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    沈陽蓄電池研究所主辦

    業務范圍:蓄電池檢測、標準制定、《蓄電池》雜志、信息化服務

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    老樹新花:純鉛、水平電池引領我國鉛酸電池行業新動力

    作者: 沈陽蓄電池研究所新聞中心 來源:澎湃新聞

    近年來,全球化學電池市場中,鋰離子電池異軍突起,化學電池的元老——鉛酸電池的地位似乎岌岌可危。然而,相對于鋰離子電池,鉛酸電池仍然具有成本低、技術成熟、穩定可靠、安全性高、資源再利用性好等比較優勢。

    7月8日,在上海有色網(SMM)和天能控股集團有限公司共同舉辦的第十七屆國際鉛鋅峰會暨國際鉛鋅技術創新大會——鉛行業市場與技術論壇上,與會的業內專家進一步介紹,最近一些年,我國鉛酸電池行業多項新技術涌現,純鉛電池和水平電池等新型鉛酸電池的制造工藝也不斷成熟,應用領域繼續擴大。

    看似已步入垂垂暮年的鉛酸電池,實際仍然噴涌著勃勃生命力。

    鉛酸電池新技術助力“碳中和”

    作為工業化最早的電池,鉛酸電池自1859年發明至今已經有160多年的歷史。鉛酸電池的電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液。其在化學電池市場中份額最大、使用范圍最廣,特別是在起動和大型儲能等應用領域,仍具有不可替代的地位。

    據天能控股集團中央研究院副院長郭志剛在論壇中介紹,目前,全球范圍內來看,鋰離子電池依托能量密度的先天優勢,處于快速增長期;鉛酸電池則處于高位平臺期;而下一代電池技術如鈉離子電池尚處于開發階段。

    在此背景下,國內鉛酸電池產量近兩年來小幅下降,產量保持在200GWh/年,全球產量維持在400GWh/年。預計到2025年,全球鋰離子電池的產能將是鉛酸電池的3—4倍。

    不過,鋰離子電池普遍存在著鋰/鈷/鎳等原料成本高,鋰電全周期的碳排放較高,安全性不穩定等缺陷。相較而言,鉛酸電池在成本、穩定性、安全性、再生利用等方面存在優勢。

    盡管如此,在鋰離子電池迅猛的追趕勢頭下,鉛酸電池確實面臨著“不進則亡”的生存危機。在論壇中,郭志剛重點介紹了目前國內鉛酸電池行業中新型的正極鉛膏技術和真空化成技術。

    傳統的鉛酸電池正極鉛膏(鉛膏是鉛酸蓄電池活性物質的母體)制作流程長,能耗高,正極和膏現場污染程度大,添加劑采用機械混合,成本也相對高昂。而新的“一步法正極配方復合技術”則是用特種鉛制作粉,形成有用成分均勻分布的復合鉛粉,和膏時只需加入水纖維和硫酸。

    “相對于常規的典型正極鉛膏工藝,一步法的一致性更好,成本能夠降低1000元/噸。”郭志剛介紹說。其次是真空化成技術。據了解,通常而言,電池在生產完成后,必須先進行化成和測試,然后才能安裝到系統中。電池化成過程采用專門的電池化成設備對電池進行充電和放電,需要高精度電壓和電流,以確保電池實現規定的使用壽命。只有在順利通過測試之后,電池才可以進入市場。

    目前,電池化成是電池生產過程中的主要瓶頸之一。為了激活剛剛裝配好的電池單元或電池組中的材料,需要花費長達20小時的時間進行充電放電循環。但這個過程必不可缺,因為它極大地影響著電池的使用壽命、質量和成本。

    據郭志剛介紹,采用常規的化成技術,電池化成時間長,耗用的電量多,集群內部溫度均一性較差,溫度不易控制。而真空化成技術的化成時間短——通常小于半天,化成電量少,極群內部溫度均一性好,溫度易控。通過這一技術,可以達到降本增效,節能減排的目的,并且提高電池化成效率,改善化成極板的均一性,提高電池壽命。

    此外,鉛酸電池出現的新技術還包括了在正極板柵中使用沖網板柵;正極采用高密度鉛膏、提高活性物質與板柵界面貼合性,在正極配方中優化添加劑(加入錫銻鉍鉛丹/低氧化度鉛丹);在電池隔板中優化粗細纖維比例,從而提高回彈性等。

    純鉛電池技術進一步成熟

    純鉛電池最早由美國艾諾斯電池集團下屬的Gates公司于1973年研發成功。通過近50年的不斷研發、改進,純鉛電池的制造技術也得到了長足發展。從電池的電化學性能、結構設計、電池材料(包括外殼材料)、制造工藝及控制等方面來看,純鉛電池都體現了鉛酸電池的極高水平。

    所謂純鉛電池,是指電池的正負極板柵(板柵是電極的集電骨架,起傳導、匯集電流并使電流分布均勻的作用,是活性物質的載體)和活性物質均采用高純度鉛(99.999%),電池通過連續鑄帶、連續沖網等特殊工藝制造而成。

    在此次論壇中,據理士國際技術有限公司技術總裁陳軍介紹,傳統鉛酸電池的正負極板柵以鉛為主要原料,但在鑄造時都要加入其它金屬 ,如鉛鈣合金 、鉛鈣錫合金、低銻合金等,形成合金板柵。

    但合金金屬的加入,導致電池極板在使用過程中腐蝕加快,電池的自放電大,使用過程中失水較快,電池內阻較大,這是傳統鉛酸電池固有的缺陷。

    雖然各蓄電池廠家對鉛酸電池進行技術更新,設計改造,但傳統鉛酸電池依然存在高溫下環境下的使用壽命較短、浮充使用和循環使用難以同時兼顧、充電時間較長等問題。

    例如,新疆金風科技有限公司某內部人員此前在一份報告中指出,我國的風力發電機組變槳系統的備用電源多采用普通鉛酸蓄電池。在環境溫度在40—50度時,鉛酸蓄電池的浮充壽命只有不足1年的時間,而目前我國大部分的風力發電機組都在“三北“地區,夏季高溫炎熱,機艙平均運行在40度左右,極大降低了鉛酸蓄電池的浮充壽命。

    據陳軍介紹,相較于普通鉛酸電池,純鉛電池擁有四大優勢,首先,純鉛電池的適用溫度范圍廣(-40℃至+80℃),特別適應于極惡劣的環境;其次,由于純鉛電池的極板超薄(約1mm,傳統電池極板厚度約為3mm),在同一尺寸殼體內,可以裝入更多的極板,大大增加了電池內部的反應面積,從而提高了電池的化學反應效率,并且降低了電池內阻,具有更高的能量密度。

    再次,純鉛電池具有快速充電接受能力,充電3小時電池容量達到90%以上(一般GEL膠體電池需要8-10小時);最后,由于純鉛電池采用超薄多極板設計,在短時間放電能力上(如城市軌道交通行業30分鐘至2小時放電需求),比傳統鉛酸電池的放電能力提高40%左右。

    此外,純鉛電池純鉛板柵的腐蝕速率,僅為常規重力澆鑄鉛鈣合金板柵的約1/6,耐腐蝕性能更好。同時由于電池內部雜質少,失水率低,自放電小,每月自放電率小于2%,因此,電池有較長的儲藏壽命,無需再充電時間可達兩年。

    不過,業內人士向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者指出,由于純鉛電池的正負極板非常“柔軟”,強度不夠,給極板制造帶來了很大的困難,另外極板的疊加和裝配也很難實施。因此早期的純鉛電池采用了卷繞式結構設計,容量最大只有100AH。隨著智能制造技術的快速發展,純鉛電池的極板制造和裝配技術已得到有效解決,電池的單體容量已達到600AH。

    據了解,純鉛電池的優良特性,使其逐步受到國內通訊行業和城市軌道交通行業的關注,部分城市已開始推廣使用。

    水平電池實現傳統電池結構突破

    相較于普通鉛酸電池乃至純鉛電池,水平電池采用了更新型的材料,在電池結構上也實現了顛覆性的突破。

    易德維能源科技有限公司總經理張正東向澎湃新聞(www.thepaper.cn)記者介紹說,1980年,美國軍方為水平電池研究立項,開啟了鉛酸電池革命的序幕。上世紀90年代末,美國Electro Source公司在全球率先研發出了水平電池的商業技術。

    一方面,水平電池使用了新材料。以易德維公司的水平電池為例,其采用了復合純鉛板柵,板柵內部核心是航天級高強度玻璃纖維,由多極耳澆鑄而成,抗拉強度可達100546 Kgf/cm2,纖維外層包覆純鉛層(鉛中僅摻入約10%的錫,以增強材料的強度),在2000MPa冷擠壓成型。而后,這些復合鉛絲編織成為板柵結構,涂抹活性物質成為電池極板。這種編織結構使得活性物質接觸面積大,電流密度100%均勻。

    據易德維能源科技公司內部估測,這種新型復合純鉛板柵的耐腐蝕性是普通重力澆鑄板柵的9倍。

    不僅如此,跟普通的電池通過極耳、匯流排和跨橋連接不同,水平電池基于雙極性極板技術,采用特殊極板堆疊方式,實現電池內部的立體串并聯,極大縮短了電流的導電路徑,從而大幅降低了電池內阻。較普通電池,水平電池內阻降低了70%左右。同時,電池的正負極活性物質同時涂敷在一塊極板上,更利于大電流的快速充放電。

    此外,與傳統鉛酸電池和純鉛電池的垂直極板放置不同,水平電池采用極板水平放置,能有效地避免活性物質脫落和電解液分層,促進氧復合,有效提升電池的充電效率和循環壽命。基于這些突破性的設計,水平電池具有諸多優越性能。據張正東介紹,快充是其一大優勢。相較于普通鉛酸電池,水平電池具有極速快充能力,3C電流(即放電電流是電池標稱容量的3倍)下只需75分鐘就能充滿,充電20分鐘電池容量能達80%以上。

    低溫環境下水平電池的表現性能也很好。在-50℃的環境中電池能夠一鍵起動,-40℃時電池的放電容量還可達40%以上,超低溫放電能力是普通產品的2倍。這一方面是由于電池的電阻低,另一方面是由于水平電池采用貧液設計,即電解液呈固態狀吸附于隔板,不具有流動性,相較而言,普通電池的液態電解液更容易凍住。

    特別地,水平電池還具有耐破壞、抗振動的優點。由于水平電池的電解液呈固態狀,外殼即使破損也無液體泄露,而在內部單體間,數百根鉛絲構成了立體串聯并聯網絡,任何破壞均不能將其連接完全損壞。

    基于這樣的優異性能,水平電池可適用于重卡,船舶,改裝車,游艇,觀光車,軍用車輛,特種車輛,工業機器人等領域,“未來在儲能領域,憑借其穩定、安全性,水平電池也能發揮重要作用。”張正東說。

    目前,易維德公司的水平電池產品在國內外都有成功使用的案例。據張正東介紹,2020年9月,公司的水平電池已使用在挪威位于北極圈內的一座燈塔上。這座燈塔長期處于零下20度的高寒環境中,傳統鉛酸電池每周都需要直升機更換,而鋰電池也不能滿足其要求,易維德公司的水平電池在燈塔上安裝后已經連續使用一年半,電池狀態良好。

    而在浙江省安吉縣的山區,水平電池也一顯身手。安吉地區坡多路陡,當地環衛車原本使用的是水電池,需要經常加水維護,成本高且麻煩,還存在酸液溢出、腐蝕車架的問題,電池通常在使用至8個月后,環衛車就會出現爬坡無力,甚至遛坡的現象,充電時間也長。2020年10月,當地環衛車換上了水平電池,電池動力強勁,車輛爬坡壓力緩解,電池能快速充電,從而節省了成本,提高了工作效率。

    不過,張正東向澎湃新聞記者(www.thepaper.cn)坦言,“水平電池仍然屬于全新的產品,仍然處于研發改進的過程,產品還需要得到進一步的檢驗,并沒有實現完全的量產。”目前,易維德公司的水平電池每天產量約為300只,產品類別包括了超級重卡電池,超級起動電池,船舶專用電池,高性能軍用車輛專用電池等。

    而據了解,在國內,除了易德維能源科技有限公司外,傳統鉛酸電池的生產廠商如天能集團,超威集團也在進行水平電池的研發,但產品均未進入量產階段。


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