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近年来,全球化学市场中,锂离子电池异军突起,化学电池的元老——铅酸电池的地位似乎岌岌可危。然而,相对于锂离子电池,铅酸电池仍然具有成本低、技术成熟、稳定可靠、安全性高、资源再利用性好等比较优势。

7月8日,在上海有色网(SMM)和天能控股集团有限公司共同举办的第十七届国际铅锌峰会暨国际铅锌技术创新大会——铅行业市场与技术论坛上,与会的业内专家进一步介绍,最近一些年,我国铅酸电池行业多项新技术涌现,纯铅电池和水平电池等新型铅酸电池的制造工艺也不断成熟,应用领域继续扩大。

看似已步入垂垂暮年的铅酸电池,实际仍然喷涌着勃勃生命力。

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铅酸电池新技术助力“碳中和”

作为工业化最早的电池,铅酸电池自1859年发明至今已经有160多年的历史。铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液。

其在化学电池市场中份额最大、使用范围最广,特别是在起动和大型等应用领域,仍具有不可替代的地位。

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据天能控股集团中央研究院副院长郭志刚在论坛中介绍,目前,全球范围内来看,锂离子电池依托能量密度的先天优势,处于快速增长期;铅酸电池则处于高位平台期;而下一代电池技术如尚处于开发阶段。

在此背景下,国内铅酸电池产量近两年来小幅下降,产量保持在200GWh/年,全球产量维持在400GWh/年。预计到2025年,全球锂离子电池的产能将是铅酸电池的3—4倍。

不过,锂离子电池普遍存在着锂/钴/镍等原料成本高,锂电全周期的碳排放较高,安全性不稳定等缺陷。相较而言,铅酸电池在成本、稳定性、安全性、再生利用等方面存在优势。

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尽管如此,在锂离子电池迅猛的追赶势头下,铅酸电池确实面临着“不进则亡”的生存危机。在论坛中,郭志刚重点介绍了目前国内铅酸电池行业中新型的正极铅膏技术和真空化成技术。

传统的铅酸电池正极铅膏(铅膏是铅酸蓄电池活性物质的母体)制作流程长,能耗高,正极和膏现场污染程度大,添加剂采用机械混合,成本也相对高昂。而新的“一步法正极配方复合技术”则是用特种铅制作粉,形成有用成分均匀分布的复合铅粉,和膏时只需加入水纤维和硫酸。

“相对于常规的典型正极铅膏工艺,一步法的一致性更好,成本能够降低1000元/吨。”郭志刚介绍说。

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其次是真空化成技术。据了解,通常而言,电池在生产完成后,必须先进行化成和测试,然后才能安装到系统中。

电池化成过程采用专门的电池化成设备对电池进行充电和放电,需要高精度电压和电流,以确保电池实现规定的使用寿命。只有在顺利通过测试之后,电池才可以进入市场。

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目前,电池化成是电池生产过程中的主要瓶颈之一。为了激活刚刚装配好的电池单元或电池组中的材料,需要花费长达20小时的时间进行充电放电循环。

但这个过程必不可缺,因为它极大地影响着电池的使用寿命、质量和成本。

据郭志刚介绍,采用常规的化成技术,电池化成时间长,耗用的电量多,集群内部温度均一性较差,温度不易控制。而真空化成技术的化成时间短——通常小于半天,化成电量少,极群内部温度均一性好,温度易控。

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通过这一技术,可以达到降本增效,节能减排的目的,并且提高电池化成效率,改善化成极板的均一性,提高电池寿命。

此外,铅酸电池出现的新技术还包括了在正极板栅中使用冲网板栅;正极采用高密度铅膏、提高活性物质与板栅界面贴合性,在正极配方中优化添加剂(加入锡锑铋铅丹/低氧化度铅丹);在电池隔板中优化粗细纤维比例,从而提高回弹性等。

纯铅电池技术进一步成熟

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纯铅电池最早由美国电池集团下属的Gates公司于1973年研发成功。通过近50年的不断研发、改进,纯铅电池的制造技术也得到了长足发展。

从电池的电化学性能、结构设计、电池材料 (包括外壳材料 )、制造工艺及控制等方面来看,纯铅电池都体现了铅酸电池的极高水平。

所谓纯铅电池,是指电池的正负极板栅(板栅是电极的集电骨架,起传导、汇集电流并使电流分布均匀的作用,是活性物质的载体)和活性物质均采用高纯度铅(99.999%),电池通过连续铸带、连续冲网等特殊工艺制造而成。

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在此次论坛中,据技术有限公司技术总裁陈军介绍,传统铅酸电池的正负极板栅以铅为主要原料,但在铸造时都要加入其它金属 ,如铅钙合金 、铅钙锡合金、低锑合金等,形成合金板栅。

但合金金属的加入,导致电池极板在使用过程中腐蚀加快,电池的自放电大,使用过程中失水较快,电池内阻较大,这是传统铅酸电池固有的缺陷。

虽然各蓄电池厂家对铅酸电池进行技术更新,设计改造,但传统铅酸电池依然存在高温下环境下的使用寿命较短、浮充使用和循环使用难以同时兼顾、充电时间较长等问题。

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例如,新疆有限公司某内部人员此前在一份报告中指出,我国的风力发组变桨系统的备用电源多采用普通铅酸蓄电池。在环境温度在40—50度时,铅酸蓄电池的浮充寿命只有不足1年的时间,而目前我国大部分的风力发电机组都在“三北”地区,夏季高温炎热,机舱平均运行在40度左右,极大降低了铅酸蓄电池的浮充寿命。

据陈军介绍,相较于普通铅酸电池,纯铅电池拥有四大优势,首先,纯铅电池的适用温度范围广(-40℃至+80℃),特别适应于极恶劣的环境;其次,由于纯铅电池的极板超薄(约1mm,传统电池极板厚度约为3mm),在同一尺寸壳体内,可以装入更多的极板,大大增加了电池内部的反应面积,从而提高了电池的化学反应效率,并且降低了电池内阻,具有更高的能量密度。

再次,纯铅电池具有快速充电接受能力,充电3小时电池容量达到90%以上(一般GEL胶体电池需要8-10小时);最后,由于纯铅电池采用超薄多极板设计,在短时间放电能力上(如城市轨道交通行业30分钟至2小时放电需求),比传统铅酸电池的放电能力提高40%左右。

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此外,纯铅电池纯铅板栅的腐蚀速率,仅为常规重力浇铸铅钙合金板栅的约1/6,耐腐蚀性能更好。同时由于电池内部杂质少,失水率低,自放电小,每月自放电率小于2%,因此,电池有较长的储藏寿命,无需再充电时间可达两年。

不过,业内人士向澎湃新闻记者指出,由于纯铅电池的正负极板非常“柔软”,强度不够,给极板制造带来了很大的困难,另外极板的叠加和装配也很难实施。因此早期的纯铅电池采用了卷绕式结构设计,容量最大只有100AH.随着智能制造技术的快速发展,纯铅电池的极板制造和装配技术已得到有效解决,电池的单体容量已达到600AH。

据了解,纯铅电池的优良特性,使其逐步受到国内通讯行业和城市轨道交通行业的关注,部分城市已开始推广使用。

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水平电池实现传统电池结构突破

相较于普通铅酸电池乃至纯铅电池,水平电池采用了更新型的材料,在电池结构上也实现了颠覆性的突破。

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