2.2 碳元素與炭材料

炭材料是制作鉛炭電池最為關鍵的材料。目前市面上的炭材料種類繁多，且不同炭材料廠商制作出的炭材料的形態也存在差異。因此，對于炭材料的種類的選擇需慎重，而且炭材料的添加量也是研究重點，并不是炭材料的含量越多，電池的性能就越好。

炭材料具有以下幾類性質：

1）具有sp3、sp2和sp三種構型，其中sp2構型的碳具有較好的導電性和導熱性，sp3構型比較容易形成晶體。組合構型不同，就會形成不同形態的碳；

2）碳表面含有不同的官能團，從而也可吸附不同的基團，如吸附羧基、羥基和醛基等；

3）粒徑變化范圍大，從納米級到毫米級都有存在；

4）比表面積相差幾倍乃至上百倍；

5）具有斜方和六方堆積的缺陷。這些原因導致碳的同素異形體有很多，不同種類的碳具有不同的物理化學性質，但不是每一種炭材料都能抑制電池負極硫酸鹽化。種類不同、含量不同，對于電池的壽命影響很大，因此，對于炭材料的選擇十分重要。

鉛炭電池中炭材料的參數要求：

1）炭材料應具有較高的抗氧化能力。在對閥控鉛酸蓄電池進行充電時，當電池的SoC達到75%時，就會析出氧氣，這些氧氣會擴散到負極，在負極被還原生成水，即所謂的“閉合氧循環”。如果在負極加入炭材料，則這些炭材料可能會被氧氣氧化還原，從而難以發揮作用。所以炭材料的抗氧化能力尤為重要。

2）炭材料具有適當的比表面積。在CSIRO小組的研究中，他們認為活性炭的比表面積對于電池性能的提高非常重要。當鉛酸電池用作HEV中，在使用初期，活性炭添加劑能夠作為一種分離PbSO₄連續生長的第二相，避免其生長成為大顆粒。在該條件下，高比表面積的炭材料將會更加有效。

3）具有良好的電容性能。炭材料需要具有高比表面積才能發揮炭材料電容的作用，因此，必須擁有合適孔徑與比表面積的材料才能應用到鉛炭電池中。炭材料能夠在負極活性物質中為鉛離子的還原提供位點，并且在電池高倍率充放電時，提供雙電層電容，有效地分擔電流，并且要求炭材料的顆粒應該較小，能夠占據負極活性物質的孔隙，同時達到抑制硫酸鉛晶體生長的目的。

4）炭材料的電化學活性。炭材料的電化學活性也會影響其在蓄電池中的性能。電化學活性炭對電池的充電過程具有很強的催化作用，而且這些電化學活性炭可能會參與到電池充電過程中。相比較而言，鉛酸電池負極板中Pb2++2e-→Pb的反應，在有電化學活性炭的情況下，會比未添加電化學活性炭時低300～400mV。因此，在實際應用中，對炭材料進行前期活化，使其在鉛酸電池工作環境中具有電化學活性是保證炭材料在鉛炭電池中發揮作用的關鍵因素。

5）良好的導電性。炭材料需要具有良好的導電性，這樣在活性物質中能夠形成良好的導電網絡，能夠增加HRPSoC工況下活性物質的電導率，以及炭材料/電解液界面活性，促進電化學反應的進行。

6）材料的顆粒大小對電池性能也有很大的影響，顆粒過小，容易導致其在電極中發生團聚，從而使得炭材料在負極板中難以均勻分布，此時電池性能反而劣化。合適的炭材料尺寸一般應處于微米級，且其在負極板中能夠均勻分布，此時鉛酸電池的性能才能得到明顯提高。

7）炭材料中的雜質類型。炭材料中含有的一些雜質元素會對電池性能產生，需要考慮在內。不同雜質元素對于電池性能影響不同。

8）炭材料與鉛極板有較強的親和力。炭材料與鉛極板要具有較強的親和力，以便其能夠進入到鉛酸電池負極板活性物質骨架中，成為骨架中的一部分而發揮作用，發揮電容作用，提高電池極板導電性，降低電池阻抗。

9）與鉛負極具有相似的工作電勢。由于炭材料與鉛電極的工作電勢具有一定的差異。當電池在充電時，炭材料提供雙電層電容，能夠提高負極的充電接受能力；但是當電池在放電時，當電極電勢為-0.98V時，鉛會轉化成硫酸鉛，而當電極電勢高于-0.5V時，炭材料的雙電層才會發生電荷的中和反應（如圖2-1所示）。這說明，在放電初期，主要是鉛在進行放電，因此需要對炭材料進行一定的處理，使得其放電電勢降低。

10）成本低。由于炭材料部分取代了負極活性物質，若其成本較高，不利于鉛炭電池的工業化生產。

此外，也有一些研究認為炭材料表面官能團對其性能的發揮也有重要作用。如炭表面的羧基有利于提高負極活性物質利用率與低溫條件下電池大電流放電性能[12]。此外有研究認為[3]，表面氨基基團含量高、醋酸根含量低的炭材料更能有效地抑制電池負極板中氫氣的析出，加速鉛與PbSO₄之間的轉化，有效延長電池在HRPSoC工況下的循環壽命。

鉛炭電池負極中加入的炭材料主要有石墨、炭黑、活性炭、碳納米管、石墨烯等。