铅碳电池工作原理分析
来源：宝鄂实业
2019-05-12 18:31
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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碳粒子，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：这些碳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）通过碳的电容效应，提高电池的容量和功率特性。
基于以上几点优点，铅碳电池通过加入碳，有效抑制了负极的硫酸盐化趋势，使得电池寿命明显提升。不仅如此，铅碳电池的生产工艺相比于传统铅酸电池并无本质区别，不需改变现在已经成熟的工艺，生产容易实现规模化，尤其对于储能电池长寿命、低成本方面的要求。
对于铅碳电池来说，加入的碳的种类有很多种：炭黑、活性炭、石墨烯、石墨、碳纤维、碳纳米管均可。而它们的主要优点/能为铅碳电池提供的主要功能有：1）导电导热；2）网络孔隙结构，提供反应所需比表面积以及双电层电容。可以说，铅碳电池的发展给了碳材料家族一个施展才华的舞台，但是如何在性能提升与成本控制上寻找一个平衡点，可能是在铅碳电池中应用高级碳材料的一个需要注意的问题。此外，碳材料加入也是需要控制量的，过多的碳材料加入会导致极板活性物质脱落等一系列问题。
工作与性能特点
铅碳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，而且碳本身具有良好的导电性、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：电容碳材料起“缓冲”作用。当铅碳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碳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碳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））
市场定位与技术分析：铅碳PK锂电PK其它？
铅酸/铅碳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，随着铅碳电池技术的推出与改进，其核心竞争力：低廉的成本（0.6~0.8rmb/Wh）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。
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。铅碳电池在空间宽裕、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），铅碳技术在现阶段仍然具有良好的竞争实力。
铅碳电池用于固定式储能
2）交通工具储能方面，铅碳电池的主要竞争优势在于成本低廉、性能稳定、安全性佳。A、成本低廉使其在低速电动车等中低端市场上一直占有优势，虽然国家有推广锂电的想法，但是毕竟市场规律更需要尊重。B、性能稳定使得铅碳电池在高、低温等极端条件下一直可以提供可靠的保障，比如汽车启停电源要在-20℃下能够输出大电流，而锂电池的低温性能则一直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强调都不为过，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明显优势。
