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近年來，全球化學(xué)電池市場中，鋰離子電池異軍突起，化學(xué)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(shù)成熟、穩(wěn)定可靠、安全性高、資源再利用性好等比較優(yōu)勢。

近日，在上海有色網(wǎng)（SMM）和天能控股集團(tuán)有限公司共同舉辦的第十七屆國際鉛鋅峰會(huì)暨國際鉛鋅技術(shù)創(chuàng)新大會(huì)——鉛行業(yè)市場與技術(shù)論壇上，與會(huì)的業(yè)內(nèi)專家進(jìn)一步介紹，最近一些年，我國鉛酸電池行業(yè)多項(xiàng)新技術(shù)涌現(xiàn)，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(yīng)用領(lǐng)域繼續(xù)擴(kuò)大。

看似已步入垂垂暮年的鉛酸電池，實(shí)際仍然噴涌著勃勃生命力。

鉛酸電池新技術(shù)助力“碳中和”

作為工業(yè)化最早的電池，鉛酸電池自1859年發(fā)明至今已經(jīng)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(xué)電池市場中份額最大、使用范圍最廣，特別是在起動(dòng)和大型儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域，仍具有不可替代的地位。

據(jù)天能控股集團(tuán)中央研究院副院長郭志剛在論壇中介紹，目前，全球范圍內(nèi)來看，鋰離子電池依托能量密度的先天優(yōu)勢，處于快速增長期；鉛酸電池則處于高位平臺(tái)期；而下一代電池技術(shù)如鈉離子電池尚處于開發(fā)階段。

在此背景下，國內(nèi)鉛酸電池產(chǎn)量近兩年來小幅下降，產(chǎn)量保持在200GWh/年，全球產(chǎn)量維持在400GWh/年。預(yù)計(jì)到2025年，全球鋰離子電池的產(chǎn)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(wěn)定等缺陷。相較而言，鉛酸電池在成本、穩(wěn)定性、安全性、再生利用等方面存在優(yōu)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(shí)面臨著“不進(jìn)則亡”的生存危機(jī)。在論壇中，郭志剛重點(diǎn)介紹了目前國內(nèi)鉛酸電池行業(yè)中新型的正極鉛膏技術(shù)和真空化成技術(shù)。

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


“相對于常規(guī)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(shù)。據(jù)了解，通常而言，電池在生產(chǎn)完成后，必須先進(jìn)行化成和測試，然后才能安裝到系統(tǒng)中。電池化成過程采用專門的電池化成設(shè)備對電池進(jìn)行充電和放電，需要高精度電壓和電流，以確保電池實(shí)現(xiàn)規(guī)定的使用壽命。只有在順利通過測試之后，電池才可以進(jìn)入市場。

目前，電池化成是電池生產(chǎn)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(fèi)長達(dá)20小時(shí)的時(shí)間進(jìn)行充電放電循環(huán)。但這個(gè)過程必不可缺，因?yàn)樗鼧O大地影響著電池的使用壽命、質(zhì)量和成本。

據(jù)郭志剛介紹，采用常規(guī)的化成技術(shù)，電池化成時(shí)間長，耗用的電量多，集群內(nèi)部溫度均一性較差，溫度不易控制。而真空化成技術(shù)的化成時(shí)間短——通常小于半天，化成電量少，極群內(nèi)部溫度均一性好，溫度易控。通過這一技術(shù)，可以達(dá)到降本增效，節(jié)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(xiàn)的新技術(shù)還包括了在正極板柵中使用沖網(wǎng)板柵；正極采用高密度鉛膏、提高活性物質(zhì)與板柵界面貼合性，在正極配方中優(yōu)化添加劑（加入錫銻鉍鉛丹/低氧化度鉛丹）；在電池隔板中優(yōu)化粗細(xì)纖維比例，從而提高回彈性等。


純鉛電池技術(shù)進(jìn)一步成熟

純鉛電池最早由美國艾諾斯電池集團(tuán)下屬的Gates公司于1973年研發(fā)成功。通過近50年的不斷研發(fā)、改進(jìn)，純鉛電池的制造技術(shù)也得到了長足發(fā)展。從電池的電化學(xué)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(xiàn)了鉛酸電池的極高水平。

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

在此次論壇中，據(jù)理士國際技術(shù)有限公司技術(shù)總裁陳軍介紹，傳統(tǒng)鉛酸電池的正負(fù)極板柵以鉛為主要原料，但在鑄造時(shí)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(dǎo)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(nèi)阻較大，這是傳統(tǒng)鉛酸電池固有的缺陷。

雖然各蓄電池廠家對鉛酸電池進(jìn)行技術(shù)更新，設(shè)計(jì)改造，但傳統(tǒng)鉛酸電池依然存在高溫下環(huán)境下的使用壽命較短、浮充使用和循環(huán)使用難以同時(shí)兼顧、充電時(shí)間較長等問題。

例如，新疆金風(fēng)科技有限公司某內(nèi)部人員此前在一份報(bào)告中指出，我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的備用電源多采用普通鉛酸蓄電池。在環(huán)境溫度在40—50度時(shí)，鉛酸蓄電池的浮充壽命只有不足1年的時(shí)間，而目前我國大部分的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都在“三北“地區(qū)，夏季高溫炎熱，機(jī)艙平均運(yùn)行在40度左右，極大降低了鉛酸蓄電池的浮充壽命。

據(jù)陳軍介紹，相較于普通鉛酸電池，純鉛電池?fù)碛兴拇髢?yōu)勢，首先，純鉛電池的適用溫度范圍廣（-40℃至+80℃），特別適應(yīng)于極惡劣的環(huán)境；其次，由于純鉛電池的極板超薄（約1mm，傳統(tǒng)電池極板厚度約為3mm），在同一尺寸殼體內(nèi)，可以裝入更多的極板，大大增加了電池內(nèi)部的反應(yīng)面積，從而提高了電池的化學(xué)反應(yīng)效率，并且降低了電池內(nèi)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(shí)電池容量達(dá)到90%以上（一般GEL膠體電池需要8-10小時(shí)）；最后，由于純鉛電池采用超薄多極板設(shè)計(jì)，在短時(shí)間放電能力上（如城市軌道交通行業(yè)30分鐘至2小時(shí)放電需求），比傳統(tǒng)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(guī)重力澆鑄鉛鈣合金板柵的約1/6，耐腐蝕性能更好。同時(shí)由于電池內(nèi)部雜質(zhì)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(chǔ)藏壽命，無需再充電時(shí)間可達(dá)兩年。

不過，業(yè)內(nèi)人士向澎湃新聞?dòng)浾咧赋?，由于純鉛電池的正負(fù)極板非常“柔軟”，強(qiáng)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(shí)施。因此早期的純鉛電池采用了卷繞式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容量最大只有100AH。隨著智能制造技術(shù)的快速發(fā)展，純鉛電池的極板制造和裝配技術(shù)已得到有效解決,電池的單體容量已達(dá)到600AH。

據(jù)了解，純鉛電池的優(yōu)良特性，使其逐步受到國內(nèi)通訊行業(yè)和城市軌道交通行業(yè)的關(guān)注，部分城市已開始推廣使用。

水平電池實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)電池結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)上也實(shí)現(xiàn)了顛覆性的突破。

易德維能源科技有限公司總經(jīng)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(xiàng)，開啟了鉛酸電池革命的序幕。上世紀(jì)90年代末，美國Electro Source公司在全球率先研發(fā)出了水平電池的商業(yè)技術(shù)。

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(fù)合純鉛板柵，板柵內(nèi)部核心是航天級高強(qiáng)度玻璃纖維，由多極耳澆鑄而成，抗拉強(qiáng)度可達(dá)100546 Kgf/cm2，纖維外層包覆純鉛層（鉛中僅摻入約10%的錫，以增強(qiáng)材料的強(qiáng)度）,在2000MPa冷擠壓成型。而后，這些復(fù)合鉛絲編織成為板柵結(jié)構(gòu)，涂抹活性物質(zhì)成為電池極板。這種編織結(jié)構(gòu)使得活性物質(zhì)接觸面積大，電流密度100%均勻。

據(jù)易德維能源科技公司內(nèi)部估測，這種新型復(fù)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(shù),采用特殊極板堆疊方式，實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部的立體串并聯(lián)，極大縮短了電流的導(dǎo)電路徑，從而大幅降低了電池內(nèi)阻。較普通電池，水平電池內(nèi)阻降低了70%左右。同時(shí)，電池的正負(fù)極活性物質(zhì)同時(shí)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(tǒng)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(zhì)脫落和電解液分層，促進(jìn)氧復(fù)合，有效提升電池的充電效率和循環(huán)壽命?；谶@些突破性的設(shè)計(jì)，水平電池具有諸多優(yōu)越性能。據(jù)張正東介紹，快充是其一大優(yōu)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(biāo)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(dá)80%以上。

低溫環(huán)境下水平電池的表現(xiàn)性能也很好。在-50℃的環(huán)境中電池能夠一鍵起動(dòng)，-40℃時(shí)電池的放電容量還可達(dá)40%以上，超低溫放電能力是普通產(chǎn)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(shè)計(jì)，即電解液呈固態(tài)狀吸附于隔板，不具有流動(dòng)性，相較而言，普通電池的液態(tài)電解液更容易凍住。

特別地，水平電池還具有耐破壞、抗振動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。由于水平電池的電解液呈固態(tài)狀，外殼即使破損也無液體泄露，而在內(nèi)部單體間，數(shù)百根鉛絲構(gòu)成了立體串聯(lián)并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，任何破壞均不能將其連接完全損壞。

基于這樣的優(yōu)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(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域，“未來在儲(chǔ)能領(lǐng)域，憑借其穩(wěn)定、安全性，水平電池也能發(fā)揮重要作用。”張正東說。

目前，易維德公司的水平電池產(chǎn)品在國內(nèi)外都有成功使用的案例。據(jù)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(nèi)的一座燈塔上。這座燈塔長期處于零下20度的高寒環(huán)境中，傳統(tǒng)鉛酸電池每周都需要直升機(jī)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(jīng)連續(xù)使用一年半，電池狀態(tài)良好。

而在浙江省安吉縣的山區(qū)，水平電池也一顯身手。安吉地區(qū)坡多路陡，當(dāng)?shù)丨h(huán)衛(wèi)車原本使用的是水電池，需要經(jīng)常加水維護(hù)，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(gè)月后，環(huán)衛(wèi)車就會(huì)出現(xiàn)爬坡無力，甚至遛坡的現(xiàn)象，充電時(shí)間也長。2020年10月，當(dāng)?shù)丨h(huán)衛(wèi)車換上了水平電池，電池動(dòng)力強(qiáng)勁，車輛爬坡壓力緩解，電池能快速充電，從而節(jié)省了成本，提高了工作效率。

不過，張正東向澎湃新聞?dòng)浾撸╳ww.thepaper.cn）坦言，“水平電池仍然屬于全新的產(chǎn)品，仍然處于研發(fā)改進(jìn)的過程，產(chǎn)品還需要得到進(jìn)一步的檢驗(yàn)，并沒有實(shí)現(xiàn)完全的量產(chǎn)。”目前，易維德公司的水平電池每天產(chǎn)量約為300只，產(chǎn)品類別包括了超級重卡電池，超級起動(dòng)電池，船舶專用電池，高性能軍用車輛專用電池等。

而據(jù)了解，在國內(nèi)，除了易德維能源科技有限公司外，傳統(tǒng)鉛酸電池的生產(chǎn)廠商如天能集團(tuán)，超威集團(tuán)也在進(jìn)行水平電池的研發(fā)，但產(chǎn)品均未進(jìn)入量產(chǎn)階段。

原標(biāo)題： 老樹新花：純鉛、水平電池引領(lǐng)我國鉛酸電池行業(yè)新動(dòng)力