分析鉛碳電池工作原理
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-06 12:07
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傳統(tǒng)鉛酸電池中的一個核心問題就在于負極的硫酸鹽化，即在高倍率放電模式下，負極的海綿狀鉛與HSO4-快速反應(yīng)生成PbSO4，此時因為HSO4-與Pb這一對反應(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極板內(nèi)部均勻的生成，或者是在表面只是生成細小均勻容易還原的絨狀PbSO4。
為了解決這一問題，我們可以在鉛負極中加入的碳粒子，其會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)，促進電化學(xué)反應(yīng)在電極表面、內(nèi)部的均勻進行，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顆粒的長大，使其均勻分布。
5）通過碳的電容效應(yīng)，提高電池的容量和功率特性。
基于以上幾點優(yōu)點，鉛碳電池通過加入碳，有效抑制了負極的硫酸鹽化趨勢，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)容易實現(xiàn)規(guī)模化，尤其對于儲能電池長壽命、低成本方面的要求。
對于鉛碳電池來說，加入的碳的種類有很多種：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/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。可以說，鉛碳電池的發(fā)展給了碳材料家族一個施展才華的舞臺，但是如何在性能提升與成本控制上尋找一個平衡點，可能是在鉛碳電池中應(yīng)用高級碳材料的一個需要注意的問題。此外，碳材料加入也是需要控制量的，過多的碳材料加入會導(dǎo)致極板活性物質(zhì)脫落等一系列問題。
工作與性能特點
鉛碳電池的負極形成了鉛金屬-碳顆粒組成的較為均勻、細小的網(wǎng)絡(luò)，此結(jié)構(gòu)有利于縮短擴散距離，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能力、充電接受能力和大電流充放電性能。
1）大電流工作時：電容碳材料起“緩沖”作用。當鉛碳電池在頻繁的瞬時大電流充放電工作時，主要由具有電容特性的碳材料釋放或接收電流，此時鉛金屬負極接收的大電流的沖擊較小，從而不會像傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣，在大電流下急劇的發(fā)生“負極硫酸鹽化”，這樣就有效地延長了電池使用壽命；
2）小電流工作時：主要由海綿鉛負極工作，持續(xù)提供能量，而之前因為大電流沖擊以電容能量儲存在碳中的能量也會就近與鉛反應(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，是其成本仍然是0.6~0.8rmb/Wh，低于鋰電池等其它電池，在成本控制嚴格的場合最有優(yōu)勢。
4）壽命，在淺充放條件下具有很長的循環(huán)壽命（比如4500次（70%DOD））
市場定位與技術(shù)分析：鉛碳PK鋰電PK其它？
鉛酸/鉛碳電池的典型應(yīng)用場景
近年來，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。然而實際上，隨著鉛碳電池技術(shù)的推出與改進，其核心競爭力：低廉的成本（0.6~0.8rmb/Wh）與較好的壽命使之在固定式儲能、低速電動車、電動自行車等領(lǐng)域都取得不小的成果，成為了鋰電等技術(shù)的強勁對手。
1）在固定式儲能方面，光伏電站儲能、風(fēng)電儲能和電網(wǎng)調(diào)峰等儲能領(lǐng)域，常要求電池具有功率密度較大，循環(huán)壽命長和價格較低等特點。鉛碳電池在空間寬裕、成本要求高的場合競爭優(yōu)勢更大，而且相對來說一次投資成本較低。而鋰電因為能量密度高、成本偏高，更適合用于一些對于空間有要求、成本相比下不那么敏感的場合，在分布式儲能場合會更有發(fā)展。而對比其它儲能技術(shù)，比如電容（儲能密度很低，只能進行功率緩沖），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爭實力。
