铅炭电池关键材料研究进展及机理分析

研究背景

铅炭电池是由传统铅酸蓄电池和炭基超级电容器通过创新组合而形成的一种新型混合电池，具有充电速度快、循环寿命长等优点。炭材料在铅酸电池中具有导电机理、位阻机理、平行反应机理及双电层储能机理等多种工作机理。铅酸电池的工作环境苛刻，因此在对活性炭的选择上具有较高的要求，在炭材料的抗氧化能力、比表面积、电化学活性及颗粒大小等方面都有相应要求，这使得普通炭材料难以满足铅炭电池需求。针对铅炭电池关键材料炭材料的研究很多，从添加单一炭材料到目前的功能化炭材料，近十年来铅炭电池的研究也取得了很大进步。本文对铅炭电池的研究历史、炭材料的工作机制、活性炭的工作要求以及近年来在炭材料关键技术上的研究所取得的进展进行了系统的综述。针对当前相关企业在该项技术上的研究瓶颈，本文也在末尾进行简要介绍。

目录及图文导读

1  铅炭电池中活性炭的作用机理

1.1  导电机理

1.2  位阻机理

图1  不同种类炭材料的浓度对负极活性物质孔径的影响

1.3  平行反应机理

图2  负极板在充电过程中的平行机制示意图

1.4  双电层储能机理

2  铅炭电池中活性炭的参数要求

3  铅炭电池中活性炭的研究现状

在关于炭材料添加剂的研究上，研究者们从单一的商业化炭材料上着手，逐渐转向根据铅酸电池特性来设计具有特殊参数的复合炭材料。这些复合炭材料在保证发挥效果的同时，能够规避传统炭材料在铅酸电池环境中工作时的缺陷，更能发挥出铅炭电池的优势。

3.1  单一炭材料对铅炭电池性能的影响

3.2  复合炭材料对铅酸电池性能的影响

3.3  当前企业实际研发过程中面临的实际问题

结语

铅炭电池结合了铅酸电池的高能量密度和超级电容器的高功率密度，在部分荷电状态下循环寿命和功率充放电性能方面大幅度提高，在启停系统领域、风光储能领域和动力电池领域都有较大的前景。

炭是铅炭电池中的核心，炭在铅炭电池中的作用机理中，目前被广泛认同的主要包括：导电机理、位阻机理、平行反应机理、双电层储能机理等。由前文的叙述可以看到，不同的炭材料对铅炭电池的影响机制不同，作用效果也不同，且炭材料的加入也会带来一些副作用：加重负极析氢以及使合膏变得更加困难等。为了解决这些问题，研究者们将工作重心转移到新型炭材料的研发上，并将其应用于铅酸电池负极中进行探究，希望得到适用于铅炭电池的炭材料，使铅炭电池的应用更加广泛。以上的研究主要思路是通过炭材料与铅的各种形式的复合，来提高炭材料的析氢过电位与活性物质的亲和性，也有研究者将思考角度转移至炭材料的表面官能团，认为对炭材料进行一些表面修饰也能提高炭材料的析氢过电位。相信人们对炭材料的研究与新型炭材料的制备必会推动铅炭电池进一步的发展。

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