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吳坤金

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張世驕

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報(bào)告要點(diǎn)

鉛碳電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負(fù)極中加入了活性炭材料，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。既發(fā)揮了超級(jí)電容瞬間大容量充電的優(yōu)點(diǎn)，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢。對(duì)于鉛碳電池來說，加入的碳的種類有很多種：炭黑、活性炭、石墨烯、石墨、碳纖維、碳納米管均可。而它們的主要優(yōu)點(diǎn)/能為鉛碳電池提供的主要功能有：導(dǎo)電導(dǎo)熱和網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu)，提供反應(yīng)所需比表面積以及雙電層電容。炭材料主要利用其具有高電容性及高導(dǎo)電性的特點(diǎn)，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高極板活性物質(zhì)的電導(dǎo)率。由于鉛炭電池本質(zhì)上是傳統(tǒng)鉛酸電池的升級(jí)產(chǎn)品，因此，行業(yè)內(nèi)目前成規(guī)模的競爭企業(yè)主要為鉛蓄電池行業(yè)的領(lǐng)先者，同質(zhì)化競爭較為明顯。

鉛炭電池簡介

中國國家標(biāo)準(zhǔn)委在2018年6月發(fā)布《電力儲(chǔ)能用鉛炭電池》（標(biāo)準(zhǔn)號(hào)：GB／T 36280—2018），并于2019年1月1日起正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)中指出鉛炭電池是正極為二氧化鉛（Pb02）、負(fù)極為鉛炭復(fù)合電極（Pb—C）、電解液為硫酸溶液的蓄電池。

鉛碳電池是一種電容型鉛酸電池，是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來的技術(shù)，它是在鉛酸電池的負(fù)極中加入了活性炭材料，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。既發(fā)揮了超級(jí)電容瞬間大容量充電的優(yōu)點(diǎn)，也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量優(yōu)勢。

鉛酸電池在“平行機(jī)理”效應(yīng)下，實(shí)現(xiàn)了鉛離子到鉛的轉(zhuǎn)換，從而使電化學(xué)反應(yīng)循環(huán)往復(fù)，但難溶的硫酸鉛會(huì)阻斷反應(yīng)的進(jìn)行，致使反應(yīng)中止。碳材料在負(fù)極中所起的作用主要是建立導(dǎo)電網(wǎng)格、形成雙電容層、抑制難溶硫酸鉛晶體的形成、增加活性作用位點(diǎn)等，在減少鉛用量的同時(shí)延長電池壽命，使電池性能得到綜合提升。

鉛炭電池主要有三類，分別是：負(fù)極由Pb和電容負(fù)極碳并聯(lián)而擁有雙電層電容器的高比功率外并式鉛炭電池；負(fù)極為海綿鉛和碳電極并聯(lián)組成二同時(shí)擁有超級(jí)電容器優(yōu)點(diǎn)的內(nèi)并式鉛炭電池以及負(fù)極為碳鉛且生產(chǎn)工藝與鉛酸電池基本相同的內(nèi)混式鉛炭電池。其中第三類由于其擁有和鉛酸電池相似的生產(chǎn)工藝而在行業(yè)中獲得了最為廣泛的應(yīng)用。

鉛炭電池中的碳材料

2023年1月17日，工信部、教育部、科學(xué)技術(shù)部、中國人民銀行、中國銀行保險(xiǎn)監(jiān)督管理委員會(huì)、國家能源局六部門發(fā)布《推動(dòng)能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》其中，明確提出：研發(fā)新型環(huán)保、長壽命、低成本鉛炭電池，開發(fā)高導(dǎo)電的專用多孔碳材料。推動(dòng)正負(fù)極板柵的塑鉛復(fù)合化，減少用鉛量，提高電池比能量。

炭材料主要利用其具有高電容性及高導(dǎo)電性的特點(diǎn)，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高極板活性物質(zhì)的電導(dǎo)率；在NAM（負(fù)極活性物質(zhì)）中形成離子遷移孔道；降低生成鉛的反應(yīng)過電位，促進(jìn)鉛的沉積過程；形成第二相，避免生成過大的顆粒，使硫酸鉛容易溶解，避免不可逆硫酸鹽化；因受孔的約束使NAM保持納米級(jí)尺度，有利于蓄電池高比能量、比功率及穩(wěn)定的性能?？傊?，不同的炭材料具有千差萬別的微觀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性能，要根據(jù)各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，單獨(dú)或幾種炭材料混合加入到負(fù)極鉛膏中，對(duì)蓄電池性能產(chǎn)生積極影響，同時(shí)要努力規(guī)避炭材料帶來的和膏涂板困難、析氫電位降低、析氣加劇等不利影響。

對(duì)于鉛碳電池來說，加入的碳的種類有很多種：炭黑、活性炭、石墨烯、石墨、碳纖維、碳納米管均可。而它們的主要優(yōu)點(diǎn)/能為鉛碳電池提供的主要功能有：導(dǎo)電導(dǎo)熱和網(wǎng)絡(luò)孔隙結(jié)構(gòu)，提供反應(yīng)所需比表面積以及雙電層電容。可以說，鉛碳電池的發(fā)展給了碳材料家族一個(gè)施展才華的舞臺(tái)，但是如何在性能提升與成本控制上尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，可能是在鉛碳電池中應(yīng)用高級(jí)碳材料的一個(gè)需要注意的問題。此外，碳材料加入也是需要控制量的，過多的碳材料加入會(huì)導(dǎo)致極板活性物質(zhì)脫落等一系列問題。

鉛炭電池的優(yōu)勢

在加入炭后，鉛炭電池有了如下特征：

1

性能強(qiáng)

與鉛酸電池相比，鉛炭電池的最大放電倍率是其2.5倍，比能量為其1.3倍左右，比功率為其1.6倍左右，快充能力大大縮減，混合動(dòng)力型壽命為其2.5倍，相同溫度下放電容量也顯著提升。

2

安全性

相較鋰電池而言，鉛炭電池使用稀硫酸水溶液作為電解液，不會(huì)發(fā)生熱失控、自燃爆炸情況，安全性能更高因此可用于受限制的特殊環(huán)境如人群密集場所或高價(jià)值設(shè)備機(jī)器。在儲(chǔ)能電站建設(shè)時(shí)，排列緊密度提高，占地面積縮小。

3

經(jīng)濟(jì)性

鉛炭電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的運(yùn)用中，建設(shè)成本約為0.8-1.1元/Wh。而隨著鋰電池的降價(jià)，其建設(shè)成本約為0.9-1.5元/Wh，鉛炭電池在初次建設(shè)方面并沒有明顯的成本優(yōu)勢。但是考慮到后續(xù)運(yùn)營，其度電成本相對(duì)較低。目前鉛炭電池的循環(huán)壽命為3000次左右，相較于鋰電池5000次的平均水平，仍有較大上升空間，各企業(yè)也正在加強(qiáng)研發(fā)以增加其循環(huán)壽命，或?qū)⑦M(jìn)一步降低鉛炭電池的儲(chǔ)能成本。? ?

鉛炭電池企業(yè)

由于鉛炭電池本質(zhì)上是傳統(tǒng)鉛酸電池的升級(jí)產(chǎn)品，因此，行業(yè)內(nèi)目前成規(guī)模的競爭企業(yè)主要為鉛蓄電池行業(yè)的領(lǐng)先者，主要包括超威集團(tuán)、天能股份、圣陽股份、南都電源、雙登集團(tuán)等企業(yè)。從國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局公布的相關(guān)專利情況來看， 關(guān)于鉛炭電池所采取的技術(shù)路線基本相同，同質(zhì)化競爭較為明顯。? ?

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