1、泡沫炭集流體新技術泡沫炭集流體新技術報告內(nèi)容報告內(nèi)容1. 鉛酸電池的特點鉛酸電池的特點 2. 鉛酸電池的主要發(fā)展方向鉛酸電池的主要發(fā)展方向 報告內(nèi)容報告內(nèi)容1. 鉛酸電池集流體應具備的性能鉛酸電池集流體應具備的性能2. 鉛酸電池集流體種類鉛酸電池集流體種類(1) 鉛合金板柵集流體鉛合金板柵集流體(2) 復合材料板柵集流體復合材料板柵集流體(3) 鉛泡沫集流體鉛泡沫集流體(4) 泡沫炭集流體泡沫炭集流體報告內(nèi)容報告內(nèi)容上世紀上世紀60年代問世。早期采用熱固性有機聚合物（如樹脂、溶年代問世。早期采用熱固性有機聚合物（如樹脂、溶膠膠-凝膠）為原料，經(jīng)高溫發(fā)泡后熱解、炭化或石墨化而得泡沫凝膠）為原料，

2、經(jīng)高溫發(fā)泡后熱解、炭化或石墨化而得泡沫炭，又稱網(wǎng)狀玻態(tài)炭炭，又稱網(wǎng)狀玻態(tài)炭(英文縮寫英文縮寫RVC)。因強度不夠，推廣應用比。因強度不夠，推廣應用比較困難。較困難。 1. 泡沫炭的發(fā)展歷程泡沫炭的發(fā)展歷程 1992年，美空軍年，美空軍wright 基礎材料實驗室應用模型分析預測了基礎材料實驗室應用模型分析預測了網(wǎng)架結構石墨泡沫的存在。網(wǎng)架結構石墨泡沫的存在。1997年，美國橡樹嶺國家實驗室用年，美國橡樹嶺國家實驗室用中間相瀝青為原料，制備出了具有實用價值的石墨化泡沫炭，先中間相瀝青為原料，制備出了具有實用價值的石墨化泡沫炭，先后申請了多項專利。后交給得克薩斯州的后申請了多項專利。后交給得克薩斯

3、州的Poco Graphite公司生產(chǎn)開發(fā)。公司生產(chǎn)開發(fā)。 現(xiàn)有主要商品泡沫炭：現(xiàn)有主要商品泡沫炭：Poco Graphite公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的PocoFoam；Touchstone實驗有限責任公司生產(chǎn)粘結性煤為原料的實驗有限責任公司生產(chǎn)粘結性煤為原料的CFOAMTM。2. 泡沫炭的制備泡沫炭的制備 發(fā)泡工藝法：發(fā)泡工藝法：以煤和中間相瀝青（煤瀝青、石以煤和中間相瀝青（煤瀝青、石油瀝青或合成瀝青調(diào)制而成）為原料，在高溫、高壓油瀝青或合成瀝青調(diào)制而成）為原料，在高溫、高壓下進行造泡，經(jīng)過焦化、炭化和石墨化等步驟制成泡下進行造泡，經(jīng)過焦化、炭化和石墨化等步驟制成泡沫炭。沫炭。 有機多孔模板浸漬法

4、：有機多孔模板浸漬法：以三維開孔網(wǎng)狀骨架結以三維開孔網(wǎng)狀骨架結構的有機多孔模板為基體，浸漬原料漿料得多孔素坯，構的有機多孔模板為基體，浸漬原料漿料得多孔素坯，經(jīng)過焦化、炭化和石墨化等制成泡沫炭。經(jīng)過焦化、炭化和石墨化等制成泡沫炭。3. 泡沫炭的性能泡沫炭的性能豐富的大孔結構豐富的大孔結構( (幾百微米至幾百微米至1 1毫米毫米) )高比表面積高比表面積穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好（耐高溫、耐腐蝕）（耐高溫、耐腐蝕）密度低密度低（0.20.8g/cm3）比強度大比強度大熱導率、電導率調(diào)節(jié)范圍大熱導率、電導率調(diào)節(jié)范圍大吸聲特性好吸聲特性好 4. 泡沫炭的應用泡沫炭的應用 結構材料結構材料 散熱材料散熱材料 催

5、化劑載體催化劑載體 電池材料電池材料報告內(nèi)容報告內(nèi)容泡沫炭用作電池材料泡沫炭用作電池材料 1996年，年，Czerwinski首先提出了采用網(wǎng)狀玻態(tài)首先提出了采用網(wǎng)狀玻態(tài)炭泡沫炭炭泡沫炭(RVC)作為鉛酸電池的集流體。作為鉛酸電池的集流體。 2004年美國年美國Firefly能源公司首次將石墨化中間能源公司首次將石墨化中間相瀝青基泡沫炭用作鉛酸電池集流體，并申請美國相瀝青基泡沫炭用作鉛酸電池集流體，并申請美國專利。專利。燃料電池燃料電池超級電容器超級電容器鉛酸電池鉛酸電池1. 網(wǎng)狀玻態(tài)炭集流體網(wǎng)狀玻態(tài)炭集流體不同孔徑網(wǎng)狀玻態(tài)炭的不同孔徑網(wǎng)狀玻態(tài)炭的SEMSEM照片照片J.M. Friedric

6、h, J. Electroanal. Chem. 561 (2004) 203. 網(wǎng)狀玻態(tài)炭網(wǎng)狀玻態(tài)炭(RVC)集流體的特點集流體的特點 具有三維開放式孔結構，比表面積、孔隙率高，具有三維開放式孔結構，比表面積、孔隙率高，孔徑大?？讖酱蟆?化學穩(wěn)定性好，在鉛酸電池正負極電位區(qū)間內(nèi)均化學穩(wěn)定性好，在鉛酸電池正負極電位區(qū)間內(nèi)均有較好穩(wěn)定性。有較好穩(wěn)定性。 以網(wǎng)狀玻態(tài)炭為集流體的電極板中，活性物質尺以網(wǎng)狀玻態(tài)炭為集流體的電極板中，活性物質尺度更小，顆粒更加均勻，容量提高度更小，顆粒更加均勻，容量提高30 %。 價格較低。價格較低。Czerwinski, J. Power Sources 64 (19

7、97) 29Czerwinski, J. Electroanal. Chem. 410 (1996) 55E. Gyenge, J. Appl. Electrochem. 32 (2002) 287 導電性和導熱性較差。導電性和導熱性較差。 機械強度低機械強度低(763 kPa) 。 2. 瀝青基和煤基泡沫炭集流體瀝青基和煤基泡沫炭集流體 具有三維開放式孔結構，比表面積高。具有三維開放式孔結構，比表面積高。 （300m2/g） 石墨化泡沫炭具有極高的電導率和導熱性。石墨化泡沫炭具有極高的電導率和導熱性。（103S/cm,180W/m.K，而，而RVC:1.3S/cm,0.085W/m.K） 機

8、械強度更高。機械強度更高。（2.15.1 MPa） 非石墨化泡沫炭可用于正負電極集流體，化非石墨化泡沫炭可用于正負電極集流體，化學穩(wěn)定性好；而石墨化泡沫炭用于正極集流體學穩(wěn)定性好；而石墨化泡沫炭用于正極集流體時，化學穩(wěn)定性差。時，化學穩(wěn)定性差。 中間相瀝青基泡沫炭集流體制備成熟，具有中間相瀝青基泡沫炭集流體制備成熟，具有良好的性能，但價格昂貴；開發(fā)廉價的煤基和良好的性能，但價格昂貴；開發(fā)廉價的煤基和其他瀝青基泡沫炭集流體的工作還沒有突破性其他瀝青基泡沫炭集流體的工作還沒有突破性的進展。的進展。陳亞，鉛酸電池用瀝青基泡沫炭集流體的制備及應用研究，博士學位論文。陳亞，鉛酸電池用瀝青基泡沫炭集流體的

9、制備及應用研究，博士學位論文。石墨化泡沫炭作正極集流體的研究石墨化泡沫炭作正極集流體的研究石墨化泡沫炭表面鍍鉛改性研究石墨化泡沫炭表面鍍鉛改性研究循環(huán)性能和正極活性物質的利用率循環(huán)性能和正極活性物質的利用率泡沫炭上的沉積鉛泡沫炭上的沉積鉛(a)(a)普通極板的沉積鉛普通極板的沉積鉛(b)(b)的的SEMSEM圖圖涂鉛膏的泡沫炭涂鉛膏的泡沫炭 Chen Electrochem. Commun. 10 (2008) 1064Dudney, J. Power Sources 161 (2006) 1392鉛板柵和泡沫炭集流鉛板柵和泡沫炭集流體上鉛顆粒對比體上鉛顆粒對比 鉛氧化物的漿料充填到泡沫炭的孔

10、隙中，鉛氧化物的漿料充填到泡沫炭的孔隙中，再按原有方法制備成海綿鉛或二氧化鉛，再按原有方法制備成海綿鉛或二氧化鉛，得到獨特結構的負、正電極板。集流體與得到獨特結構的負、正電極板。集流體與活性物質的接觸面增加活性物質的接觸面增加2000倍，活性鉛的倍，活性鉛的利用率由利用率由3040%提高到提高到90。 3. 美國美國Firefly能源公司能源公司 泡沫炭集流體鉛酸電池技術泡沫炭集流體鉛酸電池技術 泡沫炭集流體鉛電極板結構：由兩片泡泡沫炭集流體鉛電極板結構：由兩片泡沫炭片和中間的粘接層組成，粘接層有沫炭片和中間的粘接層組成，粘接層有利于提高泡沫炭體的強度。利于提高泡沫炭體的強度。鉛板柵和泡沫炭集

11、流體鉛板柵和泡沫炭集流體泡沫炭鉛電極板泡沫炭鉛電極板3D負極板采用泡沫炭集流體，正極板保負極板采用泡沫炭集流體，正極板保留傳統(tǒng)鉛酸電池的鉛板柵集流體。留傳統(tǒng)鉛酸電池的鉛板柵集流體。 3D2 正極板和負極板均采用泡沫炭集流體。正極板和負極板均采用泡沫炭集流體。兩種泡沫炭集流體鉛酸電池技術兩種泡沫炭集流體鉛酸電池技術 3D傳統(tǒng)鉛酸電池和傳統(tǒng)鉛酸電池和Firefly 3DFirefly 3D鉛酸電池的熱成像圖鉛酸電池的熱成像圖Firefly 3D鉛酸電池的熱特性鉛酸電池的熱特性Firefly 鉛酸電池的循環(huán)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命傳統(tǒng)鉛酸電池和傳統(tǒng)鉛酸電池和Firefly Firefly 鉛酸電池的循環(huán)壽命比較鉛酸電池的循環(huán)壽命比較泡沫炭對鉛酸電池性能的影響泡沫炭對鉛酸電池性能的影響 泡沫炭集流體高的比表面積、孔隙率，泡沫炭集流體高的比表面積、孔隙率，可縮短電可縮短電極板內(nèi)電子和離子的傳遞距離，使電池的功率得極板內(nèi)電子和離子的傳遞距離，使電池的功率得到很大提高；同時泡沫炭集流體能降低活性物質到很大提高；同時泡沫炭集流體能降低活性物質尺度，提高活性物質利用率，阻止負極硫酸鹽化，尺度，提高活性物質利用率，阻止負極硫酸鹽化，因而提高容量，有效改善循環(huán)壽命。因而提