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 　　铅酸、铅炭电池技术介绍与储能应用分析

　　铅酸电池

　　普通铅酸电池的正极活性材料是氧化铅(PbO2)，负极活性材料是铅(Pb)，它们附着在板栅上。铅酸电池以硫酸的水溶液为电解液，构造简单，易于使用。

　　其充电、放电反应机理如下：

　　铅酸电池的优点：

　　1）价格适中：相比较锂电池池价格低;

　　2）制备工艺简单：制备设备、厂房投资都不大，相比于锂电要小的多；

　　3）较为安全：爆炸燃烧的可能性很低；

　　4）环境适应性强：具有很宽的工作范围区间，而且性能随温度的变化不像锂离子电池一样剧烈，对于温控系统要求更低；

　　5）易于回收再利用：废旧的铅酸电池回收活性材料较为容易；

　　6）技术成熟稳定可靠：已有百余年历史的技术，使用经验丰富，值得依赖。

　　然而传统铅酸电池也一直有其突出的问题：

　　1）寿命问题：传统上只有几百次寿命；

　　2）大功率工作问题：在0.5C以上的大倍率工作条件下，会发生“硫酸盐化现象，”衰减加速，而这也是铅酸电池寿命不佳的根本原因；

　　3）能量密度不高：只有20~40Wh/kg，因此大部分对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崛起的重要原因；

　　4）回收再利用方面：虽然铅酸电池回收并不困难，但是因为回收机制不健全、民众环保意识不强的因素，导致了铅酸电池回收存在许多不正规的现象，因而造成了资源的浪费和环境的污染。

　　铅炭电池

　　在铅炭电池中，负极从纯Pb变成了具有双电层电容特性的炭材料（C）+电池特性海绵铅（Pb）混合组成的双功能复合负极，即铅炭（Lead-carbon）负极，然后再与PbO2正极匹配组装，即组成了铅炭电池。表面生成的PbSO4堆积层或者是大颗粒PbSO4明显减少了电子转移、反应需要的有效表面积和物质，使得后续的反应更为困难，因此使得负极板内部变成了“死”区。而在充电时，因为表面PbSO4层阻碍了铅酸电池本体反应的发生，此时负极的电位只好将电池中的水电解成氢气，造成电解液的枯竭，这样会进一步导致电池性能的恶化。

　　铅炭电池工作原理分析：

　　传统铅酸电池中的一个核心问题就在于负极的硫酸盐化，即在高倍率放电模式下，负极的海绵状铅与HSO4-快速反应生成PbSO4，此时因为HSO4-与Pb这一对反应物的供应失配，导致了PbSO4成核速率太快，这样就使得生成的PbSO4（本质是绝缘的）“糊”在了负极表面，或者是生成了极大的颗粒；而不是按我们所需要的在负极板内部均匀的生成，或者是在表面只是生成细小均匀容易还原的绒状PbSO4。

　　为了解决这一问题，我们可以在铅负极中加入的炭粒子，其会形成如上图所示的导电网络结构。该网络结构的优点主要如下：

　　1）提供反应中心：这些炭粒子表面就形成了新的反应活性中心；

　　2）形成导电网络降低极化；

　　3）形成更幼小均匀的传质网络，促进电化学反应在电极表面、内部的均匀进行，从而减轻PbSO4在表面的集中析出效应；

　　4）作为异质材料阻碍PbSO4颗粒的长大，使其均匀分布。

　　5）通过炭的电容效应，提高电池的容量和功率特性。

　　铅炭电池负极板炭导电网络示意图：

　　工作与性能特点

　　铅炭电池的负极形成了铅金属-碳颗粒组成的较为均匀、细小的网络，此结构有利于缩短扩散距离，提高反应均匀性，而且炭本身具有良好的导电性、电容特性使得铅炭电池具有比传统铅酸电池有更好的低温启动能力、充电接受能力和大电流充放电性能。

　　1）大电流工作时：电容炭材料起“缓冲”作用。当铅炭电池在频繁的瞬时大电流充放电工作时，主要由具有电容特性的炭材料释放或接收电流，此时铅金属负极接收的大电流的冲击较小，从而不会像传统的铅酸电池一样，在大电流下急剧的发生“负极硫酸盐化”，这样就有效地延长了电池使用寿命；

　　2）小电流工作时：主要由海绵铅负极工作，持续提供能量，而之前因为大电流冲击以电容能量储存在炭中的能量也会就近与铅反应，逐步反应均匀化。

　　3）能量&功率密度，可以提升到40~60Wh/kg，300~400W/kg左右，性能已经接近了一部分锂电池的能力，而且更关键的一点，是其成本仍然是0.6~0.8rmb/Wh，低于锂电池等其它电池，在成本控制严格的场合最有优势。

　　4）寿命，在浅充放条件下具有很长的循环寿命（比如4500次（70%DOD））

　　铅酸/铅炭电池的典型应用场景

　　近年来，锂离子电池发展速度非常快，给很多人一度造成了“铅酸电池落后应该被淘汰”的印象。然而实际上，随着铅炭电池技术的推出与改进，其核心竞争力：低廉的成本与较好的寿命使之在固定式储能、低速电动车、电动自行车等领域都取得不小的成果，成为了锂电等技术的强劲对手。

　　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领域，常要求电池具有功率密度较大，循环寿命长和价格较低等特点。铅炭电池在空间宽裕、成本要求高的场合竞争优势更大，而且相对来说一次投资成本较低。而锂电因为能量密度高、成本偏高，更适合用于一些对于空间有要求、成本相比下不那么敏感的场合，在分布式储能场合会更有发展。而对比其它储能技术，比如电容（储能密度很低，只能进行功率缓冲），液流电池（技术成熟度中等，体积明显偏大），铅炭技术在现阶段仍然具有良好的竞争实力。