現(xiàn)階段,針對全球日趨嚴重的環(huán)境污染,以美日歐為主的工業(yè)先進國家,莫不積極投入大量資金及資源開發(fā)電動車輛,然而電動車輛能否商業(yè)化成功,關鍵在動力電源;就目前可供選擇的多種電池動力電源中,從性能、價格、技術成熟度、額定電壓(鉛酸蓄電池為2V、鎳鎘/鎳氫/鎳鐵電池等為1.2V、鋰離子/鋰高分子電池為3.6V)等多項因素綜合考慮結果,以鉛酸蓄電池最實用,但作為電動車輛動力電源,電池必須具有高能量密度及長循環(huán)使用壽命兩大特點,而此又為現(xiàn)階段鉛酸蓄電池存在的主要課題,故各國莫不持續(xù)投入大量研發(fā)工作,試圖從鉛酸蓄電池的材料、結構、制造方法等方面著手,期待鉛酸蓄電池在能量密度及循環(huán)使用壽命方面,能有突破性重大改善,以因應目前交通/運輸、通訊、能源/備用電源等領域的需求。
第一節(jié) 電解液添加劑
基于使用電解液添加劑,具有可以不必改變電池制程、附加成本低、效果佳等優(yōu)點,且一般而言,電解液中若加入適當種類及含量的添加劑,不僅不會引起電池電容量及放電性能惡化,更能提高電池低溫特性及電容量,故長久以來各國均積極研制各種類型添加劑,作為提高電池性能、延長電池循環(huán)使用壽命的主要途徑之一。
目前常被使用作為鉛酸蓄電池電解液的添加劑,主要計有堿金屬或堿土金屬鹽類(可以顯著提高電池電容量的恢復能力及充電接受能力、抑制PCL現(xiàn)象的發(fā)生等;例如Li+、Na+、K+、Mg+、Ca2+及其它相應的硫酸鹽等)、Al3+、ClO4—、Sn2+、Cd2+、Co2+、H3PO4及其它無機離子或無機鹽等;其中Na2SO4、MgSO4、SnSO4、CoSO4、(NH4)2SO4、H3PO4、(NH4)2Cr4O7、C8F14SO3NH4等,均是當前投入較多 研究 資源的添加劑種類。
此外,以碳素懸浮液作為鉛酸蓄電池電解液的添加劑,是新近的 研究 開發(fā)方向;此碳素懸浮液是以水溶液(包括純水、稀硫酸水溶液、或其它添加了對鉛酸蓄電池無不良影響之少量電解質的水溶液)作為電解液,碳素材料為陽極,在水溶液中外加直流電壓并慢慢增大電流,當達到某電流值時,陽極周圍析出霧狀碳素粉末,并懸浮在水溶液中呈膠狀懸浮液;當電解液添加碳素懸浮液作為添加劑時,電解液呈現(xiàn)黑濁狀態(tài),正負極板間雖有短路的顧慮存在,然而實際的情狀是當外加電壓(充電)時,懸浮的碳素粉末會被正極板吸引而電沈積,電解液回復成原來的澄清透明狀態(tài),故并無短路之虞,反之,當外加電壓(充電)時,若碳素粉末無法被吸附在正極板上(電解液無法由黑濁狀態(tài)回復為澄清透明狀態(tài)),即表示該鉛酸蓄電池已嚴重失效、無法再充電使用時。
第二節(jié) 有效抑制電解液減少的添加劑
當鉛酸蓄電池的正極柵板使用鉛-銻合金而不是使用鉛-鈣合金時,電池的電解液會有顯著減少的現(xiàn)象,探討其主要原因在于正極柵板若采用鉛-銻合金,則充電時銻會由正極柵板溶解到電解液中形成銻離子,并移動到負極柵板在負極活性物質上析出,使得負極柵板的氫過電壓降低,促進氫氣發(fā)生并造成電解水分損失,為此,常在電解液中添加香草醛等醛基酚類有機物,促使銻在負極柵板被醛基吸附,有效抑制電解水分損失。然而值得一提的是,隨著蓄電池長期使用(充放電次數(shù)增加),醛基酚類有機物抑制電解水分損失的效果將會下降,而鉛酸蓄電池的充放電效率亦因負極柵板吸附大量醛基酚類有機物而降低。
第三節(jié) 負極添加劑
鉛酸蓄電池于低溫下普遍有充電接受力/效率低的缺點,而鉛酸蓄電池的低溫性能主要決定于負極,因此,針對負極添加劑(例如碳黑、木素、木素纖維素、BaSO4等)方面的研發(fā),顯得相當活絡;另生產負極板時常使用的抗氧化劑為松香、1,2酸、沒食子酸等,但此些抗氧化劑普遍存有一些缺點,故以油類(價格便宜、無毒、符合環(huán)保要求)作為抗氧化劑的 研究 亦不少,據(jù)文獻顯示,使用合成油時,電池的抗氧化效果較沒食子酸佳,且充電性能大幅提高。此外,已有文獻報導顯示,鉛酸蓄電池柵板合金中若添加0.02%的鉍,可有效提高鉛酸蓄電池電容量,充電接受能力及循環(huán)壽命等性能。
第四節(jié) 正極添加劑
近年來正極添加劑方面的 研究 ,主要有4大方向,分別為(1)提高活性物質的孔率及導電性;(2)提高鉛膏的存水能力及穩(wěn)定性;(3)改變二氧化鉛的結晶型態(tài);(4)加強質子H+的傳導。
(1)提高活性物質的孔率及導電性:相關 研究 方向,包括在鉛酸蓄電池正極活性物質中添加碳黑、石墨、乙炔黑、CMC、鈉鹽、鉀鹽、鋰鹽、MgSO4、CaSO4、SnO、Bi2O3、SnO和Bi2O3的混和物等,以提高活性物質的孔率及導電性。
(2)提高鉛膏的存水能力及穩(wěn)定性:相關 研究 包括添加CMC和碳黑以增加鉛膏的存水能力,及添加纖維使活性物質的機械性能穩(wěn)定,有效提高了鉛酸蓄電池循環(huán)壽命等性能。
(3)改變二氧化鉛的結晶型態(tài): 研究 方向包括使用復合添加劑促進-PbO2和活性物質的微細化,除了能使正極電容量提高外,更有利于活性物質和電極柵板的結合定,有效提高了鉛酸蓄電池循環(huán)使用壽命等性能。相關方法為將Pb3O4和鉛混合、高溫固化后得到的4PbO-PbSO4膏制成正極柵板,結果活性物質中的-PbO2含量顯著增加;或使用適量的氟塑料、纖維素鹽和乙炔黑來改變/-PbO2的比例。
(4)加強質子H+的傳導:鑒于涂膏式鉛酸蓄電池正極的放電速度,決定于活性物質微孔中的H+擴散條件,促進微孔中的H+濃度迅速達到平衡,可顯著提高鉛酸蓄電池正極的放電容量;為此, 研究 方向包括使用RSO3H、BD等作為正極活性物質添加劑,可有效提高電池電容量及正極活性物質利用率。
第五節(jié) 降低高溫浮充電流值的添加劑
密閉式鉛酸蓄電池在高溫浮充(備用)使用時,充電電流增大,會使蓄電池溫度急遽上升,發(fā)生電解液減少及正極柵板腐蝕的現(xiàn)象,從而降低鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命,甚至發(fā)生熱失控,致使電池爆裂的情況;根據(jù)
研究
文獻顯示,目前已有將分子內具有游離基聚合可能的雙鍵反應性表面活性劑,當作添加劑添加到負極活性物質中,或負極活性物質與電解液中,由于反應性表面活性劑增大海綿狀鉛比表面積的作用較以往常添加的木素小,故當負極的充電過電壓升高時,能較木素更有效的降低充電電流值。
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