长循环寿命、高能量密度的铅碳电池构建与研究.pdf
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1、0引言我国近20年来在新能源和可再生能源的开发利用方面取得了长足进步,这些能源已成为现代能源系统中必不可少的重要组成部分,动力用的阀控密封型铅酸电池和储能用阀控密封胶体铅酸电池均是新能源的发展方向。如果要将这些新能源产生的电能储存下来并运用于人们的日常生产与生活中,则需要电池作为重要的枢纽;电站要将新能源产生的电能,稳定、持续地供给用户,需要储能电的调峰与调频。传统的铅酸电池无法满足长时间、大倍率放电的需求,原因在于该电池在此条件下,其负极会发生不可逆硫酸盐化,导致电池的容量急剧降低、循环寿命显著降低。因此,需要优化铅酸电池,特别是降低其负极性质1。铅酸电池与锂离子电池相比,具有更高的安全性、
2、稳定性、经济性及环保性,因此性能更高的铅酸电池具有极大的发展空间,其填补了我国长循环寿命、高能量密度铅酸电池发展的空白,是我国实现新能源战略的主要方向。本文主要论述发展长循环寿命、高能量密度的铅碳电池的重要性,研究碳材料在铅酸电池中的应用及铅酸电池的关键技术,为其形成更成熟、先进、适用的清洁生产技术与新工艺,实现高性价比、高安全性以及高比能量铅酸电池技术攻关和应用推广提供参考。1发展长循环寿命、高能量密度铅酸电池的重要性广西河池市是产铅大市,丰富的矿产资源为河池铅蓄电池产业的稳定发展提供了良好的物质基础。同时,铅资源再生属于循环经济领域的研究范畴,废铅酸电池回收是国家鼓励发展的行业。依托产业园
3、区有色金属冶炼及深加工特色产业,通过延长产品链、延伸产业链,培育区域经济发展新的增长点。大力发展新能源汽车产业是我国当前重要的战略规划之一。首先,我国必须采取措施降低原油进口依赖,以应对能源危机,新能源汽车成为必选项。我国原油依存度高达48%,其中60%用于交通。同时,我国是全球第二大CO2排放国,其中汽车尾气排放的CO2占我国CO2排放总量的15.9%。应用于电动助力车、电动道路车辆和牵引用车辆的铅酸电池,属于新能源范畴,符合我国节能减排需要。*河池市本级科技计划项目“长寿命高性能铅酸电池工艺技术研究及产业化”(河科AB200601)。【作者简介】黄耀思,男,广西河池人,本科,任职于河池市科
4、学技术情报研究所,高级工程师,从事能源化工、有色金属研发和科技服务工作;陈俊,男,广西河池人,硕士,任职于河池市科学技术情报研究所,助理工程师,从事电池材料、电池、金属材料等研发和科技服务工作;韦乾坤,男,广西环江人,本科,任职于河池市科学技术情报研究所,助理工程师,从事金属材料、新能源材料、电池等研发和科技服务工作;尹骞,男,本科,任职于广西鑫锋新能源科技有限公司,生产技术部经理,助理工程师,从事铅酸动力电池、储能电池的研发和生产技术工作;庞亚浩,男,河北临城人,任职于河池市科学技术情报研究所,助理工程师,从事能源化工、生物化工等研发和科技服务工作。【引用本文】黄耀思,陈俊,韦乾坤,等.长循
5、环寿命、高能量密度的铅碳电池构建与研究 J.企业科技与发展,2023(6):39-41,58.长循环寿命、高能量密度的铅碳电池构建与研究*黄耀思1,陈俊1,韦乾坤1,尹骞2,庞亚浩1(1.河池市科学技术情报研究所,广西 河池 547099;2.广西鑫锋新能源科技有限公司,广西 河池 547099)摘要:随着科技的不断进步,新能源电池技术迎来突破和创新,各种新能源电池不断问世。但是,各种新能源电池在面对新的使用要求时都表现出了一定的不足与缺陷。长循环寿命、高能量密度的铅碳电池具有极大的发展空间,也有着更高的安全性、稳定性和经济性,研究攻关和应用推广此项技术及产品是我国实施新能源战略的主要方向。文
6、章总结了国内铅酸电池的发展情况,分析长循环寿命高能量密度铅酸电池的关键技术问题,并对新型铅酸电池未来的发展做了展望。关键词:新能源;长循环寿命;高能量密度;铅碳电池中图分类号:TM912.1文献标识码:A文章编号:1674-0688(2023)06-0039-04企业科技创新黄耀思,陈俊,韦乾坤,等.长循环寿命、高能量密度的铅碳电池构建与研究392我国铅酸电池发展应用情况19世纪中叶研发的开口式铅酸电池,为人类提供了一种物美价廉的直流电源,铅酸电池与其他类型的电池相比,具有工作电压高和可大电流脉冲放电的优势。但是,传统的开口式铅酸电池存在寿命短、充电时间长、容量小、抗震性差、易损坏、交变放电性
7、差及污染环境等缺点。我国对铅碳电池的研究起步较晚,但近年相关技术取得了长足进步。例如,江苏双登集团有限公司研制的铅碳储能电池在新疆克洲离网光伏电站户用工程项目中成功应用,用量超过20 MWh;100 kW铅碳混合储能系统用于上海城市智网示范;铅碳起停电池在国家“强基工程”项目中获得支持,该电池已成功应用于特种车辆,起停寿命达 16万次以上,并经过德国“博世系统”的标定。浙江南都电源动力股份有限公司研制的“铅碳超级电池”赢得了多个示范工程项目的中标应用,同时该产品获得了国家“强基工程”项目的资金资助。天能电池集团股份有限公司研制的“铅碳超级电池”已在低速电动车上试用成功,充电时间由8 h缩短至3
8、 h(最快1 h),循环耐久能力由 4 万次提高到 10 万次,可跑 10 万 km以上,铅碳起停电池循环寿命已达 13万次。山东圣阳电源股份有限公司在北麂岛 1.274 MW 光伏发电储能系统中采用了铅碳电池,并计划与日本古河电池公司合作,在我国使用“古河”铅碳等电池技术筹建储能电池工厂。超威电源集团有限公司先后开发了电动助力车的石墨烯系列铅碳电池和电力储能用铅碳电池2。研发铅酸电池和发展相关生产企业,除了要扩大市场份额,更重要的是要向高端技术领域延伸,加强研发投入,优先发展技术含量高、利润高的产品,此外,要加大高科技产品的研发力度,提升企业的技术水平,加强产品升级和扩大生产能力,更好地满足
9、市场的需求。新技术能让铅酸电池更环保、安全,并大幅度提升电池性能,在与锂离子电池为代表的二次电源领域保持强有力的竞争力。近年来,铅酸电池的技术进步主要体现在电池结构的改进及碳在铅酸电池中的应用方面。3铅酸电池结构的改进新结构的改进可以提升铅酸电池产品的性能,具有代表性的新型铅酸电池结构包括双极性电池、水平铅布(准双电极)电池、纯铅薄极板电池等。双极性电池:传统的单极铅酸电池是由多片独立的正极板并联,与多片同形式负极板交叉排列,正负极板之间用电子绝缘的隔板分开的构成方式,组成一个额定电压为2 V的单体电池(如图1所示)。双极性铅酸电池是指一块基板(电解液不能通过)的两面分别涂上正极膏和负极膏形成
10、的2个极性(如图2所示),比传统电池的用铅量减少30%以上;具备质量比能量高、低成本、内电阻小及高倍率输出等性能3。正级活性物质负级活性物质基板阳极阴极槽接点隔板电解液槽PbPbO2图1单级电池组装结构图2双极电池组板水平铅布电池:水平铅布电池是一种新型的阀控制密封的铅酸电池蓄电池,它的结构形式经过了优化,电池板栅是用一根导线编织而成,其导线是经过固态挤出的铝合金,包裹在一根高强度的玻璃化学纤维上。由于经过织物的生产加工,电池板栅承载电流强度均匀,可承载电流的幅度是普通锻造板栅承载能力的50倍,同时提高了电池的储能密度。电池的正、负电极与隔板是水平重叠的,除了两侧是单极片,其余都是双极片。极片
11、是平的,避免了极化极的情况,有利于强化氧气复合式的散热效果。同时,废除了医疗用的母线和收发器,大大减少了蓄电池的电阻,增强了对高压的容纳性,大大增加了蓄电池的能量。纯铅薄极板电池:纯铅薄极板电池是一种先进的铅酸电池蓄电池,它使用的是超纯铅制造板栅(99.999%),这样可以促进极板更耐腐蚀。同时,由于纯铅电池的内部结构极板可以做得很细(约1 mm),所以在相同规格的容器内,可以容纳更多的极板,极大地增加了电池的内部反应总面积。因此,单元中的化学改变效率得到改善,单元中的电阻也减小了。由于铅质电池的正、负极都非常“绵软”,导致它的制作非常困难,而且组装也非常困难,所以最初的铅质电企业科技与发展,
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