提高鉛酸蓄電池質(zhì)量比能量的方法

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)提高鉛酸蓄電池質(zhì)量比能量的方法趙萬全，馮偉，郭玉東（江蘇華富儲能新技術(shù)發(fā)展有限公司，江蘇 揚州 ）摘要：本文綜述了蓄電池的原理和容量設計方法。討論了提高鉛酸蓄電池比能量的先進方法并對未來蓄電池產(chǎn)品的發(fā)展進行了展望。關(guān)鍵詞：蓄電池；比能量The Method to Improve Battery Special EnergyAbstract：The principle and capacity design are reviewed in the article. The

2、 advanced method to improve battery special energy is discussed, and the development of battery is forecated.Key words：battery; special energy世界上任何一種科研成果都不是某一個人的異想天開。實際上，每個科研成果的形成都凝結(jié)了眾多科學工作者的智慧和汗水。當有人能夠真正理解某種成果的基本原理并將其轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品公之于眾時，他才能成為某項成果及產(chǎn)品的發(fā)明者。鉛酸蓄電池亦是如此。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，特別是上世紀七十年代以來，蓄電池技術(shù)得到長足發(fā)展，蓄電池產(chǎn)品也日臻豐

3、富。目前限制蓄電池應用的瓶頸主要是其比能量較低，雖然這是由鉛的原子量決定的，但很多蓄電池廠和科研人員還在努力提高其比能量。提高鉛酸蓄電池的比能量的核心之一是提高蓄電池活性物質(zhì)利用率，使電極表面及內(nèi)部有更多的活性物質(zhì)能參與充放電反應。在正負極活性物質(zhì)中，構(gòu)成骨架的微結(jié)構(gòu)部分和負責產(chǎn)能的微結(jié)構(gòu)部分的比例對電池的容量和循環(huán)壽命具有很大的影響。因此，必須不斷優(yōu)化蓄電池生產(chǎn)工藝，完善活性物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成，提高其利用率。1鉛酸蓄電池的比能量鉛酸蓄電池總體反應方程式為：Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O （式1）電池中參與反應的活性物質(zhì)包括Pb、PbO2、H2O和H2SO4。這些

4、參與反應的物質(zhì)的總質(zhì)量（PLAC）為：PLAC =(207.2)Pb +(239.2)PbO2 + (196)2H2SO4+ (32)2H2O=674.4g （式2） 也有一些研究人員不把水算在里面，這樣的話PLAC =624.4g。根據(jù)法拉第定律，兩克當量的活性物質(zhì)將產(chǎn)生的電量為：Q=2(96500/3600) C=53.61Ah （式3）電池的比能量有可以分為重量比能量和體積比能量，其中重量比能量更為常用，其理論計算過程如下：假設在1mol/L的酸（Ee=2.040V）中進行恒電壓放電，并且各組分完全反應的話，則理論比能量ES等于：ES=(53.612.040)/0.6744=162Wh/

5、kg （式4）如果不把水算在里面的話，ES=170.2 Wh/kg。有些時候，放電電壓設定為2.0V，則比能量值為167 Wh/kg。比能量值為理論計算值，而實際鉛酸蓄電池產(chǎn)品的比能量卻達不到這么高的值。一般，富液式蓄電池的比能量為46 Wh/kg，VRLA蓄電池的比能量為4042 Wh/kg，而先進鉛酸蓄電池的比能量可以達到50wh/kg以上。2鉛酸蓄電池容量設計鉛酸蓄電池的容量以安時（Ah）表示。為滿足市場對電池容量的要求，蓄電池設計之初就需要對容量進行合理的計算和驗證。滿足蓄電池容量要求的設計方式主要有兩種：（1）犧牲重量滿足容量隨著蓄電池容量要求的不斷增加，采用增加活性物質(zhì)的方式來提高

6、蓄電池增加容量的要求。這種方法是比較容易被理解和采納的，也是較為“原始的做法”。這種方法的好處是可以很簡單地滿足市場需求。但其缺點顯而易見：首先，電池的重量明顯上升，比能量下降。增加活性物質(zhì)的量勢必會提高每片極板的活性物質(zhì)量（涂膏量），這樣一來，極板的板柵/活性物質(zhì)界面參數(shù)（）就會明顯增加。值的增加會造成活性物質(zhì)利用率降低，電池的比能量下降。其次，引起電池局部過熱，增加能量損失。值增加之后，電池板柵單位面積承載的活性物質(zhì)量增加，造成局部電阻過大，會引起極板的極化增加，造成電池在充電時發(fā)熱量的增加。這會使蓄電池存在明顯的隱患，并引起不必要的能量損失。第三，增加涂膏量還會使增加蓄電池的生產(chǎn)成本和維

7、護成本。由此可見，單純的增加活性物質(zhì)量、提高電池重量，用犧牲重量來實現(xiàn)電池容量增加的方法是不可行的。這種方法會使大容量鉛酸蓄電池的比能量呈指數(shù)下降。（2）技術(shù)創(chuàng)新提高活性物質(zhì)利用率蓄電池的放電過程是化學能轉(zhuǎn)化為電能的過程，而電化學反應是在蓄電池的極板上進行的。因此提高蓄電池容量的可行方法是在提高活性物質(zhì)利用率的基礎上，合理設計極板的涂膏量，將極板值穩(wěn)定在合理范圍。提高活性物質(zhì)利用率的優(yōu)點是：首先，降低蓄電池極化，減小放熱?；钚晕镔|(zhì)利用率提高，會使極板在充放電時的電流密度分布更加均勻，避免電池不同部位的電位差，減小電池的極化。同時會降低極板的電阻，減小電池在充電時的放熱反應，提高蓄電池的充電接受

8、能力。其次，提高活性物質(zhì)利用率，可以有效提高蓄電池的比容量。蓄電池容量的增加不與重量增加成線性關(guān)系，避免蓄電池的過重設計，便于蓄電池的安裝、維護和使用。滿足人們希望使用重量輕、比能量大、維護方便的蓄電池產(chǎn)品的要求。但提高活性物質(zhì)利用率對研發(fā)和設計人員的技術(shù)水平提出了更高的要求，需要科研人員不斷地努力、創(chuàng)新。3提高鉛酸蓄電池比能量的方法提高鉛酸蓄電池比能量，在滿足容量的前提下不斷減輕蓄電池的重量是蓄電池先進技術(shù)的體現(xiàn)?？傮w看來，主要致力于以下方面的研發(fā)和改進：（1）活性物質(zhì)利用率的提高蓄電池中參與電化學反應的正負極活性物質(zhì)分別為PbO2及海綿狀Pb。通過先進的生產(chǎn)工藝和加入添加劑可以有效提高蓄電

9、池的活性物質(zhì)利用率。高溫固化區(qū)別于現(xiàn)行固化工藝的有效方法之一，通過先進的固化工藝可以使極板活性物質(zhì)的晶粒更加細密，有利于極板的內(nèi)化成，避免極板的PCL效應及極化，提高腐蝕層的穩(wěn)定性和板柵/活性物質(zhì)的結(jié)合力。同時會增加正極板中四堿式硫酸鉛晶核的含量，提高蓄電池的綜合性能。此外，新型添加劑的應用也可以有效提高鉛酸蓄電池的活性物質(zhì)利用率。近幾年來，除了傳統(tǒng)的短纖維、石墨、乙炔黑等添加劑，碳納米管、碳纖維、石墨烯、導電聚合物等新型添加劑的應用極大地改善了蓄電池極板的活性物質(zhì)利用率，“超級電池”、鉛碳混合電池等新產(chǎn)品應運而生，成為了先進蓄電池技術(shù)的體現(xiàn)。（2）先進的板柵設計和開發(fā)板柵是鉛酸蓄電池極板中承

10、載活性物質(zhì)的部分，同時還起到傳遞電流的作用。因此，板柵的設計是否合理，也決定了蓄電池的比能量值。閥控密封式鉛酸蓄電池的板柵合金主要為Pb-Ca-Sn合金和Pb-Ca合金等，Pb-Ca合金的主要優(yōu)點是失水少，可以實現(xiàn)蓄電池的免維護，但卻無法避免蓄電池的“無銻效應”，會帶來早期容量衰減（PCL-1）效應。然而，隨著最近稀土合金板柵的誕生，這一問題得到了巨大的改善。將稀土元素參雜或覆蓋到Pb-Ca-Sn及Pb-Ca合金表面可以有效地避免蓄電池PCL-1效應。此外，稀土合金板柵還能有效提高板柵的析氫電位，減小電池的失水，提高蓄電池的綜合壽命。（3）新型電解液的研究閥控密封式鉛酸蓄電池所用電解液分為兩類

11、，一類是稀硫酸電解液，另一類是膠體電解液。使用膠體電解液的蓄電池被稱為“膠體蓄電池”。與普通鉛酸蓄電池相比，膠體蓄電池的低溫性能和得到極大提升，失水率明顯降低，但在常溫下其功率輸出不如普通鉛酸蓄電池?？蒲腥藛T一直致力于研發(fā)新型膠體電解液，使膠體蓄電池在保留原有優(yōu)勢的基礎上，在放電性能上趕超普通蓄電池。研究發(fā)現(xiàn)，通過導電添加劑、離子液體及有機高分子添加劑的使用，可以有效提高膠體蓄電池的充放電性能，提高蓄電池電化學反應速率，改變電解液中硫酸的二次電離度，提高蓄電池的比能量。4結(jié)論與展望隨著社會發(fā)展和科技進步，人們要求鉛酸蓄電池必須滿足一系列的使用要求：容量更大、高功率和能量輸出、溫度使用范圍寬（-2575oC）、長使用壽命（515年）、耐儲存、低自