淺談炭材料在鉛酸電池中的運(yùn)用

鄧昕玥

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)

淺談炭材料在鉛酸電池中的運(yùn)用

鄧昕玥

湖南師范大學(xué)附屬中學(xué)

在技術(shù)水平的發(fā)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(zhǎng)電池壽命優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，又能簡(jiǎn)化電路，提高比能量，并降低總費(fèi)用。本文主要針對(duì)炭材料在鉛酸電池中的運(yùn)用進(jìn)行分析。

炭材料 鉛酸電池 運(yùn)用

炭材料在數(shù)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(dòng)車上已經(jīng)應(yīng)用大量碳酸電池，其應(yīng)用范圍也逐步發(fā)展到汽車上，這對(duì)電池的壽命也有了更高的要求。在超級(jí)電容器不斷發(fā)展的今天，科研工作者經(jīng)過(guò)不斷地研究，將超級(jí)電容器和鉛酸電池進(jìn)行了完美的融合，對(duì)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(jié)果和發(fā)現(xiàn)都將極大的推動(dòng)我國(guó)鉛炭電池和超級(jí)電池的發(fā)展，并加快實(shí)現(xiàn)電動(dòng)節(jié)能時(shí)代的到來(lái)。本文綜述了炭材料在鉛酸電池中的應(yīng)用，并對(duì)炭材料應(yīng)用前景進(jìn)行展望。

1 炭材料的種類及性質(zhì)

為了便于對(duì)炭原料在鉛酸電池中應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，首先要對(duì)碳原子的構(gòu)造和特性有所了解。在碳原子的最外一層中具有4個(gè)電子,能夠組成四個(gè)共價(jià)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(yōu)良的導(dǎo)電性、更高的機(jī)械強(qiáng)度、以及更高的化學(xué)與生物活性。富勒烯是單質(zhì)碳被發(fā)現(xiàn)的第三種同素異形體，富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似，但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán)，而富勒烯中可能存在五元環(huán)。在富勒烯分子中所具備的特殊鍵合構(gòu)造賦予了較多的獨(dú)特和新奇的特性，在光、電、醫(yī)學(xué)及化學(xué)等領(lǐng)域的研究中得到了普遍的使用。

2 鉛酸電池添加劑簡(jiǎn)介

鉛酸電池內(nèi)部的主要反應(yīng)為：

充電：2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4（電解池）

放電：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O（原電池）

在反應(yīng)過(guò)程中添加劑的加入是為了保證一系列反應(yīng)能夠順利的進(jìn)行。

在制造鉛酸電池過(guò)程中普遍會(huì)加入一定劑量的三種添加劑:炭黑、有機(jī)材料和硫酸鋇。添加劑的主要作用就是提升電池循環(huán)的壽命，增強(qiáng)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?qū)﹄姌O的功能產(chǎn)生較大的影響。一般來(lái)說(shuō)，炭黑的主要作用是增加極板孔隙率，限制有機(jī)膨脹劑的團(tuán)聚，并改善電極電導(dǎo)率；在制造電池過(guò)程中加入一定劑量的有機(jī)添加劑就是為了實(shí)現(xiàn)膨脹劑的作用，有機(jī)添加劑能夠有效的約束顆粒變大和表面縮?。涣蛩徜^的添加作用主要是在放電過(guò)程中保證硫酸鉛成核劑作用的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(nèi)混入較多的炭粉、炭片或炭纖維能顯著提高極板的電導(dǎo)率。

此外，活性炭也是一種常用的電極添加劑，該種材料的應(yīng)用可以有效提升電池內(nèi)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(huán)壽命。有學(xué)者在NAM中增加了氧化銦，有效提升了氫過(guò)電位，延長(zhǎng)了電池的循環(huán)壽命，在負(fù)極中應(yīng)用氧化銦電池，將電池壽命延長(zhǎng)了4倍以上，在充電與放電過(guò)程中可以組織PbSO4的積累。在石墨烯環(huán)中摻雜原子(N、P、B和S)的活性炭，在抑制析氫反應(yīng)方面是一種很具前景的方法。通過(guò)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(qiáng)的電負(fù)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(yuǎn)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(qiáng)度。

3 炭原料對(duì)正負(fù)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(qiáng)的耐氧化性。據(jù)日本的研究報(bào)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(zhǎng)了電池的壽命。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，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(duì)電極板的浸潤(rùn)，同時(shí)滿足了電滲析作用的條件，帶來(lái)電解液的流動(dòng)。

經(jīng)過(guò)日本實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)負(fù)極添加一些炭原料能夠有效的增強(qiáng)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(shí)相比普通的鉛酸電池具有更大的容量。此外，因?yàn)榛钚蕴康目紫侗容^密集，并且具有低密度性，另外在鉛炭電池負(fù)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(fù)極用鉛量減少了，但是儲(chǔ)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(jí)電池”又被稱之為微型石墨烯超級(jí)電容，屬于超級(jí)電容器和鉛酸電池相結(jié)合的應(yīng)用產(chǎn)品，換句話說(shuō)就是將具備高效率和使用周期長(zhǎng)特點(diǎn)的雙電層電容器應(yīng)用到鉛酸電池中，簡(jiǎn)化電路，提高能量并降低費(fèi)用。通過(guò)將電容炭電極和鉛負(fù)極采用并聯(lián)的方式，在大功率下進(jìn)行充放電或脈沖放電時(shí)，具備大功率特點(diǎn)的電容炭電極會(huì)產(chǎn)生或者吸收較大電流，對(duì)流向鉛負(fù)極電流產(chǎn)生分流效應(yīng)，降低了大功率電流密度對(duì)鉛負(fù)極造成的傷害。

5 總結(jié)及其展望

經(jīng)過(guò)研究實(shí)踐證明，炭原料不僅可以作鉛酸電池正負(fù)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(yīng)用在新能源車輛上；也可用于新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域，如風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能等。相信通過(guò)系統(tǒng)的、深入的研究，在交通運(yùn)輸、通訊、軍工等方面均會(huì)有很好應(yīng)用前景，并且通過(guò)提升技術(shù)，還可以成為一種綠色能源，使鉛酸蓄電池生產(chǎn)的污染得到有效控制，為“綠色”產(chǎn)業(yè)興起提供了廣闊的發(fā)展空間。

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