鉛炭電池

鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統的鉛酸電池演進出來的技術，它是在鉛酸電池的負極中加入了活性碳，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。

鉛炭電池是一種新型的超級電池，是將鉛酸電池和超級電容器兩者合一:既發揮了超級電容瞬間大容量充電的優點，也發揮了鉛酸電池的比能量優勢，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)。而且由於加了碳(石墨烯)，阻止了負極硫酸鹽化現象，改善了過去電池失效的一個因素，更延長了電池壽命。

基本介紹

• 中文名：鉛碳電池
• 外文名：Pb-C Battery
• 領域：新能源儲能
• 前景：鉛酸蓄電池領域最先進的技術
• 電池類型：電容型鉛酸電池
• 研發公司：日本古河電池、Axion Power公司

原理

美國賓夕法尼亞州的Axion Power公司研發的一種基於鉛碳技術的新型蓄電池，也就是鉛碳電池，就是將高比表面碳材料（如活性碳、活性碳纖維、碳氣凝膠或碳納米管等）摻入鉛負極中，發揮高比表面碳材料的高導電性和對鉛基活性物質的分散性，提高鉛活性物質的利用率，並能抑制硫酸鉛結晶的長大。原理和超級電池相似，它是另一類的超級電池。將碳材料加入到負極板中發揮其超級電容的瞬間大容量充電的優點，在高倍率充 / 放電期間起到緩衝器的作用，有效地保護負極板，抑制“硫酸鹽化”現象。

鉛碳電池

結構

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）負極進行合併製作成既有電容特性又有電池特性的鉛炭雙功能複合電極（簡稱鉛炭電極），鉛炭複合電極再與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採用內並聯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。因此既發揮了超級電容瞬間功率性大容量充電的優點，也發揮了鉛酸電池的能量優勢，一個小時就可充滿電。擁有很好的充放電性能。

研究歷程

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邦科學及工業研究組織（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構。

日本工作者在此基礎上開始了超級蓄電池的研究和商業化開發工作，2007年4月該鉛炭超級電池套用於混合動力車上，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博士及日本的研發團隊發表了一系列的研究成果，介紹了超級蓄電池在部分荷電態大電流放電性能以及將超級蓄電池套用於微混和中度混合電動車的研究進展。

2007年，美國Axion Power申請了“用於混合儲能裝置的負極”和“混合儲能裝置機器製造方法”兩項專利。

2012年，印度研究人員Saravanan等發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，研究結果顯示放電功率和部分荷電狀態的循環壽命均大幅提高。

套用

由於使用了鉛炭技術，鉛炭電池的性能遠遠優於傳統的鉛酸蓄電池，可套用於新能源車輛中，如：混合動力汽車、電動腳踏車等領域；也可用於新能源儲能領域，如風光發電儲能等。Lead-carbon電池具有與傳統鉛酸電池相近的低廉價格優勢及成熟的工業製造基礎，在各種套用領域有著極強的競爭力優勢。

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，特別適合於微混合動力車的“停止一啟動”系統。鉛碳電池可以提高原來鉛酸蓄電池的功率，延長使用壽命。

特性

技術優勢

鉛炭電池是鉛酸電池的創新技術，相比鉛酸電池有著諸多優勢。鉛炭電池有以下優勢：一是充電快，提高8倍充電速度；二是放電功率提高了3倍；三是循環壽命提高到6倍，循環充電次數達2000次；四是性價比高，比鉛酸電池的售價有所提高，但循環使用的壽命大大提高了；五是使用安全穩定，可廣泛地套用在各種新能源及節能領域。此外，鉛炭電池也發揮了鉛酸電池的比能量優勢，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）。而且由於加了碳（石墨烯），阻止了負極硫酸鹽化現象，改善了電池失效的一個因素。

1、正負極鉛膏採用獨特的配方和最佳化的固化工藝。正極活性物質抗軟化能力強，深循環壽命好，活性物質利用率高；負極鉛膏抗硫化能力強，容量衰減率低，低溫啟動性能好。

2、正極板柵採用新型特製合金和合理的結構設計，抗腐蝕性能好，電流分布合理，與活性物質結合緊密，大電流性能和充電接受能力強。

3、採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、當電池處於長時間小電流工作時，主要由海綿鉛負極工作，持續提供能量；

6、Lead-carbon超級複合電極高碳含量的介入，使電極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。

性能方面，鉛炭電池同時具有鉛酸電池和電容器的特點。活性炭的加入，提升了電池的功率密度，延長了循環壽命，同時由於活性炭占據了部分電極空間，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，增加了調漿和極片塗布難度。總體而言，鉛炭電池性能優於普通鉛酸電池，是一種先進鉛酸電池，也是鉛酸電池技術發展的主流方向。

主要問題

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後備選項。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，對於普通的鉛酸電池，碳材料的添加量為0.2%以下。那么對於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-炭混合材料塗膏的穩固性，極板和鉛膏的結合能力，達到保證負極板的強度要求。
3.在進行外化成後，負極板表面有炭材料析出，出現板柵膨脹變形現象。
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生改變。
5.炭材料和鉛粉密度相差非常大，添加後負極板的孔隙率大幅度上升，負極易被氧化。

解決方案

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於4%，國內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-炭混合材料塗膏的穩固性、極板和鉛膏的結合能力，必須加入適用於鉛酸電池的粘結劑，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。加入適量粘結劑或短纖維，採用機器塗膏以增加塗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，可以採用內化成工藝，注意內化成的電流設計工藝應適當進行調整。

5）對於負極析氫問題，可以向負極活性物質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，可以採取內化成工藝：若是做外化成，則要適當延長無氧乾燥時間。

發展前景

鉛炭電池是鉛酸蓄電池領域最先進的技術，也是國際新能源儲能行業的發展重點，具有非常廣闊的套用前景。儲能電池技術是制約新能源儲能產業發展的關鍵技術之一。光伏電站儲能、風電儲能和電網調峰等儲能領域，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、鋰離子電池和液流電池是新能源儲能電池的三大發展方向。

其中，鋰電成本相對較高，一致性問題也仍然存在；液流電池成本也很高；而鉛炭電池是相對實際可行的儲能技術路線。普通鉛酸電池具有低成本優勢，但其循環壽命短的缺點，導致單位次數儲能成本較高。鉛炭電池由於加入了活性炭，阻止了負極硫酸鹽化現象，延長了電池壽命，同時也降低了單位次數使用成本，在新能源儲能領域發展潛力很大。

鉛炭電池在部分荷電態下循環壽命和功率性充放電性能方面得到大幅提高，再加上成本等優勢，大大提高了鉛炭技術在各類儲能系統中的套用。

中國仍然處於儲能產業化的初級階段，處於多種儲能技術並存的狀態，不論是鉛炭電池、鋰電池和液流電池等，在不同的套用領域會有不同的優勢，主流儲能技術將由市場選擇。