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摘要：循环性能对铅酸电池至关重要，在宏观层面上来说，越长时间的循环就意味越少资源的消耗。所以为充分做好电池的循环性能，影响铅酸电池循环性能的问题是电池行业有关人员必须研究的。对此本文论述制约电池循环性能的原因和电解质、正极、负极对电池循环性能改善的情况，详细说明影响电池循环性能的主要因素，同时也讲述了其将来的发展趋势。
关键词：电池；循环性能；改善；
20世纪末铅酸电池问世，其具有高循环性能、较高的能量密度、高电压和高可逆容量等优势受到人们推崇，是现在的主要电源。科研工作者围绕着高能量密度进行了二次电池的研发，这是目前研究电池的新切入点。对此，本文阐述了影响电池循环性能的因素和改善方法。
1影响电池循环性能的要素
电池的放电工作过程是很多不同铅酸离子进行转化的电极反应过程，这和普通的铅酸离子电池中的铅酸离子脱嵌原理并不相同。两个平台就组成了电池的放电曲线，这两个平台的主要工作分别是：一是把单质硫还原成聚硫离子，此聚硫离子具备可溶性，之后再进行深度还原；二是把铅酸放置在碳骨架表层，此时的铅酸是经过聚硫离子还原后的，聚硫离子可在放电时被转化，进而还原成不可溶的铅酸。引发硫正极的体积发生改变的因素有很多，最常见的就是铅酸和单质硫的密度差异所引起的变化。电池硫正极的特征有两个，一个是膨胀另一个是收缩，研究显示硫正极的膨胀由放电引起，其收缩由充电引起，实验时的电极厚度变化大概在22%左右。变化无常的体积直接造成了电极结构不够稳定，也就直接导致电池容量减弱。通过一系列研究发现了硫正极循环时所发生的改变，这些变化主要体现在其结构和形态中，研究还指出，电池放电时造成电池容量减弱的一个重大原因就是硫正极的多孔性结构失效。铅酸也会影响到电池的循环，活跃的聚硫离子发生化学反应从而影响电池的循环性能。总之，失效的硫正极结构、不稳定副作用都制约着电池的循环性能。
2 电解液和铅酸负极改善电池循环性能
2.1添加剂
提升电解液与负极相容的最常见的一种方式是利用添加剂。将添加剂融进电解液中，把含有氮氧键成分的添加材料加入进电池的电解液中可大幅提高电池的循环性能和充电放电效率。
2.2电解液
影响电池循环功能和放电容量的一个重要因素是电解液的分组。观测一元与二元电解液相容性实验可发现，影响电池第一次输出电量与影响电池循环性能的一大因素就是电解液的量，稳定的电池循环性能中的电解液含量均为中等含量，影响电池性能还有甲苯的量，添加甲苯可以影响电解液界面与电极的对抗，添加5%的甲苯可明显改善电池的循环性能和充放电效率。
2.3铅酸负极复合保护膜
保护铅酸负极常用方法是运用复合保护膜，保护膜经物理反应或者化学反应所产生。原位沉积的方式不失为一种上上之选，原位沉积可使铅酸负极的表层产生单离子导体层以及聚合物层，这些都有助于电池循环效能的改善。为有效控制电解液和铅酸负极发生反应，通常采用形成合金的方法，即在铅酸负极的活性表面上形成保护性的过度层，从而保证锂负极的稳定和长久性。当遇到真空低温环境时，表层的锂负极还会利用蒸镀使聚合物单体沉积的方式来获得保护膜，同时利用工艺参数来掌握其保护膜的厚度。
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3正极的结构和材料对电池循环性能的改善
3.1正极制备流程
正极制备包括正极极片和活性材料的制备工艺。碳硫复合物是经合适的制备工艺流程生产出的，具备稳定正极结构和良好的导电性能。碳包覆硫正极是经溅射法制备，硫正极包覆着18nm的碳层，其首次放电比容量是1180mAh/g，在经过50次循环后其放电比容量是500mAh/g，电池循环性能得以改善的主要因素是硫碳层之间电子接触的改善和聚硫溶解的减少。碳硫活性材料的制备是采用在水溶液中迅速沉积的方法，经此转变后，电池放电性能及循环性能会大幅提高。为增加正极的表面积同时抑制聚硫离子的溶解，可在硫电极中加入纳米添加剂。聚吡咯纳米剂是采用表面活性剂媒介法合成的，其常被用作吸附剂、分散剂和导电剂，同时有效改善电池循环性能。活性材料的第一次放电比容量高达1224mAh/g，在经过20次的循环之后其放电比容量是575mAh/g。
3.2碳材料
单质硫是不导电的，所以在制备正极材料时，为使活性物质充分反应必须加入充足的导电剂并且分散均匀。在电池的硫正极中碳材料是最为常用的导电剂同时也是活性物质的载体，在铅酸和硫正极结构稳定性中起到至关重要的作用。炭黑作为最常用的导电剂，其尺寸和类型的不同影响着硫正极。软包装电池是采用5粒径的硫粉末和具有高吸附性能的炭黑制备的，炭黑的这一特性有效的抑制聚硫离子的扩散，这也是电池循环性能得到改善的一个因素。硫-乙炔黑复合材料的合成是采用热处理升华硫和乙炔黑的方法处理的，经试验研究表明，硫一纳米具有良好的分散性，可在复合物中以较为稳固的方式进入乙炔黑中，形成的硫一乙炔黑复合材料具备限制聚硫离子扩散的功能，同时可以有效保持正极在充放电过程中的稳定性，它经过50次循环后还可达到800mAh/g的比容量。它具备很多其他类似材料所不具备的优势，如导电性良好、结构稳定、孔容大、高比表面积等。硫正极的制备采用高度有序介孔碳材料，介孔碳材料为获得更好的电子接触采用单质硫在纳米尺度上分散，并且还保证铅酸的进出通道，给反应产物提供所需空问，进而提高活性物质的可逆性，介孔碳的高比表面积具备限制聚硫离子分散的作用，所以电池的循环性能得到改善。
3.3粘合剂
为有效控制导电剂和活性物质在充放电中正常使用，通常将两者粘接在集流体上，进而在他们之间形成有效的导离子网络和导电，对电极有很大的影响。为保证硫正极在循环过程中的多空结构，一般采用聚乙烯亚胺和聚乙烯吡咯烷酮的混合黏合剂体系。相比于使用聚乙烯吡咯烷酮，混合黏合剂体系的电池循环性能和放电容量都得到明显提升。为研究电池性能和正极形貌两者的关系，一般使用不同的黏合剂来制备电池的铅酸正极，结果表明，由羧甲基纤维素与聚四氟乙烯(2:18)作黏合剂的电池硫正极具有非常好的孔分布，同时电池的化学性能达到最好。电池中勃合剂常采用天然生物凝胶，经过差示扫描热量和X射线扫面可观察到凝胶黏合剂在铅酸正极充放电过程中的变化，相较于聚环氧乙烯作黏合剂的变化，结果显示，凝胶黏合剂可提高铅酸正极的氧化还原反应的可逆性，硫化锂的生成得到有效的控制，进而电池的循环性能得到大幅度改善。
4结束语
总而言之，电池作为高比能量电源的一种，具有很大的发展空间。尽管上述很多电池的改善方法还存在或多或少的问题，但不可否认的是这些方法都在不断的改进和完善。完善铅酸电池循环功能的一大重要方式是保护好铅酸负极，然而影响铅酸负极的保护方法和相容性的因素有很多，其中电解液中的聚硫离子的影响最大。当前关于保护电池铅酸负极的研究和报道并不是很多，此工作还需继续深入研究，铅酸电池的发展前景将不可限量。
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论文作者:李冠强
论文发表刊物:《城镇建设》2019年第08期
论文发表时间:2019/7/15
标签：正极论文; 电池论文; 性能论文; 负极论文; 电解液论文; 离子论文; 黏合剂论文; 《城镇建设》2019年第08期论文;