炭泡沫在铅酸电池中的应用

泡沫炭集流体新技术,防化研究院军用化学电源研究与发展中心,曹高萍,二O一O年四月二十五日,报告内容,一、铅酸电池的特点及主要发展方向二、铅酸电池中的新型集流体三、泡沫炭简介四、泡沫炭在铅酸电池中的应用,1.铅酸电池的特点,优点：工作电压高高倍率放电性能良好工作温度范围宽(-40OC+60OC)能浮充使用，没有“记忆”效应可制成各种尺寸电池(1安时至几千安时)价格低廉，原料易得使用安全、可靠不足：质量比能量低循环寿命短,2.铅酸电池的主要发展方向,提高活性物质利用率提高质量比能量提高循环寿命提高快速充电能力,(1)电池材料：新型集流体材料、新型隔板材料、各种添加剂提高活性物质利用率。(2)电池新结构：胶体电池、卷绕式电池、双极性电池。(3)电池的制造工艺。,主要发展方向：,解决思路：,报告内容,一、铅酸电池的特点及主要研究方向二、铅酸电池中的新型集流体三、泡沫炭简介四、泡沫炭在铅酸电池中的应用,1.铅酸电池集流体应具备的性能,良好的电子导电性能与活性物质的接触面积大耐H2SO4腐蚀有足够的弹性和抗变形性密度小价廉、易得成分稳定,2.铅酸电池集流体种类,(1)铅合金板栅集流体,(2)复合材料板栅集流体,(3)铅泡沫集流体,(4)泡沫炭集流体,报告内容,一、铅酸电池的特点及主要发展方向二、铅酸电池中的新型集流体三、泡沫炭简介四、泡沫炭在铅酸电池中的应用,上世纪60年代问世。早期采用热固性有机聚合物（如树脂、溶胶-凝胶）为原料，经高温发泡后热解、炭化或石墨化而得泡沫炭，又称网状玻态炭(英文缩写RVC)。因强度不够，推广应用比较困难。,1.泡沫炭的发展历程,1992年，美空军wright基础材料实验室应用模型分析预测了网架结构石墨泡沫的存在。1997年，美国橡树岭国家实验室用中间相沥青为原料，制备出了具有实用价值的石墨化泡沫炭，先后申请了多项专利。后交给得克萨斯州的PocoGraphite公司生产开发。,现有主要商品泡沫炭：PocoGraphite公司生产的PocoFoam；Touchstone实验有限责任公司生产粘结性煤为原料的CFOAMTM。,2.泡沫炭的制备,发泡工艺法：以煤和中间相沥青（煤沥青、石油沥青或合成沥青调制而成）为原料，在高温、高压下进行造泡，经过焦化、炭化和石墨化等步骤制成泡沫炭。,有机多孔模板浸渍法：以三维开孔网状骨架结构的有机多孔模板为基体，浸渍原料浆料得多孔素坯，经过焦化、炭化和石墨化等制成泡沫炭。,3.泡沫炭的性能,丰富的大孔结构(几百微米至1毫米)高比表面积稳定性好（耐高温、耐腐蚀）密度低（0.20.8g/cm3）比强度大热导率、电导率调节范围大吸声特性好,4.泡沫炭的应用,结构材料散热材料催化剂载体电池材料,报告内容,一、铅酸电池的特点及主要发展方向二、铅酸电池中的新型集流体三、泡沫炭简介四、泡沫炭在铅酸电池中的应用,泡沫炭用作电池材料,1996年，Czerwinski首先提出了采用网状玻态炭泡沫炭(RVC)作为铅酸电池的集流体。2004年美国Firefly能源公司首次将石墨化中间相沥青基泡沫炭用作铅酸电池集流体，并申请美国专利。,燃料电池超级电容器,铅酸电池,1.网状玻态炭集流体,不同孔径网状玻态炭的SEM照片,J.M.Friedrich,J.Electroanal.Chem.561(2004)203.,网状玻态炭(RVC)集流体的特点,具有三维开放式孔结构，比表面积、孔隙率高，孔径大。化学稳定性好，在铅酸电池正负极电位区间内均有较好稳定性。以网状玻态炭为集流体的电极板中，活性物质尺度更小，颗粒更加均匀，容量提高30%。价格较低。,Czerwinski,J.PowerSources64(1997)29Czerwinski,J.Electroanal.Chem.410(1996)55E.Gyenge,J.Appl.Electrochem.32(2002)287,优点：,缺点：,导电性和导热性较差。机械强度低(763kPa)。,2.沥青基和煤基泡沫炭集流体,具有三维开放式孔结构，比表面积高。（300m2/g）石墨化泡沫炭具有极高的电导率和导热性。（103S/cm,180W/m.K，而RVC:1.3S/cm,0.085W/m.K）机械强度更高。（2.15.1MPa）,非石墨化泡沫炭可用于正负电极集流体，化学稳定性好；而石墨化泡沫炭用于正极集流体时，化学稳定性差。中间相沥青基泡沫炭集流体制备成熟，具有良好的性能，但价格昂贵；开发廉价的煤基和其他沥青基泡沫炭集流体的工作还没有突破性的进展。,特点：,陈亚，铅酸电池用沥青基泡沫炭集流体的制备及应用研究，博士学位论文。,石墨化泡沫炭作正极集流体的研究,石墨化泡沫炭表面镀铅改性研究,循环性能和正极活性物质的利用率,泡沫炭上的沉积铅(a)普通极板的沉积铅(b),的SEM图,涂铅膏的泡沫炭,ChenElectrochem.Commun.10(2008)1064Dudney,J.PowerSources161(2006)1392,铅板栅和泡沫炭集流体上铅颗粒对比,铅氧化物的浆料充填到泡沫炭的孔隙中，再按原有方法制备成海绵铅或二氧化铅，得到独特结构的负、正电极板。集流体与活性物质的接触面增加2000倍，活性铅的利用率由3040%提高到90。,3.美国Firefly能源公司泡沫炭集流体铅酸电池技术,泡沫炭集流体铅电极板结构：由两片泡沫炭片和中间的粘接层组成，粘接层有利于提高泡沫炭体的强度。,铅板栅和泡沫炭集流体,泡沫炭铅电极板,3D负极板采用泡沫炭集流体，正极板保留传统铅酸电池的铅板栅集流体。,3D2正极板和负极板均采用泡沫炭集流体。,两种泡沫炭集流体铅酸电池技术,3D,传统铅酸电池和Firefly3D铅酸电池的热成像图,Firefly3D铅酸电池的热特性,Firefly铅酸电池的循环寿命,传统铅酸电池和Firefly铅酸电池的循环寿命比较,泡沫炭对铅酸电池性能的影响,泡沫炭集流体高的比表面积、孔隙率，可缩短电极板内电子和离子的传递距离，使电池的功率得到很大提高；同时泡沫炭集流体能降低活性物质尺度，提高活性物质利用率，阻止负极硫酸盐化，因而提高容量，有效改善循环寿命。泡沫炭集流体密度低，可提高活性物质的装填比率，进而提高比容量。泡沫炭的化学稳定