铅酸蓄电池创新技术铅炭电池

铅酸蓄电池由二氧化铅正极板、铅负极板、超细纤维隔膜、硫酸电解液及电池壳、极柱组成，放电时正极板上的二氧化铅和硫酸电解液发生还原反应得到电子生成硫酸铅，负极板上的海绵状铅和硫酸电解液发生氧化反应生成硫酸铅，即双极硫酸盐化。充电时又恢复原来的状态，正极生成二氧化铅，负极生成海绵状铅。

铅酸电池在汽车上使用时，根据不同荷电状态的使用环境要求，常规汽车启停和微混动力汽车，由于电池一般在90%荷电量下使用，常规铅酸电池能够正常使用。中度混合汽车，电池在70-90%荷电量下使用，负极板易被硫酸盐化；全混汽车，电池在30-80%荷电量下使用，负极板会快速不可逆硫酸盐化，使电池提前失效。

针对该问题，L.T.Lam于2006年制备出了超级电池，将普通的负极板改良为一半正常铅负极，一半碳负极板，通过给普通负极板并联超级电容器的的方法，缓解铅负极大电流下的硫酸盐化。但是由于两种负极存在电位差，电容电位更负，负极析氢严重。为了解决析氢和两种负极组装繁琐的问题。将碳材料与海绵状铅直接混合制作负极板，制作方法与传统铅酸电池接近，具有更好的电池性能和可操作性性，即铅炭电池。

铅炭电池可以延长混合动力汽车高倍率部分荷电量（HR-PSOC）工作状态下循环寿命。铅炭电池及相关技术创新如下：

1. 板栅，板栅起传导电流和支撑活性物质作用，通常板栅为铅钙锡铝合金，为了减缓正极板栅腐蚀造成电池失效。首先可以对板栅通过苯胺浸泡进行表面处理，减少物理阻抗。其次可以添加石墨烯，石墨烯和金属铅均晶粒细小均匀，排列致密，可以有效减少板栅的腐蚀。同时，在进行氧化还原反应时，金属铅与石墨烯形成的晶粒电阻比单纯的金属铅晶粒小很多，因此电流密度也得到大幅提高。此外石墨烯可以增加板栅硬度，缩短板栅硬化时间，降低库存周期，提高资金周转率，切实降低了生产成本；

2. 正极板，正极活性物质为氧化度70-88%的巴顿铅粉和球磨铅粉。Hu等合成含有多孔碳骨架的纳米结构铅氧化物，与球磨铅粉混合后使用，能将正极活性物质利用率提高至72.5%。由于二氧化铅结构转化复杂，添加剂容易对其产生负面作用，可以添加石墨烯类多孔碳，加速正极板化成，同时降低界面阻抗，增加反应产物硫酸铅晶体间隙，提升电荷转移效率，控制硫酸铅晶体的大小，从而避免负极硫酸盐化并延长电池寿命。Lang等在正极添加4%4BS（纳米4碱式硫酸盐）明显提高电池循环寿命，应用效果明显。

3. 负极板，负极板是铅炭电池的关键，要同时具备电池和电容的特性。因此负极要添加一定比例具有电化学活性的炭材料，启到电容缓冲和去极化作用。负极板铅膏活性物质常规的添加剂包括：磺化木质素和腐殖酸类有机膨胀剂、导电炭、硫酸钡和短纤维等。主要起到增加负极板活性物质容量、减缓硫酸盐化、提高结构稳定性，增强负极板充电倍率的作用。铅炭电池负极板则是在常规铅膏中添加更高比例的电容性炭材料例如碳纳米管和氧化石墨烯类材料，同时添加有助于高比表面炭材料分散用的分散剂，抑制炭材料带来析氢问题的添加剂氧化铟等，提升加炭后引起负极板强度低的粘结剂PTFE等，为防止负极板氧化可以延长固化时间并采用内化成工艺。

4. 电解液，电解液为稀硫酸水溶液，参与电池反应，充电时浓度增加，放电时浓度减小，并且充电过程伴随析氢反应，随着水的减少，浓度会增加，影响电池性能。电解液中的添加剂主要有钠盐、钾盐类提升导电性能，磷酸减缓正极活性物质脱落。以及高析氢过电位的金属及其化合物或者离子液体用于抑制氢气析出。Zhao等将240mg/L的溴化十六烷基三甲基铵与20mg/L的苄叉丙酮作为电解液添加剂，明显提高循环寿命，得出其能够抑制析氢。