[發明專利]一種富液內混型鉛碳電池用負極及其制備和應用

有效

• 申請號: 201711213338.5
• 申請日: 2017-11-28
• 公開（公告）號: CN109841838B
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 閻景旺;張華民;席耀寧;李先鋒;高鶴;王再紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所;風帆有限責任公司
• 主分類號: H01M4/74
• 分類號: H01M4/74;H01M4/82
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種富液內混型鉛碳電池用負極及其制備和應用，負極包括鉛材料，負極中含有0.1?10wt％的經過毒化處理的碳材料，其中碳材料為炭纖維、活性炭中的一種和兩種組合，本發明所涉及的富液內混型鉛碳電池具有和鉛酸電池相近的能量密度，和內并型鉛碳電池相近的抗大電流沖擊能力和3?5倍于富液鉛酸電池的充放電循環壽命，不但適合于新能源汽車的起停應用，也適合于現有燃油汽車車載電池的替代應用。

技術領域

本發明涉及鉛碳電池領域，特別涉及富液內混型鉛碳電池及其負極。

背景技術

鉛碳電池是一種將超級電容器與鉛酸蓄電池相結合而構成的新型儲能器件。鉛酸蓄電池作為能源，超級電容器作為脈沖動力，對電池的性能進行了改良，從而彌補了普通閥控式鉛酸蓄電池不能應對各種復雜使用條件的不足。在鉛碳電池中，超級電容器與鉛酸電池兩種儲能方式以內結合方式集成，不需要特殊的外加電子控制電路，使得電池的尺寸得到了控制，系統得到簡化，從而降低儲能成本。此外，鉛碳電池還具有如下特點：同時具有蓄電池高比能量和電容器高比功率的優點；脈沖大電流充放電壽命長，鉛碳電池的生命周期較現有鉛酸電池多出四倍；低溫大電流放電比普通電池較好；可大大緩解負極硫酸鹽化現象；易于制造，現有鉛酸蓄電池生產線稍作改造便可用于鉛碳電池的生產；可靠性高；制造成本低?？梢哉f，鉛碳電池技術的出現與發展，使鉛酸蓄電池這項古老的儲能技術迎來了新的發展機遇。

鉛碳電池按著所采用的技術方案不同，大致可以分為三種：采用在鉛負極中摻入少量碳材料技術方案(內混型)的鉛碳電池(Pb-C battery，Carbon-enhanced VRLA)、負極采用電池電極與超級電容器電極相互并聯技術方案(內并型)的超級電池(Ultrabattery)和負極完全采用超級電容器電極的鉛碳電池(全碳負極型鉛碳電池)。

內混型鉛碳電池是指在鉛負極中摻入少量的碳材料而使其性能得到改善和壽命得到延長的鉛酸蓄電池。作為添加劑碳材料的制備、改性及其作用機理國內外已有較多研究。關于何種碳材料適合于作為NAM的添加劑，截止到目前尚無統一的結論。不同研究者得出的結論相差較大，甚至是相互矛盾。不同形態的石墨、炭黑和活性炭提升鉛碳電池負極性能的作用均有報道。如Spence等觀察到添加片狀石墨的負極性能最好，而Valenciano則發現摻入片狀石墨會降低負極的性能。為了研究在鉛酸電池的負極中摻入不同碳材料的效果極其作用機理，2011財政年度美國桑迪亞國家實驗和東賓制造共同承擔了美國能源部的“Lead/Carbon Functionality in VRLA Batteries”項目。通過對乙炔黑、活性炭及炭黑/石墨材料結構、雜質和物性的表征，以及摻加效果的考察，對碳材料的作用機理進行了研究。

內并型鉛碳電池(又稱超級電池)的概念由澳大利亞聯邦科學及工業研究組織的L.T.Lam等人于2003年首先提出。隨后美國桑迪亞國家實驗室，國際先進鉛酸蓄電池聯合會，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織，美國東賓制造，澳大利亞的Ecoult和日本古河電池開展了超級電池的研究、開發和測試等工作。日本古河電池公司于2004年獲得CSRIO的專利授權，開始超級電池的研究和商業化開發工作。古河超級電池負極采用在海綿鉛負極板雙側表面覆蓋活性炭層的三明治結構。車載性能測試表明，由于電容層的存在，超級電池的充電恢復能力和傳統鉛酸蓄電池相比提升30％。充電不足條件(80％充電狀態)下超級電池的使用壽命為傳統鉛酸蓄電池的2倍。

全炭負極鉛碳電池最早由美國Axion開發，是一種用活性炭做負極，二氧化鉛做正極的混合型儲能器件，該公司將其稱為鉛碳電池。Axion的鉛碳電池實際上是一種混合型超級電容器。與鉛酸蓄電池不同，在該電池負極上發生的反應如下，

由于鉛碳電池負極上不在發生如下反應，

所以可以從根本上避免負極硫酸鹽化，從而延長負極的使用壽命。