鉛酸電池用碳一用作鉛酸電池添加劑的碳1正極板的碳質添加劑1.1石墨在各種常規碳材料中，石墨的耐氧化性較強。據日本研究者報道，將0.1%—2.0%（質量分數）的石墨（純度99.6%）加入到鉛酸電池正極材料中，既增加了放電容量，還延長了壽命。在電池化成過程中硫酸氫根嵌入石墨形成化合物，這增加了電極的孔隙率，一次改善了酸性溶液對電極板的侵潤。同時石墨的加入也使得放電時硫酸鉛產物在極板不容厚度處分布的更為均勻。另外，有報道稱，正極放電容量的改善程度隨石墨顆粒的增大而增大，這與碳材料添加劑粒徑對負極性能的影響規律恰好相反。正極加入碳材料的一個可能的作用機理是電滲析作用增強了電解液對電極板的侵潤。電滲析是指液體在電池作用下相對于帶點表面的流動行為。石墨加入正極材料后可被硫酸氫根離子嵌入內部，這增強了Zeta電位（指一個固液界面固體和液體之間的電位）。由于鉛酸電池電極材料處于正負極板間形成的電池之中，這滿足了電滲析作用的條件，會帶來電解液的流動，而電滲析流動速率與Zeta電位成正相關。1.2碳黑有研究在正極加入0.2%—1.0%（質量分數）的碳黑添加劑，結果顯示，質量分數為0.2%的碳黑能改善正極的成型，對循環性能作用不大。大約60%的碳黑在化成過程中被消耗，而剩下的也在最初幾次循環后消失。與不加碳黑相比，加入碳黑可增大化成工藝結束后a/p-PbO2的比率和氧化鉛的總量，而這歸因于加碳黑使得化成時極板電導率較高，而且PbO/a—PbO2界面較大，使得更多的PbO直接轉化成a—PbO2。因此，a—PbO2形成對應的低電壓臺階別延長了。而且，正極材料的形貌更加規則且多半由球狀團體聚體組成，這也表明電極是在較溫和、均勻的過飽和條件下，以及較低的電流密度下形成。1.3碳纖維在正極板內加入碳纖維的工作也有報道，電池的容量和壽命均提高。碳纖維的作用機制可能也是為極板帶來了孔隙，或者給活性物質提供了較好的機械支撐。通過對極板進行交流阻抗的檢測，發現添加碳纖維的極板阻抗值要略小于沒有添加碳纖維極板的阻抗值，說明碳纖維的添加能一定程度上降低電池的內阻。由此可見，向正極加入碳材料帶來的容量或壽命的改善效果與碳材料的種類密切相關。加入碳黑的效果有限，而石墨和碳纖維的效果均較好。2負極板的碳質添加劑加入炭材料還可能存在以下幾種作用機制：（1）電容性炭有較高的比容量和倍率性能，充電時，在炭孔的大面積上氫離子能建立雙電層電容，放電時，又可提高電池放電的比功率；（2） 電容性炭有較高孔隙率，在炭孔的表面上可沉積形成納米級的鉛金屬粒，而且因為受孔的約束，能保持納米級尺度在充電放電循環中，有利于提高電池的比能量、比功率等性能；（3） 鉛負極板最初是由氧化鉛、堿式硫酸鉛和少量鉛及膨脹劑的混合物組成，經過化成等工序后，由于剛化成的鉛負極上有層薄的稀硫酸液膜，致使氧擴散加快，提高負極電化學活性，使鉛的氧化速度加快，電池初始容量降低。納米孔碳可能起阻化劑作用。2.1碳黑由于炭黑電導性好，加到鉛酸電池負極中可提高活性物質的導電性能，還可增加極板的孔隙率，可吸收較多的電解液，有利于放電時酸的供應，從而提高電極的放電容量。同時，炭黑的吸附性能強，能夠改善電極的充電接受能力。鉛酸電池負極活性物質中適量增加炭黑含量有利于提高負極的放電容量，有利于鉛負極在放電過程中氧化為硫酸鉛，同時也有利于充電過程中硫酸鉛還原為鉛。炭黑含量的增加并不會提高析氫過電位。CSIRO的小組研究證實，將負極炭黑含量從0.2%提高到U2.0%使得電池在HEV工況下的使用壽命顯著提高，盡管析氫的現象還是存在。該小組認為增加炭材料含量后電池性能提高的原因是負極板電導率的提高，當炭黑含量超過某特定數值后，電極板導電率顯著增加。2.2活性炭活性炭（AC）主要通過將自然界存在的碳源，如煤炭、樹木、農作物廢品等，進行高溫熱解所得到的具有較高比表面積和孔隙率的炭材料?；钚蕴侩姌O材料的比電容值與其材料本身的比表面積有直接關系，一般來講，活性炭所具有的比表面積可以達到2000m2g-1，可產生電容范圍為94—413Fg-1。電容性活性炭主要通過以下兩種機制抑制硫酸鉛沉積：（1）活性炭材料形成的第二相能有效分隔硫酸鉛晶體并在極板內形成孔道使電解液離子能夠快速遷移，促進硫酸鉛在再充電過程中的溶解再利用；（2）電容性活性炭能形成的導電網絡有利于促進鉛的沉積過程。保加利亞的Pavlov院士系統地研究了高比表面積活性炭和炭黑對鉛負極性能的影響機制。該小組將不同含量的一種商品化電容活性炭和兩種高比面積炭黑加入鉛負極，詳細研究了炭的加入對鉛酸電池在HRPSoC工況下的性能。他們的結果不僅有力地證實了炭材料的加入能提高極板電導率，并在極板內生成有利于電解液離子遷移的孔道，從而有效提高了電池的性能，還證實了活性炭使得鉛離子的電子生成沉積鉛的反應過電位降了300~400mV，這有利于鉛沉積反應的進行，可見高比表面積的電容用活性炭能能增強鉛酸電池的充放電反應能力。同時，他們還發現炭黑添加劑過多，會造成電池性能下降，這是由于炭黑顆粒較細，易緊密地附著在電極板表面，限制鉛離子在鉛極板表面的沉積過程。2.3石墨纖維石墨纖維一般是指含碳量高于99%且具有層狀六方晶格石墨結構的碳纖維，形狀像頭發絲，呈黑色，質細軟，可由碳纖維經過2200?3000。。高溫石墨化處理而制得，其含碳量和拉伸模量比碳纖維高，故又稱高模量碳纖維。石墨纖維具有密度小、比強度高、比模量高、熱膨脹系數小，阻尼性能優異，且具有導熱、導電、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、耐磨損、可加工性等一系優良性能。有報道稱，將導電石墨纖維加入負極板中組裝電池，HRPSoC工況下獲得了超過了3000次的循環壽命，相當于可供混合動力大巴運行四年。2.4石墨烯石墨烯是由碳原子構成的二維新材料.作為世界上最薄的納米材料：①石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；②導熱系數達到5300W/m.K，比金剛石和碳納米管更高；③室溫下電子遷移率達到光速的1/300；④電阻率只有10-6Q.cm，比銅和銀電阻率更低，是世界上電阻率最小的材料；⑤有超高的力學性能，達到1060GPa:⑥具有超高比表面積。石墨烯具有良好的電子遷移率和導電網絡結構，在電極中可以兼任活性物質與導電劑的職能。本身具有較高的比容量和優異的倍率性能，在充電式，氫離子能在炭孔的大面積上建立雙電層電容，可提高電池放電的比功率。在其大面積上可沉積形成納米級的鉛金屬粒，有利于電池獲得高的比能量、比功率及穩定性能。2.5碳納米管對碳納米管（。1^，）作為電極材料的大量研究是在1990年開始的，碳納米管具有較為狹窄的孔分布，較高的可到達比表面積低電阻率以及高穩定性。單壁碳納米管（SWCNT）的結構是無縫圓柱石墨晶體，具有準確的中心軸，且兩端可以由半球的富勒烯封閉；而目前常見的CNTs材料都是多壁碳納米管（MWCNT），具有中孔結構及-100m2g-1比表面積，電容范圍在15—300Fg-1范圍內。碳納米管是理想的電極材料，因為其有獨特的中空結構，利于電解液的浸潤，但是由于制備工藝不完善，價格昂貴，影響了其應用。二作為鉛酸電池集流體的碳1致密碳材料致密碳材料系指比表面積不高的碳材料，主要作為傳統鉛質板柵的替代材料。Kaushik等研究了碳表面電鍍金屬鉛和二氧化鉛電極在硫酸溶液中的放電性能，金屬鉛放電（氧化成硫酸鉛）是擴散控制的過程，二氧化鉛放電（還原成硫酸鉛）是表面過程（包含表面物種）；低放電倍率時沉積二氧化鉛電極的放電比容量低于沉積金屬鉛電極；碳表面電鍍鉛和二氧化鉛的電極自放電較嚴重，是主要缺點。在適當的條件下，碳材料可以作為鉛酸電池活性物質載體和集流體，但組配電池的特性與傳統鉛酸電池存在差異。研究表明，碳材料可以作為鉛酸電池正負電極的集流體，并可降低板柵在電池中的質量比例。比表面積不高的碳材料使用中和傳統鉛質板柵基本相同，對于循環性能的提高不明顯。2多孔碳研究表明，采用鉛酸電池電極中添加惰性材料的方法將活性材料有效分散后，可以抑制硫酸鹽化。因而可以推測，采用多孔碳擔載活性材料既能降低板柵在電池中的重量比例、提高活性材料利用率，又能提高電池循環性能。因此研究多孔碳作為鉛酸電池活性材料載體和集流體的文獻越來越多。2.1網狀玻璃態碳（RVC）RVC是一種由玻璃態碳泡沫組成的三維網狀（蜂窩狀）微孔材料，孔隙率可達90%?97%，密度小（0.03g/cm3），具有較高的化學穩定性、比表面積和導電率。目前，美國PowerTechnologyInc.（簡稱PWTC）已經興建了制備RVC/Pb—Sn板柵的試驗工廠。根據PWTC發布的資料，采用RVC/Pb—Sn板柵組裝的75Ah鉛酸電池與普通鉛酸電池相比可縮小45%的體積、減輕40%的質量，集流體的表面積增加4倍，活性物質的利用率由30%?40%提高到60%?68%?？梢娋W狀玻璃態碳材料作為鉛酸電池活性材料載體和集流體可明顯提高鉛酸電池比能量，值得進一步研究開發。2.2石墨泡沫/碳泡沫石墨泡沫具有同RVC相似的性質，質輕（0.6g/cm3）、比表面積高（約200cm2/cm3）、化學惰性，而石墨泡沫相對于RVC具有更好的導電性（約103S/cm而RVC約為1.3S/cm），具有更高的機械強度、剛度和加工性能，20°C時石墨泡沫最大抗壓強度為5.1MPa（RVC為763kPa）。Jang等以瀝青為原料在2800rM氣保護下石墨化制得了石墨泡沫，將其分別作為鉛酸蓄電池的正負電極活性材料載體和集流體。Jang等認為石墨泡沫可以作為負極集流器代替傳統的鉛合金，但在作為正極集流器尚待進一步研究提高其穩定性。近來，Firefly能源公司研發了一種新型鉛酸電池，采用碳/石墨泡沫復合體作為電池活性物質載體和集流體，將活性材料擔載在多孔碳泡沫體結構中。Firefly能源公司現在正在開發2種先進技術，第一種，采用碳/石墨泡沫復合材料作為負極活性物質載體和集流體，保留傳統的鉛酸電池正極片（3D技術）;第二種，采用碳/石墨泡沫復合材料作為電池的正極和負極活性物質載體和集流體（雙3D技術）。碳/石墨泡沫材料替代負極傳統板柵對于低速放電電池而言質量下降15%?20%，對于快速放電電池而言質量下降達50%，且幾乎避免了硫酸鹽化和腐蝕作用，壽命是原來的2倍以上。但Firefly能源公司的碳/石墨泡沫基鉛酸電池比傳統鉛酸電池成本高數倍，面臨較高的成本壓力和工程化資本壓力。但碳/石墨泡沫基鉛酸電池相對傳統鉛酸電池而言，其性能提升非?？捎^，表明碳/石墨泡沫是非常有發展前景的一類輕質板柵材料。此外，加強基礎研究以大幅度降低成本、降低正極腐蝕等缺陷也是必須的。研究表明，碳材料可以作為鉛酸電池正負電極的集流體，并可降低板柵在電池中的質量比例。網狀玻璃態