2.2 碳元素与炭材料

炭材料是制作铅炭电池最为关键的材料。目前市面上的炭材料种类繁多，且不同炭材料厂商制作出的炭材料的形态也存在差异。因此，对于炭材料的种类的选择需慎重，而且炭材料的添加量也是研究重点，并不是炭材料的含量越多，电池的性能就越好。

炭材料具有以下几类性质：

1）具有sp3、sp2和sp三种构型，其中sp2构型的碳具有较好的导电性和导热性，sp3构型比较容易形成晶体。组合构型不同，就会形成不同形态的碳；

2）碳表面含有不同的官能团，从而也可吸附不同的基团，如吸附羧基、羟基和醛基等；

3）粒径变化范围大，从纳米级到毫米级都有存在；

4）比表面积相差几倍乃至上百倍；

5）具有斜方和六方堆积的缺陷。这些原因导致碳的同素异形体有很多，不同种类的碳具有不同的物理化学性质，但不是每一种炭材料都能抑制电池负极硫酸盐化。种类不同、含量不同，对于电池的寿命影响很大，因此，对于炭材料的选择十分重要。

铅炭电池中炭材料的参数要求：

1）炭材料应具有较高的抗氧化能力。在对阀控铅酸蓄电池进行充电时，当电池的SoC达到75%时，就会析出氧气，这些氧气会扩散到负极，在负极被还原生成水，即所谓的“闭合氧循环”。如果在负极加入炭材料，则这些炭材料可能会被氧气氧化还原，从而难以发挥作用。所以炭材料的抗氧化能力尤为重要。

2）炭材料具有适当的比表面积。在CSIRO小组的研究中，他们认为活性炭的比表面积对于电池性能的提高非常重要。当铅酸电池用作HEV中，在使用初期，活性炭添加剂能够作为一种分离PbSO₄连续生长的第二相，避免其生长成为大颗粒。在该条件下，高比表面积的炭材料将会更加有效。

3）具有良好的电容性能。炭材料需要具有高比表面积才能发挥炭材料电容的作用，因此，必须拥有合适孔径与比表面积的材料才能应用到铅炭电池中。炭材料能够在负极活性物质中为铅离子的还原提供位点，并且在电池高倍率充放电时，提供双电层电容，有效地分担电流，并且要求炭材料的颗粒应该较小，能够占据负极活性物质的孔隙，同时达到抑制硫酸铅晶体生长的目的。

4）炭材料的电化学活性。炭材料的电化学活性也会影响其在蓄电池中的性能。电化学活性炭对电池的充电过程具有很强的催化作用，而且这些电化学活性炭可能会参与到电池充电过程中。相比较而言，铅酸电池负极板中Pb2++2e-→Pb的反应，在有电化学活性炭的情况下，会比未添加电化学活性炭时低300～400mV。因此，在实际应用中，对炭材料进行前期活化，使其在铅酸电池工作环境中具有电化学活性是保证炭材料在铅炭电池中发挥作用的关键因素。

5）良好的导电性。炭材料需要具有良好的导电性，这样在活性物质中能够形成良好的导电网络，能够增加HRPSoC工况下活性物质的电导率，以及炭材料/电解液界面活性，促进电化学反应的进行。

6）材料的颗粒大小对电池性能也有很大的影响，颗粒过小，容易导致其在电极中发生团聚，从而使得炭材料在负极板中难以均匀分布，此时电池性能反而劣化。合适的炭材料尺寸一般应处于微米级，且其在负极板中能够均匀分布，此时铅酸电池的性能才能得到明显提高。

7）炭材料中的杂质类型。炭材料中含有的一些杂质元素会对电池性能产生，需要考虑在内。不同杂质元素对于电池性能影响不同。

8）炭材料与铅极板有较强的亲和力。炭材料与铅极板要具有较强的亲和力，以便其能够进入到铅酸电池负极板活性物质骨架中，成为骨架中的一部分而发挥作用，发挥电容作用，提高电池极板导电性，降低电池阻抗。

9）与铅负极具有相似的工作电势。由于炭材料与铅电极的工作电势具有一定的差异。当电池在充电时，炭材料提供双电层电容，能够提高负极的充电接受能力；但是当电池在放电时，当电极电势为-0.98V时，铅会转化成硫酸铅，而当电极电势高于-0.5V时，炭材料的双电层才会发生电荷的中和反应（如图2-1所示）。这说明，在放电初期，主要是铅在进行放电，因此需要对炭材料进行一定的处理，使得其放电电势降低。

10）成本低。由于炭材料部分取代了负极活性物质，若其成本较高，不利于铅炭电池的工业化生产。

此外，也有一些研究认为炭材料表面官能团对其性能的发挥也有重要作用。如炭表面的羧基有利于提高负极活性物质利用率与低温条件下电池大电流放电性能[12]。此外有研究认为[3]，表面氨基基团含量高、醋酸根含量低的炭材料更能有效地抑制电池负极板中氢气的析出，加速铅与PbSO₄之间的转化，有效延长电池在HRPSoC工况下的循环寿命。

铅炭电池负极中加入的炭材料主要有石墨、炭黑、活性炭、碳纳米管、石墨烯等。