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铅碳电池应用分析与新技术介绍

时间:2018.11.13 来源:暂无 浏览量:载入中...

一般铅酸电池的正极活 性资料是氧化铅(PbO2),负极活 性资料是铅(Pb),它们附着在板栅上。铅酸电池以硫酸的水溶液为电解液,构造简略,易于运用。

 

其充电、放电反响机理如下:

 

铅酸电池在曩昔一百多年中一向是人类常用的电池之一,这首要由于其几个杰出的长处:

1.本钱低价:只要0.6~0.7rmb/Wh

2.制备工艺简略:制备设备、厂房出资都不大,比较于锂电要小的多;

3.较为安 全:爆 炸焚烧的可能性很低;

4.环境适应性强:具有很宽的作业范围区间,并且功能随温度的改动不像锂离子电池一样剧烈,关于温控系统要求更低;

5.易于收回再利用:废旧的铅酸电池收回活 性资料较为简单;

6.技能老练安稳牢靠:已有百余年前史的技能,运用经验丰富,值得依靠。

然而传统铅酸电池也一向有其杰出的问题:

1.寿数问题:传统上只要几百次寿数;

2.大功率作业问题:在0.5C以上的大倍率作业条件下,发作“硫酸盐化现象,”衰减加 快,这也是铅酸电池寿数欠安的根本原因;

3.能 量密度不高:只要20~40Wh/kg,因而大部分关于能 量密度较高的场合都选用了锂电池,这也是锂电池近年来强势兴起的重要原因;

4.收回再利用方面:尽管铅酸电池收回并不困难,可是由于收回机制不健全、民众环保认识不强的要素,导致了铅酸电池收回存在许多不正规的现象,这也构成了资源的糟蹋和环境的污染。

跟着社会的前进,社会的各种场合关于电池储能的要求不断进步。在曩昔的几十年中,许多种电池技能都有了长足的前进,而铅酸电池本身的开展也遇到了许多机会与挑战。在这样的布景下,在科学家与工程师的努力下,在铅酸电池的负极活 性资料中参加碳,就诞生了铅碳电池——这一铅酸电池的晋级版别。

新花:铅碳电池

传统的铅酸电池的大问题在于在大电流,长时间执役后呈现的负极的硫酸盐化效应,使得资料发作失效,容量骤降。与此同时,我们都看过不少有关于电池前进的大新闻,比方充电7秒之类,实际上这些新闻讲的都是充电速度实质上就很快的超 级电容而非电池。这样不难看出:铅酸电池的短板(快充放),恰恰是电容机理比较拿手应对的情况。因而就有人想到了:在铅酸电池的负极中参加活 性碳,能够归纳电容和电池的长处。

实际上,是能够把超 级电容器与铅酸电池并联运用的(这种用法可称“外并”,即电池和电容器做为两个独 立的元件进行一个机械的并联整合)。而关于铅碳电池来说,此刻的情形就变成了“内并”(lead-acidbatterywithacarbonsupercapacitorcombination),就是将双电层电容器的高比功率、长寿数的优势内化融 合到铅酸电池中,然后进步了功率、比能 量,延长了电池寿数,因而也有当地将其称为“超 级电池”(Ultrabattery)。

一般铅酸电池的负极活 性资料是铅(Pb),而在铅碳电池中,负极从纯Pb变成了具有双电层电容特性的碳资料(C+电池特性海绵铅(Pb)混合组成的双功用复合负极,即铅碳(Lead-carbon)负极,然后再与PbO2正极匹配拼装,即组成了铅碳电池。整体来说,铅碳电池的改动首要呈现在负极上,电极液、正极等方面的改动并不大。能够这样说,铅碳电池能够说是铅酸电池这颗老树上开出的新花,并且在近年来还结出了许多不错的运用效果。而在这方面,参加的碳自然是要记头功的。

 

现在,国内外有许多电池企业都在出产铅碳电池,代表性的企业包含日本古河,EcoultEastPennAxion,国内的圣阳、双登、南都、C&D等。

铅碳电池作业原理剖析

传统铅酸电池中的一个中 心问题就在于负极的硫酸盐化,即在高倍率放电形式下,负极的海绵状铅与HSO4-快速反响生成PbSO4,此刻由于HSO4-Pb这一对反响物的供给失配,导致了PbSO4成核速率太快,这样就使得生成的PbSO4(实质是绝缘的)“糊”在了负极外表,或者是生成了极大的颗粒;而不是按我们需求的在负极板内部均匀的生成,或者是在外表只是生成细微均匀简单还原的绒状PbSO4

 

外表生成的PbSO4堆积层或者是大颗粒PbSO4显着减少了电子搬运、反响需求的有用外表积和物质,使得后续的反响更为困难,因而使得负极板内部变成了“死”区。而在充电时,由于外表PbSO4层阻止了铅酸电池本体反响的发作,此刻负极的电位只好将电池中的水电解成氢气,构成电解液的干涸,这样会进一步导致电池功能的恶化。

 

为了处理这一问题,我们能够在铅负极中参加的碳粒子,其会构成如上图所示的导电网络结构。该网络结构的长处首要如下:

1.供给反响中 心:这些碳粒子外表就构成了新的反响活 性中 心;

2.构成导电网络下降极化;

3.构成更细微均匀的传质网络,促 进电化学反响在电极外表、内部的均匀进行,然后减轻PbSO4在外表的会集析出效应;

4.作为异质资料阻止PbSO4颗粒的长大,使其均匀分布;

5.经过碳的电容效应,进步电池的容量和功率特性。

 

图:铅碳电池负极板碳导电网络示意图

根据以上几点长处,铅碳电池经过参加碳,有用抑制了负极的硫酸盐化趋势,使得电池寿数显着进步。不仅如此,铅碳电池的出产工艺比较于传统铅酸电池并无实质区别,不需改动现在现已老练的工艺,出产简单实现规划化,尤其关于储能电池长寿数、低本钱方面的要求。

关于铅碳电池来说,参加的碳的品种有许多种:炭黑、活 性炭、石墨烯、石墨、碳纤维、碳纳 米管均可。而它们的首要长处/能为铅碳电池供给的首要功用有:1)导电导热;2)网络孔隙结构,供给反响所需比外表积以及双电层电容。能够说,铅碳电池的开展给了碳资料宗族一个施展才华的舞台,可是如何在功能进步与本钱操控上寻觅一个平衡点,可能是在铅碳电池中运用高 档碳资料的一个需求注意的问题。此外,碳资料参加也是需求操控量的,过多的碳资料参加会导致 极板活 性物质掉落等一系列问题。

作业与功能特色

铅碳电池的负极构成了铅金属-碳颗粒组成的较为均匀、细微的网络,这样的结构有利于缩短扩散距离,进步反响均匀性,并且碳本身具有杰出的导电性、电容特性使得铅碳电池具有比传统铅酸电池有更好的低温发动能力、充电接受能力和大电流充放电功能。

1.大电流作业时:电容碳资料起“缓冲”效果。当铅碳电池在频频的瞬时大电流充放电作业时,首要由具有电容特性的碳资料开释或接纳电流,此刻铅金属负极的接纳的大电流的冲击较小,然后不会像传统的铅酸电池一样,在大电流下发急剧的发作“负极硫酸盐化”,这样就有用地延长了电池运用寿数;

2.小电流作业时:首要由海绵铅负极作业,持续供给能 量,而之前由于大电流冲击以电容能 量储存在碳中的 能 量也会就近与铅反响,逐步反响均匀化。

3.能 量&功率密度,能够进步到40~60Wh/kg300~400W/kg左右,功能现已接近了一部分锂电池的能力,并且更要害的一点,是其本钱依然是0.6~0.8rmb/Wh,低于锂电池等其它电池,在本钱操控严格的场合有优势。

4.寿数,在浅充放条件下具有很长的循环寿数(比方4500次(70DOD))

市场定位与技能剖析:铅碳P K锂电P K其它?

 

图:铅酸/铅碳电池的典型运用场景

近年来,锂离子电池开展速度非常快,给许多人一度构成了“铅酸电池落后应该被筛选”的形象。然而实际上,跟着铅碳电池技能的推出与改 善,其中 心竞赛力:低价的本钱(0.6~0.8rmb/Wh)与较好的寿数使其在固定式储能、低速电动车、电动自行车等范畴都取得不小的效果,成为了锂电等技能的强劲对手。

1.在固定式储能方面,光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能范畴,常要求电池具有功率密度较大,循环寿数长和价 格较低一 级特色。铅碳电池在空间宽裕、本钱要求高的场合竞赛优势更大,并且相对来说一次出资本钱较低。而锂电由于能 量密度高、本钱偏高,更适合用于一些关于空间有要求、本钱比较下不那么敏 感的场合,在分布式储能场合会更有开展。而对比其它储能技能,比方电容(储能密度很低,只能进行功率缓冲),液流电池(技能老练度中等,体积显着偏大),铅碳技能在现阶段依然具有杰出的竞赛实力。

 

图:铅碳电池用于固定式储能

2.交通工具储能方面,铅碳电池的首要竞赛优势在于本钱低价、功能安稳、安 全性佳。A、本钱低价使其在低速电动车等中低端市场上一向占有优势,尽管有推行锂电的主意,可是究竟市场规律更需求尊重。B、功能安稳使得铅碳电池在高、低温等极点条件下一向能够供给牢靠的保证,比方轿车启停电源要在-20℃下能够输出大电流,而锂电池的低温功能则一向是个普遍性的老大难问题。C、安 全性佳:交通运输工具的安 全性无论如何着重都不为过,在这方面锂电客观上就是存在短板的,而铅酸-铅碳电池在这方面先天就具有显着优势。

因而笔者以为:铅碳电池近年内涵一些细分范畴会坚持自己的优势地位。尽管锂电等技能增速较快,可是这些电池技能都是各有自己的优缺点,没有哪种储能技能能够做到在各种规划、场景下通吃。根据实地需求,挑选适宜的储能技能运用,才是王道。

结语

铅酸电池是一种古老而又实用的电池技能,经过引进电容碳的优化发生的新一代铅碳电池则成为了这种神 奇电池技能在新时代中连续传奇的重要助力。本钱、功能安稳性、安 全性是这一类电池的中 心优势地点,因而在固定式储能、低端电动车范畴其依然会在近几年内具有杰出的竞赛力。当然各种技能都在不断前进,我们也热切期望着会有更多更新更好的储能技能不断涌现、老练,为我们的生活带来便当。

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