研究背景

铅酸蓄电池因廉价、安全可靠、工艺成熟、可资源循环再生而广泛应用于汽车启动、动力、储能、通信基站、电子等领域，是适用范围最广的一种电池。然而随着应用的发展，很多领域对电池性能提出了更高的要求，传统铅酸蓄电池的缺陷日益凸显。尤其在部分荷电态（partial state of charge，PSoC）工况下，如汽车启停(ISS)、微混合电动车（micro-HEVs）、电力调峰等，传统铅酸蓄电池因负极硫酸盐化失效模式（PCL-3）制约了其应用。通过在负极中添加电化学活性的炭材料提升电池性能成为研究的热点，但是对炭材料在负极中的作用机理尚未形成统一的认识，本文对造粒炭黑（CB）和活性炭(AC)添加到铅炭负极中进行了研究，并浅析其作用机理。

创新点及解决的问题

本文采用XRD对炭黑与活性炭进行微观晶体结构分析，并用SEM对其形貌及其表面电沉积铅后形成的铅炭结构进行对比分析，发现炭材料的石墨微晶（或类石墨微晶）结构与排布对铅在其表面结晶生长的形貌起模板控制作用，而通过对不同炭材料做成的铅炭电池性能测试发现，铅在炭表面的结晶结构对铅炭电池的充放电性能与循环性能有重要影响，这一发现为进一步研究铅炭电池工作机理提供了一个新的思路。

重点内容导读

1、炭材料的表征与结构分析

对造粒炭黑(CB)、活性炭（AC）、乙炔黑(参比电池用)进行XRD分析，结果表明三种炭材料在(002)晶面的衍射峰明显，均具有纳米尺寸范围内的典型类石墨层状结构特征，层间距在0.39 nm左右。AC比 CB的层间距小，晶体尺寸大，这可能是导致铅在活性炭表面形成的铅炭骨架比造粒炭黑的铅炭骨架更牢固、更紧密、电池性能更好的重要原因。SEM测试表明CB为纳米粒子聚集成的二次粒子颗粒，AC为类石墨微晶构成的无定形结构，乙炔黑为纳米颗粒。

2、铅炭电池性能测试

将CB、AC添加到负极做成铅炭电池，与普通VRLA（添加0.2%的乙炔黑）电池进行部分荷电态（PSoC）循环测试对比，结果表明，普通VRLA电池几个循环以后，充电电压迅速上升，充电接受能力快速下降，电池在30多个循环后就失效；添加CB或AC均能提高充电接受能力与循环性能，是普通VRLA电池循环性能的十几倍。改变炭材料的添加比例研究炭含量对电池性能的影响，结果表明随着炭含量的增加，充电电压均呈下降趋势，说明充电接受能力提升。AC电池比CB电池的充电电压更低，两种炭材料含量在2%左右均出现拐点，大于2%后下降平缓，最佳添加量为2%左右。

3、铅炭电极SEM分析

用SEM对化成后的负极板横断面进行形貌观察，结果显示两种炭均能镶嵌到海绵铅结构中形成铅炭结构。受CB影响形成的海绵铅呈颗粒状，而受AC影响的海绵铅结构呈明显片层状，用NH4AC对AC极板进行硫酸铅溶解后的SEM分析发现：极板化成与充电过程中Pb2+还原为金属Pb，除了在铅表面均相成核沉积外，同时在炭材料表面发生异相成核并在一定条件下优势结晶生长，这种优势生长能影响整体海绵铅结构，炭材料表面石墨微晶的结构与排布可能对这种优势生长起到模板控制作用从而构建出相应的铅炭结构。良好的铅炭结构能有效的分散电流密度、提高整体导电性并能阻挡硫酸铅的重结晶长大，最终获得优异的电池性能。

结论

将高比表面积的造粒炭黑与活性炭添加到负极后，均能形成铅炭结构，并明显的提升电池的LRPSoC循环性能，活性炭比炭黑提升性能更明显，充电接受能力更强；活性炭添加到负极后，在化成与充电过程中，铅能在其表面结晶生长，并与海绵铅构成整体骨架，炭材料的晶体结构对铅的结晶生长有类似于模板的作用，并将这种作用影响到整个负极海绵铅的结构，这种结构可能是获得优异性能的主要原因。