淺談炭材料在鉛酸電池中的運用

鄧昕玥

湖南師范大學附屬中學

淺談炭材料在鉛酸電池中的運用

鄧昕玥

湖南師范大學附屬中學

在技術水平的發展下，鉛碳電池與超極電池誕生，這兩種電池是新型高功率的鉛酸電池，有著良好的性能，并大量采用了炭材料。在保持“外并”提高功率、延長電池壽命優點的同時，又能簡化電路，提高比能量，并降低總費用。本文主要針對炭材料在鉛酸電池中的運用進行分析。

炭材料 鉛酸電池 運用

炭材料在數十年前就在鉛酸電池中作為添加劑得到了廣泛使用，近些年，電動車上已經應用大量碳酸電池，其應用范圍也逐步發展到汽車上，這對電池的壽命也有了更高的要求。在超級電容器不斷發展的今天，科研工作者經過不斷地研究，將超級電容器和鉛酸電池進行了完美的融合，對炭原料的作用原理有了更深一步的了解，這些不斷研究的結果和發現都將極大的推動我國鉛炭電池和超級電池的發展，并加快實現電動節能時代的到來。本文綜述了炭材料在鉛酸電池中的應用，并對炭材料應用前景進行展望。

1 炭材料的種類及性質

為了便于對炭原料在鉛酸電池中應用的認識，首先要對碳原子的構造和特性有所了解。在碳原子的最外一層中具有4個電子,能夠組成四個共價鍵，其中金剛石、石墨、和石墨烯等都是碳的同素異形體。碳納米管也是新興的炭材料的一種，可以把它看作是由石墨片卷曲而成的空心圓柱體，它比石墨具有更為優良的導電性、更高的機械強度、以及更高的化學與生物活性。富勒烯是單質碳被發現的第三種同素異形體，富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環，而富勒烯中可能存在五元環。在富勒烯分子中所具備的特殊鍵合構造賦予了較多的獨特和新奇的特性，在光、電、醫學及化學等領域的研究中得到了普遍的使用。

2 鉛酸電池添加劑簡介

鉛酸電池內部的主要反應為：

充電：2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4（電解池）

放電：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O（原電池）

在反應過程中添加劑的加入是為了保證一系列反應能夠順利的進行。

在制造鉛酸電池過程中普遍會加入一定劑量的三種添加劑:炭黑、有機材料和硫酸鋇。添加劑的主要作用就是提升電池循環的壽命，增強電池的輸出效率。雖然在電極中添加劑所占的比例較小，但是能夠對電極的功能產生較大的影響。一般來說，炭黑的主要作用是增加極板孔隙率，限制有機膨脹劑的團聚，并改善電極電導率；在制造電池過程中加入一定劑量的有機添加劑就是為了實現膨脹劑的作用，有機添加劑能夠有效的約束顆粒變大和表面縮小；硫酸鋇的添加作用主要是在放電過程中保證硫酸鉛成核劑作用的實現。經過實驗發現，少量的炭黑能有效的改善電極的放電性能。近期也有研究表明，在電極內混入較多的炭粉、炭片或炭纖維能顯著提高極板的電導率。

此外，活性炭也是一種常用的電極添加劑，該種材料的應用可以有效提升電池內部的活性表面積與孔隙率，起著電解液的角色，可以有效改善電池的充電接受能力與循環壽命。有學者在NAM中增加了氧化銦，有效提升了氫過電位，延長了電池的循環壽命，在負極中應用氧化銦電池，將電池壽命延長了4倍以上，在充電與放電過程中可以組織PbSO4的積累。在石墨烯環中摻雜原子(N、P、B和S)的活性炭，在抑制析氫反應方面是一種很具前景的方法。通過二亞乙基三胺修飾制備氮摻雜活性炭(NAC)，由于氮原子比碳具有更強的電負性，摻雜在炭材料中的氮原子能吸引更多附近的電子，或更遠距離碳原子附近的電子，使碳原子缺失電子，減弱與氫的鍵強度。

3 炭原料對正負極板的作用

在任何一種普遍使用的的炭原料中，石墨相比其他原料具備更強的耐氧化性。據日本的研究報道，將石墨加入到鉛酸電池的正極材料中，既能增加放電的容量，還延長了電池的壽命。經過實驗，石墨加入正極材料后，不僅增加了電極的孔隙率，改善了酸性溶液對電極板的浸潤，同時滿足了電滲析作用的條件，帶來電解液的流動。

經過日本實驗研究，通過對負極添加一些炭原料能夠有效的增強電池功能。通常高效率放電的情況下，鉛炭電池不僅具有高功率的放電電壓，同時相比普通的鉛酸電池具有更大的容量。此外，因為活性炭的孔隙比較密集，并且具有低密度性，另外在鉛炭電池負極板中所使用的鉛含量比普通的鉛酸電池減少了30%，有效的減少了成本投入。雖然負極用鉛量減少了，但是儲存的電容量反而更高，由此可知活性炭的加入也有效地提高了鉛的利用率。

4 電容炭電極片的使用

“超級電池”又被稱之為微型石墨烯超級電容，屬于超級電容器和鉛酸電池相結合的應用產品，換句話說就是將具備高效率和使用周期長特點的雙電層電容器應用到鉛酸電池中，簡化電路，提高能量并降低費用。通過將電容炭電極和鉛負極采用并聯的方式，在大功率下進行充放電或脈沖放電時，具備大功率特點的電容炭電極會產生或者吸收較大電流，對流向鉛負極電流產生分流效應，降低了大功率電流密度對鉛負極造成的傷害。

5 總結及其展望

經過研究實踐證明，炭原料不僅可以作鉛酸電池正負極的添加劑，更加改善電池的充放電性能，有效地將鉛酸電池應用在新能源車輛上；也可用于新能源儲能領域，如風光發電儲能等。相信通過系統的、深入的研究，在交通運輸、通訊、軍工等方面均會有很好應用前景，并且通過提升技術，還可以成為一種綠色能源，使鉛酸蓄電池生產的污染得到有效控制，為“綠色”產業興起提供了廣闊的發展空間。

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