铅炭电池技术发展及储能应用的思考

目前,铅酸电池存在能量密度低、循环寿命短、电池体积和重量大等缺点,因此在国内储能领域的应用占比较低。铅炭电池是炭材料改性负极的改进型铅蓄电池,相比铅酸蓄电池可以有效延缓失效现象,循环寿命有较好提升。由于铅炭电池具备原材料成本低、回收率高、安全性高等其他电池不可替代的优势,更适用于大规模和长时储能。在再生铅产业良性发展的时代背景下,发挥铅炭电池技术优势,扩大铅炭电池生产,拓展储能领域应用,是优化能源调峰及储用,优化局域能源结构的重要发展方向。未来,在以沙漠、戈壁、荒漠地区为重点的大型风电光伏基地建设开展新型铅炭电池储能试点示范,同时配套建设铅冶炼企业和铅炭电池产业链,有望实现原料端—冶炼端—深加工端—应用需求端—综合回收端的全产业链闭环。

导电聚苯胺正极添加剂在铅炭电池中的作用机制

为解决铅炭电池存在的能量密度低和活性物质利用率低的问题,将导电聚苯胺(PANI)作为功能添加剂掺杂到铅炭电池正极中。结果表明,导电聚苯胺自身的优良导电性和电容特性可大幅度提高正极中硫酸铅和二氧化铅之间的转化效率,为物质转化提供离子传输通道和额外电容,显著提升正极活性物质的利用率。当导电聚苯胺质量分数为0.5%时,改性的铅炭电池表现出最高的初始放电容量,为空白电池的1.68倍,同时电池也表现出良好的循环稳定性,证明了导电聚苯胺作为铅炭电池正极添加剂的可行性。

活性炭在铅炭电池性能提升中的作用机理研究

为实现产业向绿色低碳转型,我国积极推进能源结构调整,大力发展可再生能源,因此电化学储能等能源基础设施建设成为亟待突破的技术关键点。本文重点研究以活性炭为代表的碳基材料在铅炭电池中的应用及其性能提升,明晰其电容作用、空间位阻作用、增加导电性和电化学催化作用的机理。电容作用在铅炭电池高倍率部分充电状态下的充放电效率提升效果显著,其余三种作用在缓解负极的不可逆硫酸盐化具有协同效益,这间接提高了电池循环寿命。本文旨在为碳基材料在铅炭电池领域应用及其性能提升提供科学依据。

基于PNGV模型与自适应卡尔曼滤波的铅炭电池荷电状态评估

储能电池应用广泛,准确估计储能电池的荷电状态(state of charge,SOC)对提高电池健康状态有重要意义。铅炭电池作为一种高性能、低成本、高安全性的新型储能电池,在储能电站等场景受到广泛关注,而目前尚缺少铅炭电池SOC估计相关研究。本工作首先通过静流间歇滴定技术探究铅炭电池的荷电状态与开路电压关系,后通过混合脉冲功率性能试验得到铅炭电池的伏安特征数据,建立一阶Thevenin和一阶PNGV等效电路模型,利用基于代理模型和灵敏度分析的随机算法(surrogate optimization algorithm,SOA)对两种等效电路模型进行参数辨识。在此基础上,利用扩展卡尔曼滤波算法(extended Kalman filter,EKF)估计铅炭电池SOC,估算过程考虑噪声干扰。另外,在铅炭电池SOC初值未知的情况下,EKF算法不能准确估计铅炭电池SOC。因此,本工作提出采用自适应扩展卡尔曼滤波算法(adaptive extended Kalman filter,AEKF)对铅炭电池进行状态估计,来弥补EKF的不足。结果表明,在存在噪声且SOC初值未知的情况下,AEKF算法较EKF算法和安时积分法更能准确估计铅炭电池SOC,在给定SOC初值为0.9时,误差最小,为3.91%,验证了算法的有效性与适用性,提高了铅炭电池荷电状态估计的准确性和可靠性。

基于FFRLS+EKF的特定工况下铅炭电池SOC估计

提出一种快速、高精度估计铅炭电池荷电状态(SOC)的方法,并在特定工况下进行验证。通过建立等效电路模型,应用MATLAB仿真出SOC曲线,对比遗忘因子递推最小二乘(FFRLS)法+扩展卡尔曼滤波(EKF)估计的SOC与实际SOC曲线的误差,验证算法的精确性和可靠性。在恒流间歇放电特定工况下,使用所提算法估计铅炭电池的SOC,与实际SOC的最大误差不超过0.9%。

磷酸活化对活性炭及铅炭电池性能的影响

铅炭电池兼具铅酸电池和超级电容器的优点。为进一步提高铅炭电池的性能,以稻壳为碳源、磷酸(H_(3)PO_(4))为活化剂,制备铅炭电池用稻壳基活性炭,考察浸渍比、活化温度和活化时间等参数对活性炭物化特性及铅炭电池性能的影响。控制活化参数,可改变活性炭的孔隙结构:浸渍比越高,比表面积和介孔率越大;550℃的活化温度更适用于合成高介孔率的活性炭;当活化时间在90 min以上时,微孔、介孔倾向于塌陷成大孔。在浸渍比1.00∶3.85、活化温度550℃及活化时间90 min下合成的活性炭,兼具高比表面积(1 087.6 m^(2)/g)和高介孔率(85.31%),应用于负极中,可提高铅炭电池的高倍率部分荷电状态(HRPSoC)循环寿命:循环寿命高达13 738次,是空白电极的29.9倍。

铅酸电池的未来——铅炭电池储能技术

铅酸电池是一种安全稳定、成本低廉、可大规模化的电化学储能装置,在风能、太阳能和潮汐能等可再生能源发电、智能电网建设及动力电源等方面有着广阔的市场空间。笔者着重对铅酸电池存在的问题以及可能的解决方案,铅炭电池的特点、工作原理及研究现状进行了梳理总结,以期为铅酸电池储能技术的发展提供帮助。

铅炭电池负极添加剂研究进展

铅炭电池是在铅酸电池研究的基础上,选取具有多孔、高比表面积的碳材料作为负极材料添加剂来进一步提高性能的电池。碳材料为电池放电过程中产生的硫酸铅(PbSO_(4))提供更多反应界面,从而抑制硫酸盐化,使电池循环寿命得以延长,但碳较低的析氢过电位会带来析氢速率过快的问题。目前,铅炭电池负极添加剂开始由不同结构碳材料及析氢抑制剂的研究转向复合型材料研究,如碳与铅型复合材料、碳与导电聚合物型复合材料以及碳与析氢抑制剂型复合材料等,其主要目的是在延长电池循环使用寿命的同时,能够有效解决碳材料带来的析氢速率过快及铅与添加剂相容性差的问题。本文主要综述了近年来铅炭电池负极添加剂的研究进展,分别对碳添加剂、析氢抑制剂以及复合材料添加剂进行归纳分析,并结合目前实际发展情况分析了未来铅炭电池发展可能遇到的问题及研究方向。

炭黑对铅炭电池化成过程的影响

通过研究电极的比表面积、微观结构、化成过程中电池的内阻变化和模拟电池的电性能,分析比较了3种类型的炭黑对电池性能的影响。炭黑的BET比表面积和吸油值越高,电极的比表面积越大。炭黑影响电极化成第一阶段历经时间,同时影响负极骨架型铅的结构和含量。如果添加原生态颗粒尺寸小,比表面积大的炭黑,化成时生成的骨架型铅较多,会导电池容量低,失水量多。

铅炭电池关键材料研究进展及机理分析

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。

铅炭电池负极炭材料的作用机制研究进展

传统铅酸电池主要应用于汽车及各种内燃机的起动和无线通信基站,但其在部分荷电态下负极易硫酸盐化而失效,降低了电池的受充能力及循环寿命.铅炭电池是将高比表面、高导电的炭材料掺入铅负极的新型铅酸电池,具有优异的高倍率充放电性能及较高的部分荷电态下的循环寿命,在储能与混合动力车方面有很好的应用前景,近年来国内外竞相开展了炭材料作用机制的研究.本文从构建导电网络、增加双电层电容储能、改善孔洞结构以及提高电化学反应动力等方面对炭材料在铅炭电池上的作用机制进行阐述,并结合作者课题组在铅炭电池领域的研发工作进行展望.

考虑铅炭电池组一致性的储能系统功率控制策略

针对储能系统不规则充放电导致的电池组一致性变差及单体电池过充/过放问题,研究铅炭电池组一致性变化规律,提出考虑电池组一致性的储能系统功率控制策略。采用包含储能电池组、风/光发电、电动汽车和常规负荷的共直流母线型集中式微电网并网示范平台的实测数据对所提功率控制策略与传统控制策略进行对比仿真分析。仿真结果表明,所提控制策略可有效降低电池组荷电状态(SOC)变化范围,提升电池健康状态,提高电池组一致性,减少过放电池数量,增强储能系统双向调节能力。

铅炭电池正极失效行为研究

为研究铅炭电池（LCB）正极失效行为及高温环境的影响,对成品铅炭电池进行不同温度下的电化学循环测试以研究温度对其性能的影响。而后解剖失效前后的铅炭电池,并对其正极板进行X射线衍射、扫描电镜、电子能谱等表征分析来研究正极失效行为模式。实验结果显示：50、60℃下500次循环过后铅炭电池容量保持率〈60%,而40℃下容量保持率仍保持在90%;解剖分析结果表明未循环正极板中α-PbO2质量分数为14.55%,失效正极板中α-PbO2质量分数〈1%,失效前后正极板栅中氧重量百分比增加了10%。因此,α-PbO2向β-PbO2的转化及板栅腐蚀是正极失效的主要原因;且〈40℃的工作温度对正极失效无明显影响,〉50℃的高温环境会加速板栅的氧化腐蚀进而加剧正极失效。实际应用中加强对电池工作温度的监测、控制及对正极活性物质、板栅的改性,才能有效抑制正极失效行为的发生。

铅炭电池的工作特性

为掌握铅炭电池工作特性,进行电池单体和电池组充放电实验,研究荷电状态(SOC)与端电压/内阻及充放电倍率的关系、电池组电压特性以及充放电倍率对电池组一致性和实际可用容量的影响。结果表明:受电池内部温度影响,在充电过程中,当SOC大于0. 75时,会出现短时的电压波动;当电池电压达到上限2. 35 V或下限1. 80 V时,不同SOC对应不同的充放电电流。电池成组应用时,随着充放电倍率增加,电池组实际可用容量减少。

磷酸加入动力铅炭电池电解液可行性仿真分析

研究了向动力铅炭电池电解液中加入磷酸后电池性能的变化情况,对此方案进行仿真分析。通过对电池进行循环伏安测试、循环寿命测试及线性扫描曲线等发现,向电解液中加入磷酸后可对正极板的析氧起到明显的抑制作用,同时可抑制正极的充电反应。研究表明,动力铅炭电池的电解液中并不适合加入磷酸材料。

车用铅炭电池活性炭的改性及寿命分析

采用的主要原料为柠檬酸(C_6H_8O_7)和[Pb(NO_3)_2],通过将柠檬酸铅[Pb(C_6H_8O_7)·H_2O]沉积在活性炭的表面,然后再将其进行热解处理即可得到改性活性炭,改性活性炭可减小析氢电流、增加析氧阻抗。与普通电池相比通过改性活性炭制备所得铅炭电池高倍率部分荷电态(HRPSoC)的循环寿命可延长42.1%,快速充电(1 h)接受能力可提高19.4%。

电力储能领域铅炭电池储能技术进展

储能是高效利用可再生能源和构建智能电网的关键技术。与传统铅酸电池相比,铅炭电池在安全性、经济性和循环性等方面具有明显优势,因而在电力储能领域具有广阔的应用前景。介绍了铅炭电池的发展历程和工作原理,进而从安全性能、度电成本、循环寿命和比能量4个方面与铅酸电池进行对比。阐述了铅炭电池储能技术在储能领域的应用现状,并对铅炭电池目前存在的问题和改进方向进行归纳和总结。

炭材料在铅炭电池负极中的应用综述

从高导电炭构建导电网络、高比表面炭增加双电层电容储能及铅沉积反应位点、多孔炭改善极板孔洞结构、铅炭复合材料利于铅在炭表面上的沉积及发挥各类炭材料的独有特性等方面,对炭材料在铅炭电池负极中的应用进行综述。

活性炭物理参数对铅炭电池的影响

通过化学活化法制备不同比表面积、不同孔径分布的活性炭,并制备铅炭复合电极和铅炭电池。添加活性炭C4-5h、C5-5h和C6-5h(比表面积分别为:1 361.1 m^2/g、1 638.5 m^2/g和1 390.1 m^2/g,其中,C4-5h孔径分布比较集中,C5-5h和C6-5h孔径分布相对分散)的铅炭电池,在到达1.8 V的下限电压之前分别完成了35 843次、30 174次和25 500次循环。C4-5h可抑制Pb SO4晶体的积累长大,而C5-5h、C6-5h可缓解Pb SO4晶体在负极极板表面紧密堆积的问题。3种活性炭均可提高电池的循环性能。

铅炭电池用活性炭的改性与应用

以硝酸铅[Pb(NO3)2]和柠檬酸(C6H8O7)为原料,在活性炭表面沉积柠檬酸铅[Pb(C6H6O7)·H2O],经过热解处理得到改性活性炭。改性活性炭的析氢阻抗增加,析氢电流减小。用该材料制备的铅炭电池与普通铅酸电池相比,1 h快速充电接受能力提高18.1%,高倍率部分荷电态(HRPSoC)循环寿命延长41.3%。