铅炭电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显着提高铅酸电池的寿命。铅炭电池是一种新型的超级电池，是将铅酸电池和超级电容器两者合一：既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能--90分钟就可充满电（铅酸电池若这样充、放，寿命只有不到30次）。而且由于加了碳（石墨烯），阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，更延长了电池寿命。

1、原理

美国宾夕法尼亚州的AxionPower公司研发的一种基于铅碳技术的新型蓄电池，也就是铅碳电池，就是将高比表面碳材料（如活性碳、活性碳纤维、碳气凝胶或碳纳米管等）掺入铅负极中，发挥高比表面碳材料的高导电性和对铅基活性物质的分散性，提高铅活性物质的利用率，并能抑制硫酸铅结晶的长大。原理和超级电池相似，它是另一类的超级电池。将碳材料加入到负极板中发挥其超级电容的瞬间大容量充电的优点，在高倍率充/放电期间起到缓冲器的作用，有效地保护负极板，抑制“硫酸盐化”现象。

2、结构

铅炭电池是将具有双电层电容特性的炭材料（C）与海绵铅（Pb）负极进行合并制作成既有电容特性又有电池特性的铅炭双功能复合电极（简称铅炭电极），铅炭复合电极再与PbO2正极匹配组装成铅炭电池。

铅碳电池是将非对称超级电容器与铅酸电池采用内并联方式两者合一的混合物，作为一种新型的超级电池，铅炭电池是将铅酸电池和超级电容器两者技术的融合，是一种既具有电容特性又具有电池特性的双功能储能电池。因此既发挥了超级电容瞬间功率性大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的能量优势，一个小时就可充满电。拥有很好的充放电性能。

3、研究历程

铅碳电池作是一种新型的超级电池，而超级电池的概念由澳大利亚联邦科学及工业研究组织（CSRIO）的L.TLam等人首先提出，2004年申请了“高性能储能装置”的专利，给出了超级电池铅电池电极和活性炭电容器共用一个二氧化铅正极的基本结构。

日本工作者在此基础上开始了超级蓄电池的研究和商业化开发工作，2007年4月该铅炭超级电池应用于混合动力车上，进行实车测试，2008年1月15日通过了10万英里（约160000km）的寿命测试，而电池状况仍然非常健康。

2006年，L.TLam博士及日本的研发团队发表了一系列的研究成果，介绍了超级蓄电池在部分荷电态大电流放电性能以及将超级蓄电池应用于微混和中度混合电动车的研究进展。

2007年，美国AxionPower申请了“用于混合储能装置的负极”和“混合储能装置机器制造方法”两项专利。

2012年，印度研究人员Saravanan等发表了双极耳超级蓄电池的研究成果，该蓄电池的负极一半是纯铅另一半是海绵状铅活性物质，研究结果显示放电功率和部分荷电状态的循环寿命均大幅提高。

4、应用

由于使用了铅炭技术，铅炭电池的性能远远优于传统的铅酸蓄电池，可应用于新能源车辆中，如：混合动力汽车、电动自行车等领域；也可用于新能源储能领域，如风光发电储能等。Lead-carbon电池具有与传统铅酸电池相近的低廉价格优势及成熟的工业制造基础，在各种应用领域有着极强的竞争力优势。

这种混合技术能够在车辆加速和制动期间快速地输出和输入电荷，特别适合于微混合动力车的“停止一启动”系统。铅碳电池可以提高原来铅酸蓄电池的功率，延长使用寿命。

5、特性

技术优势

铅炭电池是铅酸电池的创新技术，相比铅酸电池有着诸多优势。铅炭电池有以下优势：一是充电快，提高8倍充电速度；二是放电功率提高了3倍；三是循环寿命提高到6倍，循环充电次数达2000次；四是性价比高，比铅酸电池的售价有所提高，但循环使用的寿命大大提高了；五是使用安全稳定，可广泛地应用在各种新能源及节能领域。此外，铅炭电池也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能——90分钟就可充满电（铅酸电池若这样充、放，寿命只有不到30次）。而且由于加了碳（石墨烯），阻止了负极硫酸盐化现象，改善了电池失效的一个因素。

1、正负极铅膏采用独特的配方和优化的固化工艺。正极活性物质抗软化能力强，深循环寿命好，活性物质利用率高；负极铅膏抗硫化能力强，容量衰减率低，低温启动性能好。

2、正极板栅采用新型特制合金和合理的结构设计，抗腐蚀性能好，电流分布合理，与活性物质结合紧密，大电流性能和充电接受能力强。

3、采用新型电解液添加剂，电池的析氢、析氧过电位高，电池不易失水。

4、当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，抑制铅酸电池的“负极硫酸盐化”，有效地延长了电池使用寿命；

5、当电池处于长时间小电流工作时，主要由海绵铅负极工作，持续提供能量；

6、Lead-carbon超级复合电极高碳含量的介入，使电极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。

性能方面，铅炭电池同时具有铅酸电池和电容器的特点。活性炭的加入，提升了电池的功率密度，延长了循环寿命，同时由于活性炭占据了部分电极空间，导致能量密度降低，也可能增加电极析气量。在工艺方面，活性炭的加入，增加了调浆和极片涂布难度。总体而言，铅炭电池性能优于普通铅酸电池，是一种先进铅酸电池，也是铅酸电池技术发展的主流方向。

主要问题

铅炭电池铅酸电池能量密集度高，适合作为太阳能和风能储能的后备选项。铅炭电池的推广也面临着成本问题。铅炭电池的成本费用需要降低成本至每千瓦小时150-200美元才可行。

1.高碳铅酸电池的炭材料添加量为4%以上，对于普通的铅酸电池，碳材料的添加量为0.2%以下。那么对于铅炭电池碳材料的最佳添加量是一个有待探讨的问题。

2.铅粉和碳材料的混合，以何种方式加入才能使碳材料与铅粉均匀混合，且能够保证负极铅-炭混合材料涂膏的稳固性，极板和铅膏的结合能力，达到保证负极板的强度要求。

3.在进行外化成后，负极板表面有炭材料析出，出现板栅膨胀变形现象。

4.炭材料的加入会加剧负极析氢问题，使蓄电池失水严重，免维持性能降低，导致蓄电池失效模式发生改变。

5.炭材料和铅粉密度相差非常大，添加后负极板的孔隙率大幅度上升，负极易被氧化。

解决方案

这电池技术的进一步研究都至关重要，在材料、设计和工程系统上的改进和成本上的降低都是很必要的。

1.若要使铅炭电池具有超级电容的效果，炭材料的添加量一定要大于4%，国内外研究表明炭材料的添加量可以达到10%——20%。

2.若保证负极铅-炭混合材料涂膏的稳固性、极板和铅膏的结合能力，必须加入适用于铅酸电池的粘结剂，例如PTFE,CMC,氯丁橡胶等。

3.要保证负极板的强度，首先在和膏时要保证铅膏湿密度，铅膏湿密度在4.2——4.5g/cm3最佳。加入适量粘结剂或短纤维，采用机器涂膏以增加涂膏压力都可以达到保证极板强度的目的。

4.为防止化成时炭材料的损失和板栅膨胀变形，可以采用内化成工艺，注意内化成的电流设计工艺应适当进行调整。

5）对于负极析氢问题，可以向负极活性物质中添加适量的抑制析氢添加剂，例如氧化银，锌的化合物等。

6）在防止负极氧化方面，可以采取内化成工艺：若是做外化成，则要适当延长无氧干燥时间。

6、发展前景

铅炭电池是铅酸蓄电池领域最先进的技术，也是国际新能源储能行业的发展重点，具有非常广阔的应用前景。储能电池技术是制约新能源储能产业发展的关键技术之一。光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域，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、锂离子电池和液流电池是新能源储能电池的三大发展方向。

其中，锂电成本相对较高，一致性问题也仍然存在；液流电池成本也很高；而铅炭电池是相对实际可行的储能技术路线。普通铅酸电池具有低成本优势，但其循环寿命短的缺点，导致单位次数储能成本较高。铅炭电池由于加入了活性炭，阻止了负极硫酸盐化现象，延长了电池寿命，同时也降低了单位次数使用成本，在新能源储能领域发展潜力很大。

铅炭电池在部分荷电态下循环寿命和功率性充放电性能方面得到大幅提高，再加上成本等优势，大大提高了铅炭技术在各类储能系统中的应用。

中国仍然处于储能产业化的初级阶段，处于多种储能技术并存的状态，不论是铅炭电池、锂电池和液流电池等，在不同的应用领域会有不同的优势，主流储能技术将由市场选择。