鉛炭電池結(jié)構(gòu)

鉛炭電池是將具有雙電層電容特性的炭材料(C)與海綿鉛(Pb)負極進行合并制作成既有電容特性又有電池特性的鉛炭雙功能復合電極(簡稱鉛炭電極)，鉛炭復合電極再與PbO2正極匹配組裝成鉛炭電池。

鉛碳電池是將非對稱超級電容器與鉛酸電池采用內(nèi)并聯(lián)方式兩者合一的混合物，作為一種新型的超級電池，鉛炭電池是將鉛酸電池和超級電容器兩者技術的融合，是一種既具有電容特性又具有電池特性的雙功能儲能電池。因此既發(fā)揮了超級電容瞬間功率性大容量充電的優(yōu)點，也發(fā)揮了鉛酸電池的能量優(yōu)勢，一個小時就可充滿電。擁有很好的充放電性能。

鉛碳電池作是一種新型的超級電池，而超級電池的概念由澳大利亞聯(lián)邦科學及工業(yè)研究組織(CSRIO)的L.T Lam等人首先提出，2004年申請了"高性能儲能裝置"的專利，給出了超級電池鉛電池電極和活性炭電容器共用一個二氧化鉛正極的基本結(jié)構(gòu)。

日本工作者在此基礎上開始了超級蓄電池的研究和商業(yè)化開發(fā)工作，2007年4月該鉛炭超級電池應用于混合動力車上，進行實車測試，2008年1月15日通過了10萬英里(約160000km)的壽命測試，而電池狀況仍然非常健康。

2006年，L.T Lam博士及日本的研發(fā)團隊發(fā)表了一系列的研究成果，介紹了超級蓄電池在部分荷電態(tài)大電流放電性能以及將超級蓄電池應用于微混和中度混合電動車的研究進展。

2007年，美國Axion Power申請了"用于混合儲能裝置的負極"和"混合儲能裝置機器制造方法"兩項專利。

2012年，印度研究人員Saravanan等發(fā)表了雙極耳超級蓄電池的研究成果，該蓄電池的負極一半是純鉛另一半是海綿狀鉛活性物質(zhì)，研究結(jié)果顯示放電功率和部分荷電狀態(tài)的循環(huán)壽命均大幅提高。

由于使用了鉛炭技術，鉛炭電池的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，可應用于新能源車輛中，如:混合動力汽車、電動自行車等領域;也可用于新能源儲能領域，如風光發(fā)電儲能等。Lead-carbon電池具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價格優(yōu)勢及成熟的工業(yè)制造基礎，在各種應用領域有著極強的競爭力優(yōu)勢。

這種混合技術能夠在車輛加速和制動期間快速地輸出和輸入電荷，特別適合于微混合動力車的"停止一啟動"系統(tǒng)。鉛碳電池可以提高原來鉛酸蓄電池的功率，延長使用壽命。

鉛炭電池是鉛酸電池的創(chuàng)新技術，相比鉛酸電池有著諸多優(yōu)勢。鉛炭電池有以下優(yōu)勢:一是充電快，提高8倍充電速度;二是放電功率提高了3倍;三是循環(huán)壽命提高到6倍，循環(huán)充電次數(shù)達2000次;四是性價比高，比鉛酸電池的售價有所提高，但循環(huán)使用的壽命大大提高了;五是使用安全穩(wěn)定，可廣泛地應用在各種新能源及節(jié)能領域。 此外，鉛炭電池也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢，且擁有非常好的充放電性能--90分鐘就可充滿電(鉛酸電池若這樣充、放，壽命只有不到30次)。而且由于加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現(xiàn)象，改善了電池失效的一個因素。

1、正負極鉛膏采用獨特的配方和優(yōu)化的固化工藝。正極活性物質(zhì)抗軟化能力強，深循環(huán)壽命好，活性物質(zhì)利用率高;負極鉛膏抗硫化能力強，容量衰減率低，低溫啟動性能好。

2、正極板柵采用新型特制合金和合理的結(jié)構(gòu)設計，抗腐蝕性能好，電流分布合理，與活性物質(zhì)結(jié)合緊密，大電流性能和充電接受能力強。

3、采用新型電解液添加劑，電池的析氫、析氧過電位高，電池不易失水。

4、當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炭材料釋放或接收電流，抑制鉛酸電池的"負極硫酸鹽化"，有效地延長了電池使用壽命;

5、當電池處于長時間小電流工作時，主要由海綿鉛負極工作，持續(xù)提供能量;

6、Lead-carbon超級復合電極高碳含量的介入，使電極具有比傳統(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。

性能方面，鉛炭電池同時具有鉛酸電池和電容器的特點?；钚蕴康募尤耄嵘穗姵氐墓β拭芏?，延長了循環(huán)壽命，同時由于活性炭占據(jù)了部分電極空間，導致能量密度降低，也可能增加電極析氣量。在工藝方面，活性炭的加入，增加了調(diào)漿和極片涂布難度?？傮w而言，鉛炭電池性能優(yōu)于普通鉛酸電池，是一種先進鉛酸電池，也是鉛酸電池技術發(fā)展的主流方向。

鉛炭電池鉛酸電池能量密集度高，適合作為太陽能和風能儲能的后備選項。鉛炭電池的推廣也面臨著成本問題。鉛炭電池的成本費用需要降低成本至每千瓦小時150-200美元才可行。

1.高碳鉛酸電池的炭材料添加量為4%以上，對于普通的鉛酸電池，碳材料的添加量為0.2%以下。那么對于鉛炭電池碳材料的最佳添加量是一個有待探討的問題。

2.鉛粉和碳材料的混合，以何種方式加入才能使碳材料與鉛粉均勻混合，且能夠保證負極鉛-炭混合材料涂膏的穩(wěn)固性，極板和鉛膏的結(jié)合能力，達到保證負極板的強度要求。

3.在進行外化成后，負極板表面有炭材料析出，出現(xiàn)板柵膨脹變形現(xiàn)象。

4.炭材料的加入會加劇負極析氫問題，使蓄電池失水嚴重，免維持性能降低，導致蓄電池失效模式發(fā)生改變。

5.炭材料和鉛粉密度相差非常大，添加后負極板的孔隙率大幅度上升，負極易被氧化。

這電池技術的進一步研究都至關重要，在材料、設計和工程系統(tǒng)上的改進和成本上的降低都是很必要的。

1.若要使鉛炭電池具有超級電容的效果，炭材料的添加量一定要大于4%，國內(nèi)外研究表明炭材料的添加量可以達到10%~20%。

2.若保證負極鉛-炭混合材料涂膏的穩(wěn)固性、極板和鉛膏的結(jié)合能力，必須加入適用于鉛酸電池的粘結(jié)劑，例如PTFE,CMC,氯丁橡膠等。

3.要保證負極板的強度，首先在和膏時要保證鉛膏濕密度，鉛膏濕密度在4.2~4.5g/cm3最佳。加入適量粘結(jié)劑或短纖維，采用機器涂膏以增加涂膏壓力都可以達到保證極板強度的目的。

4.為防止化成時炭材料的損失和板柵膨脹變形，可以采用內(nèi)化成工藝，注意內(nèi)化成的電流設計工藝應適當進行調(diào)整。

5)對于負極析氫問題，可以向負極活性物質(zhì)中添加適量的抑制析氫添加劑，例如氧化銀，鋅的化合物等。

6)在防止負極氧化方面，可以采取內(nèi)化成工藝:若是做外化成，則要適當延長無氧干燥時間。