综述对炭材质在铅酸蓄电瓶中动用的钻研,沉淀硫酸钡的生育电瓶中的用项和特色

by admin on 2019年11月10日

沉淀硫酸钡在蓄电池的应用非常广泛,是蓄电池制造中经常用的无机膨胀剂。普通的蓄电池的制造工艺中要用到沉淀硫酸钡。在蓄电池充电过程中,硫酸钡还有防止铅比表面积收缩的作用。因为硫酸钡是惰性的,不参加电极的氧化还原过程,它高度分散于活性物质中,把铅与铅或硫酸铅机械地隔开。使之不易进行颗料间的合并,从而保持电极物质发达的比表面积。

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能源是经济发展的驱动力,蓄电池作为能量转换与存储的关键部件,在新能源产业的发展中占据非常重要的地位,其技术水平已成为新能源产业发展的关键之一。近年来,随着先进铅酸蓄电池技术的不断发展,特别是起停系统用
AGM、EFB
蓄电池的研发应用,使铅酸蓄电池焕发出更加旺盛的生命力。新型铅酸蓄电池在材料应用上几乎都优先考虑了炭材料,使其成为近几年来业界的研究热点。
炭材料是一种比表面积大、导电性能良好的材料。借鉴碱性电池及超级电容器原理,将炭材料引入到铅酸电池铅膏配方中,能够提高电极的导电性,并产生一定的电容性。铅炭电池将炭材料以“内混”的形式加入到负极铅膏中,
使其结合了传统铅酸蓄电池与超级电容器的特点,
能够大幅度改善传统铅酸蓄电池多方面的性能,尤其是抑制负极硫酸盐化,提高电池大电流充放电部分荷电状态下的使用性能。由于其使用寿命可达到普通铅酸蓄电池的3~4倍,因此具有广阔的发展前景。

沉淀硫酸钡

本文综述分析了炭材料作为蓄电池负极添加剂在NAM中的作用,并举例介绍了不同炭材料的微观结构等物理性能,重点探讨了碳纳米管、石墨烯等新型炭材料的应用研究现状,介绍了石墨和炭黑联合使用的情况,并对各自的应用效果进行了归纳总结。

硫酸钡在蓄电池行业的使用已经很普遍,有分好几种规格,大致可分为沉淀硫酸钡和超细硫酸钡两种。以上两种在很多领域都被广泛的应用,那就是在电池生产厂中必不可少的原料之一,所以说硫酸钡也是生产电池原材料的供应商,硫酸钡厂家还是电池厂家原材料供应商,这点不能否认,确实如此,下面咱们就来了解一下硫酸钡在电池中起到的作用。如何添加沉淀硫酸钡呢?添加量为负极板铅粉质量的0.5-1.0%,是各种类型的铅蓄电池负极活性物质中,不可或缺的,它具有和硫酸铅近似的晶格参数,为同晶物质。在负极活性物质中存在高度分散的硫酸钡,放电时可作为硫酸铅的结晶中心。由于硫酸铅可以在同晶硫酸钡上结晶析出,无需形成硫酸铅晶核,这样就不会产生形成晶核必需的过饱和度。在过饱和度低的条件下生成的PbSO4比较疏松多孔,有利于H2SO4的扩散,减轻浓度极化。此外,硫酸钡的存在使产物PbSO4不是在铅上析出,而是在硫酸钡上析出,这样活性物质铅不致于为PbSO4钝化层所覆盖,硫酸钡就起到了推迟钝化的作用。

1、炭材料的作用机理及效果

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铅炭电池用炭材料的主要特点是高比表面积和高导电性。它们在铅负极中的作用机理有哪些呢?Pavlov系统地研究了炭材料对负极活性物质性能的影响,及在HRPSoC工况下对铅酸电池的影响[1]。炭材料的良好作用表现在:⑴
提高活性物质的电导率;⑵ 在NAM中形成利于离子迁移的孔道;⑶
可使还原生成铅的反应过电位下降0.30~0.40V。P. T.
Moseley认为,在HRPSoC工况下,炭材料至少有两种作用:⑴ 在 NAM
中形成第二相,分隔铅的各种晶体,以避免生成不可逆的低溶性PbSO4颗粒,并形成离子迁移
的孔道,促进充电过程PbSO4的溶解;⑵ 形成导电网络,促进铅的还原沉积。

沉淀硫酸钡

杨裕生课题组通过实验,得出炭材料的加入有可能:⑴
由于炭材料的比表面积大,具有较高的比容量,可提高比功率;⑵
由于炭材料的孔率高,孔隙发达,微孔可沉积铅金属,且保持纳米级微晶,有利于电极的高比能量、比功率及性能稳定。孔德龙、李现红等人认为,掺杂炭材料的负极板具备以下几个优势:⑴
兼具电池和电容两种特性,
特别是在高倍率充放电时,由于炭材料能够快速响应,比功率提升了; ⑵
对抗大电流放电冲击的能力明显得到改善,不可逆硫酸盐化程度降低,进而使电池循环寿命延长;

电压平台高,可以输出更多的电能[6]。吴贤章等人对铅炭电池研究得出的结论
为:⑴ 铅炭电池具有较好的充电接受能力;⑵ 具 有良好的大电流放电能力;⑶
铅炭电池兼具高能量密度和高功率密度,特别适合在HRPSoC情况下使用。

沉淀硫酸钡的生产电池中的特点:

2、炭材料的表征

硫酸钡厂家的产品能够改善电池的某些性能,如低温充电接受能力。

炭材料的种类繁多,形态各异,在分散性等方面也存在很大差异。从图4
和图5可以看出,不同的炭材料具有千差万别的微观结构和不同的晶型、纯度,以及不同的物理化学性能,所以应用在蓄电池中一定有不同的效果。

将硫酸钡按照一定比例混合后,电池的循环性能明显好很多。中国有着丰富的重晶石矿资源,而且品质较高。我相信,随着超细粉体制备技术的提高沉淀硫酸钡在铅酸蓄电池中的应用,必定会越来越受到人们的重视。

3、不同碳材料的应用研究

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永利皇宫官网,3.1 碳纳米管

碳纳米管具有很好的导电性、高比表面积及良好的机械性能和化学稳定性,所以能够提升电池的比容量和NAM的利用率,改善充电接受和冷起动性能。南非NMM大学在ALABC项目中首次使用电化学原子力显微镜(EC-AFM),配合X射线衍射
(XRD) 及扫描电镜 (SEM)
,对添加了炭材料的负极活性物质的微观结构进行了研究
(1315-R1项目)。图6和图7中,分别使用了活性炭和碳纳米管两种添加剂。添加碳纳米管的NAM形成了更好的导电网络,和其它炭材料相比,碳纳米管对电池的充电接受性能起到更为明显的积极作用。由于添加活性炭的NAM比表面积大,因此活性炭对电池冷起动性能的作用强于碳纳米管。

边亚茹课题组研究后认为:负极中掺杂碳纳米管的蓄电池在0.2C 、0.5C
倍率下放电时,具有较高的电池容量;而在1.25C倍率下充放电时,碳纳米管对电池容量和循环性能的影响较小。碳纳米管的形态以及掺杂方式、掺杂量等都会直接或间接影响到铅酸蓄电池的性能。哈尔滨师范大学李丽等人经试验得出结论:VRLA电池负极板中加入碳纳米管后,由于纳米管形成三维导电网络,作为软骨架减缓了NAM的软化脱落,因此电池的初容量、低温容量分别提高了约7%和20%。碳纳米管的孔径越细,比表面积越大,对负极越有利,
其不足之处是提升了涂板难度,增大了吸气量。Swogger
等人公开了一种含有碳纳米管的负极添加剂,它能够改善蓄电池的充电接受性能及冷起动能力,甚至有利于荷电保持。

3.2 石墨烯

石墨烯是单原子层的石墨结构,是碳的二维同素异形体,碳原子按六边形排列。可与活性物质形成“面–面”接触。石墨烯具有许多优异的性能,如较好的柔韧性、极小的电阻率、极大的比表面积,稳定的化学性质
等,引起了世界范围内的普遍关注,也掀起了蓄电池行业的研究热潮。

Tateishi
等人将氧化石墨烯制成石墨烯纸,石墨烯纸可起到质子导体作用,用石墨烯纸制成的蓄电池具有良好的初容量[15]。Logeshkumar等人认
为,石墨烯和碳纳米管的掺入可使蓄电池的比容量及活性物质利用率提升 10 %
以上[16]。范娜等人研究得出:负极中分别加入质量分数为0.5%、0.25%的石墨烯,
化成后NAM未呈现清晰的大颗粒,石墨烯与NAM形成交错多孔的结构,而且未表现出良好的初容量,但高倍率放电性能提升了,循环寿命大大延长了;化成后及寿命终止后,添加石墨烯的负极板都具有70
%以上的高孔率。马荆亮等人采用“氧化–还原”法制备石墨烯,并与Pb(CH3COO)2·3H2O混合,处理后加入稀硫酸中浸泡,得到硫酸铅/石墨烯混合物,并观察到硫酸铅均匀地分布到石墨烯片层,使材料在高倍率放电情况下具有更好的比容量和充电接受能力。

总之,石墨烯以极好的导电性,极大的比表面积等特殊性能,应用到蓄电池中可提升比容量和活
性物质利用率;石墨烯可使铅膏保持高孔率,有利于提升电池的倍率放电能力和充电接受能力,延长循环寿命。

3.3 石墨与炭黑

石墨和炭黑是比较常见的炭材料。石墨的比表面积小于炭黑的,但导电能力远远高于炭黑的。为了发挥更好的联合效应,一般将石墨和炭黑以适当的质量比混合使用。Moseley等人研究认为,石墨等炭材料能起到提升导电性,限制硫酸铅长大,提升HRPSoC循环寿命的作用。Baca将不同质量的石墨粉加入负极铅膏中进行试验,研究表明:石墨粉质量分数不大于1%时,NAM具有良好的循环性能;高于1%后,随添加量的提高,负极板性能的衰减加快。梁
逵等人自制活性炭,按2%的质量分数添加到铅负极。试验结果表明活性炭可抑制硫酸铅长大,还可降低内阻,改善高倍率放电性能。在HRPSoC条件下循环,电池的寿命可达普通电池的2.4倍[21]。

高军等人把不同质量比的“石墨/炭黑”加入负极铅膏中,焊接成小极群,进行充放电测试,结果表明:添加炭黑的质量分数为0.2
%,石墨质量分数在
0%~4%之间变化时,随石墨添加量的增加,电极的氧化还原性能提升,高倍率放电性能增强;添加炭黑的质量分数为3%,石墨的质量分数在0%~3%之间变化时,石墨在加入量为2%时,10C放电性能最佳;不加石墨的NAM颗粒均
匀,石墨的添加量越大,NAM颗粒的粒径差异越大,炭材料的颗粒大小对负极活性物质形貌有重要影响。刘璐课题组对选用不同炭材料组合制成的3种负极板,利用SEM、
XRD等分析手段对生板和熟板进行表征,结果如图8所示。由SEM图可知,三种配方负极板的
形貌,在化成前后发生了很大的变化:化成前,生极板NAM形貌不规则;化成后,有大片状较规则的颗粒生成。含有石墨的A、B两种负极板呈现出类似石墨的片状结构;而只含炭黑的C极板颗粒细小:与高军等人的结论得到相互印证。

4、结论

在蓄电池中,炭材料主要利用其具有高电容性及高导电性的特点,形成导电网络,提高极板活性物质的电导率;在NAM中形成离子迁移孔道;
降低生成铅的反应过电位,促进铅的沉积过程;形成第二相,避免生成过大的颗粒,使硫酸铅容易溶解,避免不可逆硫酸盐化;
因受孔的约束使NAM保持纳米级尺度,有利于蓄电池高比能量、比功率及稳定的性能。总之,不同的炭材料具有千差万别的微观结构和物理化学性能,要根据各自的特点和优势,单独或几种炭材料混合加入到负极铅膏中,
对蓄电池性能产生积极影响,同时要努力规避炭材料带来的和膏涂板困难、析氢电位降低、析气加剧等不利影响。

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