铅酸电池现状及发展

张永锋，俞越，张宾，赵俊，许卫疆，周青元，李泉

（艾诺斯（扬州）华达电源系统有限公司，江苏 扬州 225202）

0 引言

铅酸电池作为拥有 160 余年历史的化学电源，目前被广泛应用于通信、动力、电力、储能、应急等各个领域，具备有成熟的生产技术及高度的可靠性，同时由于生产成本低廉，环境适用性强，在经济社会发展的各个方面起着重要的作用。但是随着科学技术的发展，越来越多的新型电池投入市场，并且性能不断得到优化提升，使用范围不断扩大。最具代表性的为锂离子电池，具有重量体积比能量高，放电电压高，循环寿命长等优点。其应用领域已经从最初的便携式电子设备逐步扩展到动力、通信、储能、军用航天等，并逐渐地与铅酸电池的应用领域相重合，呈现出明显的竞争关系。一时间，铅酸电池将被锂电池取代，前景堪忧等观点盛行，铅酸电池该从何处突围，成为业界关心的话题。

1 性能参数对比

从表 1 可以看出，铅酸电池相对于锂离子电池来说，劣势在于电池的比能量偏低，循环寿命较短，同时在生产使用过程中有可能会造成重金属铅污染，但是它在生产成本、可维护性、回收效率及安全性能方面占有一定的优势。

表1 铅酸电池与锂电池主要性能参数对比表

2 应用领域分析

铅酸电池按最终用途可分为汽车摩托车起动型、电源动力型、固定型和储能型。其中，动力型铅酸电池在我国主要用于电动自行车、电动叉车、电动三轮车、低速电动车等应用领域，目前在整个铅酸电池产业中占比最大，达 40 % 以上。其次为汽车摩托车起动型铅酸电池，约占 27 %[1]。具体应用领域占比图 1 所示。

图1 铅酸电池应用领域占比

2.1 汽车摩托车起动

全球汽车保有量近年来持续保持稳定增长，预计 2020 年有望突破 15 亿辆，所以起动市场，尤其是起停电池市场，前景广阔。中国作为推动全球经济发展的中枢力量，在 2020 年预计汽车保有量为 3亿辆，市场规模约为 403 亿元，见图 2[1]。

图2 起动电池市场规模

目前铅酸电池在汽车起动领域近乎是无敌的存在，而锂离子电池还有很长的路要走。这主要取决于起动电池的使用环境和要求，其中主要原因有以下几点：

a) 关于成本要求，铅酸电池成本要比锂电池低一半，同时更换锂电池需要对充电用电系统进行更改，导致成本较高；

b) 关于低温大电流性能要求，起动电池要求在 -40 ℃下能够正常起动车辆，而锂离子电池（磷酸铁锂）低温大电流性能很差，很难满足西北和东北地区使用要求；

c) 关于安全性要求，起动电池一般位于机仓的发动机附近，处于高温且密闭的空间，同时锂离子电池受撞击后易燃易爆且会分解挥发有毒气体，这些均不利于锂电池的应用。

因此，起动领域作为铅酸电池的固有领域，目前相对于锂离子电池具有无可比拟的优势。

2.2 电源动力系统

目前，铅酸电池在电源动力方面受到了一定的冲击，例如电动自行车和电动叉车。2019 年末，中国电动自行车保有量接近 3 亿辆，新增 2707 万辆，同比增加 6.1 %，所以铅酸电池作为电动自行车用电池的主力军，市场规模接近 500 亿元。2018 年 5月 17 日，工信部科技司发布通知，批准公布了强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》（GB 17761－2018），对电动自行车的重量、车速、电机功率等做了要求。市场普遍预测，此标准将极大地促进锂电池在电动自行车上的应用，2021 年电动自行车用锂离子电池市场渗透率预计将从 2018 年的 10 % 提高至 15 % 左右[2]，见图 3。但是，挑战也是机遇，电动自行车电池如果在重量比能量方面更进一步，那么完全能够符合新的国家电动自行车标准，再加上其成本、维护、更换及安全方面的优势，还是可以面对锂电池建立其统治性的优势。国内已有厂家在电动自行车电池轻量化方面进行了深入研究，让其 12 V 20 Ah 电池重量达到 6.2 kg，并且要在 2023 年实现 20 Ah 电池净重突破 5.0 kg/只，使电池比能量达到 48 Wh/kg，力求完美匹配新国标明确提出的铅酸轻量高能的政策技改要求。

图3 锂离子电池电动车市场渗透率

锂离子电池近两年也开始进入到电动叉车领域，例如：比亚迪已推出自已的锂离子电动叉车辆；林德等其它电动叉车主机厂也在推进过程中。铅酸电池相对于锂离子电池，在电动叉车领域的优点有技术成熟，稳定性好，价格便宜，温度适用范围广，可现场更换，保养成本低，但缺点是充电时间长，充电时有酸性气体析出，部分荷电状态（PSOC）性能差，通常需要备用电池，寿命短，需要加水维护等。铅酸电池在电动叉车领域要保持目前的优势，需要针对劣势进行改进，在保持电池成本的情况下提高其免维护及快充性能。

2.3 储能电力系统

十三五期间，中国储能产业进入了快速发展时期。据 CNESA 全球储能项目库的不完全统计，截至2019 年 12 月底，中国已投运储能项目累计装机规模为 32.4 GW，其中电化学储能累计装机 1709.6 MW，并预计 2024 年可达到 30 GW，见图 4。国内电化学储系统中 98 % 使用的是铅酸或锂离子电池[3]。由图 5 所示 2018 年度国内已投运储能项目结构情况可以看出，锂离子电池在此领域已经有了比较大的优势。这得益于锂离子电池具有成本持续下降，能量密度高，寿命长，无记忆效应等优点。铅酸电池对比锂离子电池来说，主要优势还是在于价格和安全性能。虽然随着科技的进步，铅酸电池（铅炭）对锂电池的价格优势不如以前明显，但基于其高度安全性等自身的优势，在某些国内、外的微电网项目中，铅酸电池的市场还很大。从环境适应性、成本等综合角度来看，其比锂电池要更具有竞争力。着眼于未来，铅酸电池要在储能行业继续发展，还需要针对使用场合的特点，加大科研开发，在降低成本、增加寿命及 PSOC 性能方面更进一步。

图4 国内电化学储能累计装机容量

图5 2018 年度国内已投运储能项目结构

2.4 通信固定基站

通信固定基站用蓄电池是铅酸电池被锂电池抢占最多的领域。2016 年，锂电池仅占通信基站用蓄电池的 20 %，但从 2018 年起，依照国家政策导向，铁塔公司开始停止采购铅酸电池，转而统一采购梯次利用锂电池。尤其是，近年来随着 5G 基站的开建，基站能耗相对于 4G 基站有 3 倍的上升。另外，电池高密度布置，楼顶等位置承重有限等条件也需要小型化、高能量密度的储能系统予以支撑。因此，锂电池成为 5G 基站备用电源的首选。铅酸电池要想在基站电源市场重新崛起，需要在保持现有的优势下，采用轻型新材料及新技术，着重提高电池的能量密度及使用寿命。铅酸电池与锂电池比较如下表 3。

表3 基站用铅酸电池与锂电池（LFP）比较

其它特点：技术成熟、温度范围大、可在线浮充、安全性好、大电流深度放电性能差 无记忆效应、可大电流深度放电、适用于调峰、不能在线长时间浮充。

3 铅酸电池研究进展

3.1 新材料新工艺

目前国内外铅酸电池厂家和科研机构对铅酸电池开展了广泛的研究，主要集中在以下方面：

美国 Firefly 公司研发了以炭材料或石墨泡沫为基底的铅酸电池[4]。由碳泡沫制成板栅，并在板栅上粘贴活性材料。碳泡沫是一种由高纯载碳材料制成的复合材料，可被用于导弹的喷嘴和其他吸收能量的应用。它的孔隙率在 90 % 以上，所以密度很低（小于 0.04 g/cm3），而且它不受酸碱的侵蚀，并具有高导电性。碳泡沫对于电化学反应具有很高的表面积。由于碳的固有和惊人的性能和碳泡沫的3D 蜂窝结构，它有成千上万的微孔。与传统电池相比，Firefly 电池的循环寿命增加了 2～3 倍，并且它具有优异的高低温及快充能力（可 1C 充电），能源效率可达到 90 %。在 5C 放电 12 min 时，Firefly电池与传统电池极板红外成像如图 6 所示。图 6 显示出，Firefly 电池放电时电流分布更均匀，从而具有更高的活性物质利用率及较少的板栅腐蚀。

图6 5C 放电极板红外成像测试对比

美国 ABC 公司开发的双极性铅酸蓄电池已成功的推向市场，其在美国和中国均申请了相关专利，其开发的 GreenSeal®系列电池具有重量轻，能量密度高，可快速充电，冷起动性能优异等优点[5-6]（参见表 4）。相对于普通 VRLA 电池，电池重量比能量达到了 52 Wh/kg，充电时间可减少 50 %，循环寿命可增加 300 %，并且可 100 % 回收利用（参见图 7）。

表4 ABC GreenSea l电池与普通 VRLA 电池参数对比表

图7 2 小时率电池循环性能

Czerwi ski 等以网状玻璃碳（RVC）为基底[7-8]，在其表面电镀铅后作为板栅材料。结果表明，RVC/Pb 具有更大的比表面积，使板栅重量显著降低，而且与活性物质的接触面积更大。电池测试后发现，电池容量高，自放电速率低，循环寿命好。

Meyers Jeremy P 研究了分散性炭纳米管（dCNT）加入正极活性材料（PAM）中可延长电池寿命[9]。其功能是在活性物质与板栅之间形成一个保护边界，增强了接触界面的结合强度并改变了活性物质晶体形态，从而显著增加了极板的循环耐久能力。

国内沈浩宇等研究用以聚氨酯泡沫为原材料[10]，经玻璃炭化后制成的泡沫铅板栅用于铅酸电池的制备。该电池的比能量按新国标达到 43.5 Wh/kg，比普通电池提高了 14.5 %，同时其循环寿命超出标准要求 20.9 %，展现出良好的应用前景。

3.2 电池管理系统

电池管理系统（BMS）用于电池的监控和控制，通过内置主动均衡技术来提高电池的一致性。雄韬公司研发的 EnerSmart 智慧电池储能运维解决方案（BMS）[11]，具备远程监控、云端数据、告警服务、电池均衡控制、实时定位查询等功能，可根据相关检测数据发现整组电池中的落后单体，并采用均衡技术，保持整组电池中性能的一致性，从而延长电池的使用寿命。考虑到动力储能电池分布零散，使用无规律等特点，应重点在于系统的功耗降低、智能化及云端技术，为铅酸电池性能提高及寿命延长提供更加可靠的保证。

4 结论

为了有效应对锂电池等新型能源的竞争，铅酸电池急需在轻量化、长寿命、低成本、快充及PSOC 性能方面像 90 年代的 VRLA 技术一样再来次技术革命。例如：打破常规理念，采用泡沫等新型材料将板栅和活性物质融合在一起，板栅即是活性物质、活性物质即是板栅，不区分明显的边界；同时引入先进的 BMS 系统，从而有效地统一轻量化与寿命等其它性能之间的矛盾，提升铅酸电池的竞争能力。未来铅酸电池新技术必须借鉴其它学科如材料科学、电子技术、网络技术等先进技术及先进理念，将其引为己用，才能在未来日益激烈的竞争中有一席之地。