。