鉛酸、鉛炭電池技術(shù)介紹與儲能應(yīng)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(fù)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(gòu)造簡單，易于使用。

　　其充電、放電反應(yīng)機(jī)理如下：

　　鉛酸電池的優(yōu)點(diǎn)：

　　1）價(jià)格適中：相比較鋰電池池價(jià)格低;

　　2）制備工藝簡單：制備設(shè)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(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)：具有很寬的工作范圍區(qū)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(tǒng)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(shù)成熟穩(wěn)定可靠：已有百余年歷史的技術(shù)，使用經(jīng)驗(yàn)豐富，值得依賴。

　　然而傳統(tǒng)鉛酸電池也一直有其突出的問題：

　　1）壽命問題：傳統(tǒng)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(fā)生“硫酸鹽化現(xiàn)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(qiáng)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?yàn)榛厥諜C(jī)制不健全、民眾環(huán)保意識不強(qiáng)的因素，導(dǎo)致了鉛酸電池回收存在許多不正規(guī)的現(xiàn)象，因而造成了資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

　　鉛炭電池

　　在鉛炭電池中，負(fù)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(fù)合負(fù)極，即鉛炭（Lead-carbon）負(fù)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(zhuǎn)移、反應(yīng)需要的有效表面積和物質(zhì)，使得后續(xù)的反應(yīng)更為困難，因此使得負(fù)極板內(nèi)部變成了“死”區(qū)。而在充電時(shí)，因?yàn)楸砻鍼bSO4層阻礙了鉛酸電池本體反應(yīng)的發(fā)生，此時(shí)負(fù)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(jìn)一步導(dǎo)致電池性能的惡化。

　　鉛炭電池工作原理分析：

　　傳統(tǒng)鉛酸電池中的一個(gè)核心問題就在于負(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。

　　為了解決這一問題，我們可以在鉛負(fù)極中加入的炭粒子，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(diǎn)主要如下：

　　1）提供反應(yīng)中心：這些炭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顆粒的長大，使其均勻分布。

　　5）通過炭的電容效應(yīng)，提高電池的容量和功率特性。

　　鉛炭電池負(fù)極板炭導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)示意圖：

　　工作與性能特點(diǎn)

　　鉛炭電池的負(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，而且炭本身具有良好的導(dǎo)電性、電容特性使得鉛炭電池具有比傳統(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(shí)：電容炭材料起“緩沖”作用。當(dāng)鉛炭電池在頻繁的瞬時(shí)大電流充放電工作時(shí)，主要由具有電容特性的炭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_擊以電容能量儲存在炭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(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））

　　鉛酸/鉛炭電池的典型應(yīng)用場景

　　近年來，鋰離子電池發(fā)展速度非常快，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，隨著鉛炭電池技術(shù)的推出與改進(jìn)，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(lǐng)域都取得不小的成果，成為了鋰電等技術(shù)的強(qiáng)勁對手。

　　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(jià)格較低等特點(diǎn)。鉛炭電池在空間寬裕、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?yàn)槟芰棵芏雀摺⒊杀酒撸m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(jìn)行功率緩沖），液流電池（技術(shù)成熟度中等，體積明顯偏大），鉛炭技術(shù)在現(xiàn)階段仍然具有良好的競爭實(shí)力。