鉛酸、鉛炭電池技術介紹與儲能應用分析

　　鉛酸電池

　　普通鉛酸電池的正極活性材料是氧化鉛(PbO2)，負極活性材料是鉛(Pb)，它們附著在板柵上。鉛酸電池以硫酸的水溶液為電解液，構造簡單，易于使用。

　　其充電、放電反應機理如下：

　　鉛酸電池的優點：

　　1）價格適中：相比較鋰電池池價格低;

　　2）制備工藝簡單：制備設備、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）環境適應性強：具有很寬的工作范圍區間，而且性能隨溫度的變化不像鋰離子電池一樣劇烈，對于溫控系統要求更低；

　　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）技術成熟穩定可靠：已有百余年歷史的技術，使用經驗豐富，值得依賴。

　　然而傳統鉛酸電池也一直有其突出的問題：

　　1）壽命問題：傳統上只有幾百次壽命；

　　2）大功率工作問題：在0.5C以上的大倍率工作條件下，會發生“硫酸鹽化現象，”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，因此大部分對于能量密度較高的場合都選用了鋰電池，這也是鋰電池近年來強勢崛起的重要原因；

　　4）回收再利用方面：雖然鉛酸電池回收并不困難，但是因為回收機制不健全、民眾環保意識不強的因素，導致了鉛酸電池回收存在許多不正規的現象，因而造成了資源的浪費和環境的污染。

　　鉛炭電池

　　在鉛炭電池中，負極從純Pb變成了具有雙電層電容特性的炭材料（C）+電池特性海綿鉛（Pb）混合組成的雙功能復合負極，即鉛炭（Lead-carbon）負極，然后再與PbO2正極匹配組裝，即組成了鉛炭電池。表面生成的PbSO4堆積層或者是大顆粒PbSO4明顯減少了電子轉移、反應需要的有效表面積和物質，使得后續的反應更為困難，因此使得負極板內部變成了“死”區。而在充電時，因為表面PbSO4層阻礙了鉛酸電池本體反應的發生，此時負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，這樣會進一步導致電池性能的惡化。

　　鉛炭電池工作原理分析：

　　傳統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-快速反應生成PbSO4，此時因為HSO4-與Pb這一對反應物的供應失配，導致了PbSO4成核速率太快，這樣就使得生成的PbSO4（本質是絕緣的）“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炭粒子，其會形成如上圖所示的導電網絡結構。該網絡結構的優點主要如下：

　　1）提供反應中心：這些炭粒子表面就形成了新的反應活性中心；

　　2）形成導電網絡降低極化；

　　3）形成更幼小均勻的傳質網絡，促進電化學反應在電極表面、內部的均勻進行，從而減輕PbSO4在表面的集中析出效應；

　　4）作為異質材料阻礙PbSO4顆粒的長大，使其均勻分布。

　　5）通過炭的電容效應，提高電池的容量和功率特性。

　　鉛炭電池負極板炭導電網絡示意圖：

　　工作與性能特點

　　鉛炭電池的負極形成了鉛金屬-碳顆粒組成的較為均勻、細小的網絡，此結構有利于縮短擴散距離，提高反應均勻性，而且炭本身具有良好的導電性、電容特性使得鉛炭電池具有比傳統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：電容炭材料起“緩沖”作用。當鉛炭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，此時鉛金屬負極接收的大電流的沖擊較小，從而不會像傳統的鉛酸電池一樣，在大電流下急劇的發生“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，持續提供能量，而之前因為大電流沖擊以電容能量儲存在炭中的能量也會就近與鉛反應，逐步反應均勻化。

　　3）能量&功率密度，可以提升到40~60Wh/kg，300~400W/kg左右，性能已經接近了一部分鋰電池的能力，而且更關鍵的一點，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勢。

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

　　鉛酸/鉛炭電池的典型應用場景

　　近年來，鋰離子電池發展速度非常快，給很多人一度造成了“鉛酸電池落后應該被淘汰”的印象。然而實際上，隨著鉛炭電池技術的推出與改進，其核心競爭力：低廉的成本與較好的壽命使之在固定式儲能、低速電動車、電動自行車等領域都取得不小的成果，成為了鋰電等技術的強勁對手。

　　在固定式儲能方面，光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域，常要求電池具有功率密度較大，循環壽命長和價格較低等特點。鉛炭電池在空間寬裕、成本要求高的場合競爭優勢更大，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展。而對比其它儲能技術，比如電容（儲能密度很低，只能進行功率緩沖），液流電池（技術成熟度中等，體積明顯偏大），鉛炭技術在現階段仍然具有良好的競爭實力。