浅谈炭材料在铅酸电池中的运用

邓昕玥

湖南师范大学附属中学

浅谈炭材料在铅酸电池中的运用

邓昕玥

湖南师范大学附属中学

在技术水平的发展下，铅碳电池与超极电池诞生，这两种电池是新型高功率的铅酸电池，有着良好的性能，并大量采用了炭材料。在保持“外并”提高功率、延长电池寿命优点的同时，又能简化电路，提高比能量，并降低总费用。本文主要针对炭材料在铅酸电池中的运用进行分析。

炭材料 铅酸电池 运用

炭材料在数十年前就在铅酸电池中作为添加剂得到了广泛使用，近些年，电动车上已经应用大量碳酸电池，其应用范围也逐步发展到汽车上，这对电池的寿命也有了更高的要求。在超级电容器不断发展的今天，科研工作者经过不断地研究，将超级电容器和铅酸电池进行了完美的融合，对炭原料的作用原理有了更深一步的了解，这些不断研究的结果和发现都将极大的推动我国铅炭电池和超级电池的发展，并加快实现电动节能时代的到来。本文综述了炭材料在铅酸电池中的应用，并对炭材料应用前景进行展望。

1 炭材料的种类及性质

为了便于对炭原料在铅酸电池中应用的认识，首先要对碳原子的构造和特性有所了解。在碳原子的最外一层中具有4个电子,能够组成四个共价键，其中金刚石、石墨、和石墨烯等都是碳的同素异形体。碳纳米管也是新兴的炭材料的一种，可以把它看作是由石墨片卷曲而成的空心圆柱体，它比石墨具有更为优良的导电性、更高的机械强度、以及更高的化学与生物活性。富勒烯是单质碳被发现的第三种同素异形体，富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。在富勒烯分子中所具备的特殊键合构造赋予了较多的独特和新奇的特性，在光、电、医学及化学等领域的研究中得到了普遍的使用。

2 铅酸电池添加剂简介

铅酸电池内部的主要反应为：

充电：2PbSO4+2H2O=PbO2+Pb+2H2SO4（电解池）

放电：PbO2+Pb+2H2SO4=2PbSO4+2H2O（原电池）

在反应过程中添加剂的加入是为了保证一系列反应能够顺利的进行。

在制造铅酸电池过程中普遍会加入一定剂量的三种添加剂:炭黑、有机材料和硫酸钡。添加剂的主要作用就是提升电池循环的寿命，增强电池的输出效率。虽然在电极中添加剂所占的比例较小，但是能够对电极的功能产生较大的影响。一般来说，炭黑的主要作用是增加极板孔隙率，限制有机膨胀剂的团聚，并改善电极电导率；在制造电池过程中加入一定剂量的有机添加剂就是为了实现膨胀剂的作用，有机添加剂能够有效的约束颗粒变大和表面缩小；硫酸钡的添加作用主要是在放电过程中保证硫酸铅成核剂作用的实现。经过实验发现，少量的炭黑能有效的改善电极的放电性能。近期也有研究表明，在电极内混入较多的炭粉、炭片或炭纤维能显著提高极板的电导率。

此外，活性炭也是一种常用的电极添加剂，该种材料的应用可以有效提升电池内部的活性表面积与孔隙率，起着电解液的角色，可以有效改善电池的充电接受能力与循环寿命。有学者在NAM中增加了氧化铟，有效提升了氢过电位，延长了电池的循环寿命，在负极中应用氧化铟电池，将电池寿命延长了4倍以上，在充电与放电过程中可以组织PbSO4的积累。在石墨烯环中掺杂原子(N、P、B和S)的活性炭，在抑制析氢反应方面是一种很具前景的方法。通过二亚乙基三胺修饰制备氮掺杂活性炭(NAC)，由于氮原子比碳具有更强的电负性，掺杂在炭材料中的氮原子能吸引更多附近的电子，或更远距离碳原子附近的电子，使碳原子缺失电子，减弱与氢的键强度。

3 炭原料对正负极板的作用

在任何一种普遍使用的的炭原料中，石墨相比其他原料具备更强的耐氧化性。据日本的研究报道，将石墨加入到铅酸电池的正极材料中，既能增加放电的容量，还延长了电池的寿命。经过实验，石墨加入正极材料后，不仅增加了电极的孔隙率，改善了酸性溶液对电极板的浸润，同时满足了电渗析作用的条件，带来电解液的流动。

经过日本实验研究，通过对负极添加一些炭原料能够有效的增强电池功能。通常高效率放电的情况下，铅炭电池不仅具有高功率的放电电压，同时相比普通的铅酸电池具有更大的容量。此外，因为活性炭的孔隙比较密集，并且具有低密度性，另外在铅炭电池负极板中所使用的铅含量比普通的铅酸电池减少了30%，有效的减少了成本投入。虽然负极用铅量减少了，但是储存的电容量反而更高，由此可知活性炭的加入也有效地提高了铅的利用率。

4 电容炭电极片的使用

“超级电池”又被称之为微型石墨烯超级电容，属于超级电容器和铅酸电池相结合的应用产品，换句话说就是将具备高效率和使用周期长特点的双电层电容器应用到铅酸电池中，简化电路，提高能量并降低费用。通过将电容炭电极和铅负极采用并联的方式，在大功率下进行充放电或脉冲放电时，具备大功率特点的电容炭电极会产生或者吸收较大电流，对流向铅负极电流产生分流效应，降低了大功率电流密度对铅负极造成的伤害。

5 总结及其展望

经过研究实践证明，炭原料不仅可以作铅酸电池正负极的添加剂，更加改善电池的充放电性能，有效地将铅酸电池应用在新能源车辆上；也可用于新能源储能领域，如风光发电储能等。相信通过系统的、深入的研究，在交通运输、通讯、军工等方面均会有很好应用前景，并且通过提升技术，还可以成为一种绿色能源，使铅酸蓄电池生产的污染得到有效控制，为“绿色”产业兴起提供了广阔的发展空间。

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