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21世纪初(2009年)美国进行了“下一代电池与电动车”项目的研发,投入巨资用于电池及其材料的开发与生产,特别关注新型铅酸电池的研发。将其中具有“铅炭”电极(Lead-Carbon Electrode)的圣阳蓄电池酸电池以及超级电池(UltraBattery)摆在显著位置。
炭”电极是指铅负极掺(镀)人高表面积炭材料(比如有活性炭、活性类纤维、纳米碳管等),这样就可以提高铅负极活物质的利用率,还能抑制硫酸铅晶粒在负极上的蓄积(或长大),可以缓解电池因硫酸盐化而失效。此外,由于含有高比表面积的炭材料,使其具有高导电性和对铅基活物质的分散性,因而提高了电池的输出功率。铅负极含有大量高表面积炭材料,能和电池中的正极(PbOz)构成一个非对称性电容器,在高功率充/放电或脉冲放电时,提供双电层电容,从而减轻大电流充/放电对负极的冲击(或损害)。铅炭电极内部具有很丰富的孔隙结构,有益于电液离子的快速迁移,对高功率充/放电极为有利。具有铅炭电极的铅酸电池一般称为铅炭电池。
超级圣阳蓄电池可以看作是超级电容器与铅酸电池并联使用。并联有外部并联(外并),是指依靠外电路(带有控制线路)实现两者并联。随后又进化至内部并联(内并)(1ead-acidbatterywithacarbonSupercapacitorCombi—nation)。“内并”是将双电层电容器并联在铅酸电池槽内部,从而优化了外部电路的复杂控制线路,大大简化了装置。降低了总成本,更主要的是高比功、长寿命的双电层电容器融合在高比能的铅酸电池内,还保持“外并”的优点,构成一个整体的混合储能装置系统(hybrid energy storagesystem,HESS),这要比通常的铅酸电池有高得多的综合性能,可以说这一技术是逼近铅酸电池性能终极的一次重大技术突破。不难看出,铅炭电池与超级电池将在下一代电动汽车上得到应用。
以HRPSoC工况下进行循环试验,圣阳蓄电池三个循环组后的含炭黑AC3的负极活物质的相组成。
通过XRD分析,对含0.5%(质量分数)ACs的负极活物质在经过不同放电深度0.5%、3.0%及5.0%DOD循环后,PbSOd相中存在大量a-PbO(tet—PbO),。—PbO相由非常小的晶体粒子组成。在5.0%DOD循环时,相比3.0%及0.5%DOD循环,其负极活物质中的a-PbO要更多。实际上。—PbO含量与PbSO,含量是成比例的,它表示Pb在HzSO+溶液中的电化学氧化,不仅包括PbSO+形成的化学反应过程,同样也包含a-PbO的形成过程。
—PbO相只能在碱性介质中形成,在负极活物质孔隙中溶液是碱性的。在负极活物质中。—PbO的量很高,而且是在0.5%DOD循环时形成的。充电后PbSO+量较低,随着放电深度DOD增加至3.0%,。—PbO量会明显减少,而且PbSO+含量仍然比较低。究其原因,在经过三个循环组后的补充电(再充电)时,。—PbO及PbSO‘两相都有不同程度的减少。在5.0%DOD循环后又对电池进行补充电(再充电)时,在负极活物质中的主要晶体相仍然存在PbSO+,在X衍射图谱中,没有观察到。—PbO有衍射峰,圣阳蓄电池PbS04衍射峰比金属铅要高,这表示有薄薄的PbS04层已经形成。
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炭黑的性质
炭黑重要的物理、化学性质就是分散性、键状结构与粒子表面特征。
炭黑的分散性通常以炭黑粒子直径的平均值来表征,且比表面积直接与粒子大小有关,即与分散性程度有关,粒子越细,比表面积越大;它与黏合剂黏结的吸附力也越大。因生产方式不同,生产的炭黑
可具有支键结构的键或五分支结构的键,这种由炭黑粒子结成的键,其强度很大,应用这种炭黑在混合时,不易破坏。其中混气槽黑、喷雾炭黑,其支键结构极其复杂,灯烟炭黑与瓦斯槽黑次之,热解
炭黑则没有支键结构,只是少量粒子间的成对联结。支键结构愈发达,累积重量就愈小,吸油量则愈高。
因生产方法不同,生产的炭黑粒子表面状态(特征)不同:瓦斯炉法、灯烟法、喷雾法所生产的炭黑表面平滑;瓦斯槽法、混气槽法等生产的炭黑其表面具有粗糙的孔隙,粒径越小则表明越粗糙。炭黑表
面的化学性质是根据炭黑和水的混合物的氢离子浓度(pH值)来表征的。通常瓦斯槽法与混气槽法生产的炭黑其表面含有2.5%~4.5%(质量分数)的氧,估计是生成了络合物巳O,,因而它们的表面呈酸
性,pH值小,炭黑的吸水性越强,其水分或水分挥发分也就越大。其他方法生产的炭黑一般呈碱性,pH值较大,或许说明了其表面没有化合态的氧,可能还吸附了某些碱性的磺化物质。
炭黑粒子通过X射线衍射分析,属于乱层结构:它的表层(3—5层)由平行的碳原子六角网格堆积,却不像石墨规整排列,越深入到内层排列就越无序,发现有许多微孑L,故其真实密度为1.7—1.9g/cm
赛特
蓄电池车辆必须符合ISO 26262标准规定的安全性能要求。不能用普通的传统汽车起动电池作新能源汽车电池使用。未来车辆会用电驱动、起停滑引,使用AGM电池和启用第二能源体系。48V柴油引擎和铅酸电池混合使用,是非常现实的。48V市场的机缘,配合48V柴油引擎和铅酸电池混合能源正在兴起,有助于起电装置技术的发展。其中,起停系统已经确定了成本—效能评估的结论:即节省燃油,改善了燃料经济性能,柴油引擎的排放也减少了。车辆上的电源能需系统有许多,如原生发电、补偿发电等都要靠灵巧精确的管理系统来支撑。可以预计,“微混”车将在2020年覆盖全球15%左右的电动汽车市场。在欧洲的OEM生产的是48V系统,在整个欧洲市场以“微混”车为主,98%使用的都是48V系统。为何采用48V系统?首先,48V系统减少了COz排放量,满足法定排放的要求;其次,使车内舒适感提高以及新增了许多其他功能;另外,48V系统比高伏系统的电池安全性高、成本低、重量轻,减小了集成化的程度。因此,推荐48V系统,由于其功能性高、成本低,从而可作为常用的车辆使用系统。48V系统很可能有填补现代技术发展的12V起停电池与高伏混合能源车之间的空白的趋势。目前东宾(East penn)生产的48V铅炭电池组系统,总组件重27.5kg,总组件体积10.3L。
(1)表现出能的情况
①1小时率:665W·h;体积比能:64W.h/L;重量比能:24W.h/kg。②10小时率:840W·h;体积比能:81W.h/山重量比能:31W.h/kg。
(2)表现出功的情况10%放电深度(DOD):120.95kW/L;10%DOD:31W.h/kg。
带起—停装置的》弓形车辆,以12V为准,通过引擎优化,可使T/M延长15%。再生功回用与用BSG转矩加速或持续起停操作,则会将C02排放量减少10%。铅炭电池供起停使用的明显的优势表现为:在广泛温度范围内,无论在引擎关闭或充电机启用时都有高峰放电能力,圣阳蓄电池另外,再生功回用时有极高的充电接受。带有起停系统的“微混”车是近年畅销的车辆,因带有起停系统和制动(刹车)功回收功能,可节省燃料,减少COz排放
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