炭泡沫在铅酸电池中的应用

1、泡沫炭集流体新技术泡沫炭集流体新技术报告内容报告内容1. 铅酸电池的特点铅酸电池的特点 2. 铅酸电池的主要发展方向铅酸电池的主要发展方向 报告内容报告内容1. 铅酸电池集流体应具备的性能铅酸电池集流体应具备的性能2. 铅酸电池集流体种类铅酸电池集流体种类(1) 铅合金板栅集流体铅合金板栅集流体(2) 复合材料板栅集流体复合材料板栅集流体(3) 铅泡沫集流体铅泡沫集流体(4) 泡沫炭集流体泡沫炭集流体报告内容报告内容上世纪上世纪60年代问世。早期采用热固性有机聚合物（如树脂、溶年代问世。早期采用热固性有机聚合物（如树脂、溶胶胶-凝胶）为原料，经高温发泡后热解、炭化或石墨化而得泡沫凝胶）为原料，

2、经高温发泡后热解、炭化或石墨化而得泡沫炭，又称网状玻态炭炭，又称网状玻态炭(英文缩写英文缩写RVC)。因强度不够，推广应用比。因强度不够，推广应用比较困难。较困难。 1. 泡沫炭的发展历程泡沫炭的发展历程 1992年，美空军年，美空军wright 基础材料实验室应用模型分析预测了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。网架结构石墨泡沫的存在。1997年，美国橡树岭国家实验室用年，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后申请了多项专利。后交给得克萨斯

3、州的Poco Graphite公司生产开发。公司生产开发。 现有主要商品泡沫炭：现有主要商品泡沫炭：Poco Graphite公司生产的公司生产的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. 泡沫炭的制备泡沫炭的制备 发泡工艺法：发泡工艺法：以煤和中间相沥青（煤沥青、石以煤和中间相沥青（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下进行造泡，经过焦化、炭化和石墨化等步骤制成泡沫炭。沫炭。 有机多孔模板浸渍法

4、：有机多孔模板浸渍法：以三维开孔网状骨架结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，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。经过焦化、炭化和石墨化等制成泡沫炭。3. 泡沫炭的性能泡沫炭的性能丰富的大孔结构丰富的大孔结构( (几百微米至几百微米至1 1毫米毫米) )高比表面积高比表面积稳定性好稳定性好（耐高温、耐腐蚀）（耐高温、耐腐蚀）密度低密度低（0.20.8g/cm3）比强度大比强度大热导率、电导率调节范围大热导率、电导率调节范围大吸声特性好吸声特性好 4. 泡沫炭的应用泡沫炭的应用 结构材料结构材料 散热材料散热材料 催

5、化剂载体催化剂载体 电池材料电池材料报告内容报告内容泡沫炭用作电池材料泡沫炭用作电池材料 1996年，年，Czerwinski首先提出了采用网状玻态首先提出了采用网状玻态炭泡沫炭炭泡沫炭(RVC)作为铅酸电池的集流体。作为铅酸电池的集流体。 2004年美国年美国Firefly能源公司首次将石墨化中间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，并申请美国相沥青基泡沫炭用作铅酸电池集流体，并申请美国专利。专利。燃料电池燃料电池超级电容器超级电容器铅酸电池铅酸电池1. 网状玻态炭集流体网状玻态炭集流体不同孔径网状玻态炭的不同孔径网状玻态炭的SEMSEM照片照片J.M. Friedric

6、h, J. Electroanal. Chem. 561 (2004) 203. 网状玻态炭网状玻态炭(RVC)集流体的特点集流体的特点 具有三维开放式孔结构，比表面积、孔隙率高，具有三维开放式孔结构，比表面积、孔隙率高，孔径大。孔径大。 化学稳定性好，在铅酸电池正负极电位区间内均化学稳定性好，在铅酸电池正负极电位区间内均有较好稳定性。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，容量提高度更小，颗粒更加均匀，容量提高30 %。 价格较低。价格较低。Czerwinski, J. Power Sources 64 (19

7、97) 29Czerwinski, J. Electroanal. Chem. 410 (1996) 55E. Gyenge, J. Appl. Electrochem. 32 (2002) 287 导电性和导热性较差。导电性和导热性较差。 机械强度低机械强度低(763 kPa) 。 2. 沥青基和煤基泡沫炭集流体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。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。石墨化泡沫炭具有极高的电导率和导热性。（103S/cm,180W/m.K，而，而RVC:1.3S/cm,0.085W/m.K） 机

8、械强度更高。机械强度更高。（2.15.1 MPa） 非石墨化泡沫炭可用于正负电极集流体，化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。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其他沥青基泡沫炭集流体的工作还没有突破性的进展。的进展。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。陈亚，铅酸电池用沥青基泡沫炭集流体的

9、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作正极集流体的研究石墨化泡沫炭表面镀铅改性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循环性能和正极活性物质的利用率泡沫炭上的沉积铅泡沫炭上的沉积铅(a)(a)普通极板的沉积铅普通极板的沉积铅(b)(b)的的SEMSEM图图涂铅膏的泡沫炭涂铅膏的泡沫炭 Chen Electrochem. Commun. 10 (2008) 1064Dudney, J. Power Sources 161 (2006) 1392铅板栅和泡沫炭集流铅板栅和泡沫炭集流体上铅颗粒对比体上铅颗粒对比 铅氧化物的浆料充填到泡沫炭的孔

10、隙中，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，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活性物质的接触面增加2000倍，活性铅的倍，活性铅的利用率由利用率由3040%提高到提高到90。 3. 美国美国Firefly能源公司能源公司 泡沫炭集流体铅酸电池技术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。利于提高泡沫炭体的强度。铅板栅和泡沫炭集

11、流体铅板栅和泡沫炭集流体泡沫炭铅电极板泡沫炭铅电极板3D负极板采用泡沫炭集流体，正极板保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。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。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两种泡沫炭集流体铅酸电池技术 3D传统铅酸电池和传统铅酸电池和Firefly 3DFirefly 3D铅酸电池的热成像图铅酸电池的热成像图Firefly 3D铅酸电池的热特性铅酸电池的热特性Firefly 铅酸电池的循环寿命铅酸电池的循环寿命传统铅酸电池和传统铅酸电池和Firefly Firefly 铅酸电池的循环寿命比较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，泡沫炭集流体高的比表面积、孔隙率，可缩短电可缩短电极板内电子和离子的传递距离，使电池的功率得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，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。因而提