張永鋒，俞越，張賓，趙俊，許衛(wèi)疆，周青元，李泉

（艾諾斯（揚(yáng)州）華達(dá)電源系統(tǒng)有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225202）

0 引言

鉛酸電池作為擁有 160 余年歷史的化學(xué)電源，目前被廣泛應(yīng)用于通信、動(dòng)力、電力、儲(chǔ)能、應(yīng)急等各個(gè)領(lǐng)域，具備有成熟的生產(chǎn)技術(shù)及高度的可靠性，同時(shí)由于生產(chǎn)成本低廉，環(huán)境適用性強(qiáng)，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的各個(gè)方面起著重要的作用。但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的新型電池投入市場(chǎng)，并且性能不斷得到優(yōu)化提升，使用范圍不斷擴(kuò)大。最具代表性的為鋰離子電池，具有重量體積比能量高，放電電壓高，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)。其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從最初的便攜式電子設(shè)備逐步擴(kuò)展到動(dòng)力、通信、儲(chǔ)能、軍用航天等，并逐漸地與鉛酸電池的應(yīng)用領(lǐng)域相重合，呈現(xiàn)出明顯的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。一時(shí)間，鉛酸電池將被鋰電池取代，前景堪憂等觀點(diǎn)盛行，鉛酸電池該從何處突圍，成為業(yè)界關(guān)心的話題。

1 性能參數(shù)對(duì)比

從表 1 可以看出，鉛酸電池相對(duì)于鋰離子電池來說，劣勢(shì)在于電池的比能量偏低，循環(huán)壽命較短，同時(shí)在生產(chǎn)使用過程中有可能會(huì)造成重金屬鉛污染，但是它在生產(chǎn)成本、可維護(hù)性、回收效率及安全性能方面占有一定的優(yōu)勢(shì)。

表1 鉛酸電池與鋰電池主要性能參數(shù)對(duì)比表

2 應(yīng)用領(lǐng)域分析

鉛酸電池按最終用途可分為汽車摩托車起動(dòng)型、電源動(dòng)力型、固定型和儲(chǔ)能型。其中，動(dòng)力型鉛酸電池在我國主要用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)叉車、電動(dòng)三輪車、低速電動(dòng)車等應(yīng)用領(lǐng)域，目前在整個(gè)鉛酸電池產(chǎn)業(yè)中占比最大，達(dá) 40 % 以上。其次為汽車摩托車起動(dòng)型鉛酸電池，約占 27 %[1]。具體應(yīng)用領(lǐng)域占比圖 1 所示。

圖1 鉛酸電池應(yīng)用領(lǐng)域占比

2.1 汽車摩托車起動(dòng)

全球汽車保有量近年來持續(xù)保持穩(wěn)定增長，預(yù)計(jì) 2020 年有望突破 15 億輛，所以起動(dòng)市場(chǎng)，尤其是起停電池市場(chǎng)，前景廣闊。中國作為推動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的中樞力量，在 2020 年預(yù)計(jì)汽車保有量為 3億輛，市場(chǎng)規(guī)模約為 403 億元，見圖 2[1]。

圖2 起動(dòng)電池市場(chǎng)規(guī)模

目前鉛酸電池在汽車起動(dòng)領(lǐng)域近乎是無敵的存在，而鋰離子電池還有很長的路要走。這主要取決于起動(dòng)電池的使用環(huán)境和要求，其中主要原因有以下幾點(diǎn)：

a) 關(guān)于成本要求，鉛酸電池成本要比鋰電池低一半，同時(shí)更換鋰電池需要對(duì)充電用電系統(tǒng)進(jìn)行更改，導(dǎo)致成本較高；

b) 關(guān)于低溫大電流性能要求，起動(dòng)電池要求在 -40 ℃下能夠正常起動(dòng)車輛，而鋰離子電池（磷酸鐵鋰）低溫大電流性能很差，很難滿足西北和東北地區(qū)使用要求；

c) 關(guān)于安全性要求，起動(dòng)電池一般位于機(jī)倉的發(fā)動(dòng)機(jī)附近，處于高溫且密閉的空間，同時(shí)鋰離子電池受撞擊后易燃易爆且會(huì)分解揮發(fā)有毒氣體，這些均不利于鋰電池的應(yīng)用。

因此，起動(dòng)領(lǐng)域作為鉛酸電池的固有領(lǐng)域，目前相對(duì)于鋰離子電池具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

2.2 電源動(dòng)力系統(tǒng)

目前，鉛酸電池在電源動(dòng)力方面受到了一定的沖擊，例如電動(dòng)自行車和電動(dòng)叉車。2019 年末，中國電動(dòng)自行車保有量接近 3 億輛，新增 2707 萬輛，同比增加 6.1 %，所以鉛酸電池作為電動(dòng)自行車用電池的主力軍，市場(chǎng)規(guī)模接近 500 億元。2018 年 5月 17 日，工信部科技司發(fā)布通知，批準(zhǔn)公布了強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》（GB 17761－2018），對(duì)電動(dòng)自行車的重量、車速、電機(jī)功率等做了要求。市場(chǎng)普遍預(yù)測(cè)，此標(biāo)準(zhǔn)將極大地促進(jìn)鋰電池在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用，2021 年電動(dòng)自行車用鋰離子電池市場(chǎng)滲透率預(yù)計(jì)將從 2018 年的 10 % 提高至 15 % 左右[2]，見圖 3。但是，挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，電動(dòng)自行車電池如果在重量比能量方面更進(jìn)一步，那么完全能夠符合新的國家電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)，再加上其成本、維護(hù)、更換及安全方面的優(yōu)勢(shì)，還是可以面對(duì)鋰電池建立其統(tǒng)治性的優(yōu)勢(shì)。國內(nèi)已有廠家在電動(dòng)自行車電池輕量化方面進(jìn)行了深入研究，讓其 12 V 20 Ah 電池重量達(dá)到 6.2 kg，并且要在 2023 年實(shí)現(xiàn) 20 Ah 電池凈重突破 5.0 kg/只，使電池比能量達(dá)到 48 Wh/kg，力求完美匹配新國標(biāo)明確提出的鉛酸輕量高能的政策技改要求。

圖3 鋰離子電池電動(dòng)車市場(chǎng)滲透率

鋰離子電池近兩年也開始進(jìn)入到電動(dòng)叉車領(lǐng)域，例如：比亞迪已推出自已的鋰離子電動(dòng)叉車輛；林德等其它電動(dòng)叉車主機(jī)廠也在推進(jìn)過程中。鉛酸電池相對(duì)于鋰離子電池，在電動(dòng)叉車領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)有技術(shù)成熟，穩(wěn)定性好，價(jià)格便宜，溫度適用范圍廣，可現(xiàn)場(chǎng)更換，保養(yǎng)成本低，但缺點(diǎn)是充電時(shí)間長，充電時(shí)有酸性氣體析出，部分荷電狀態(tài)（PSOC）性能差，通常需要備用電池，壽命短，需要加水維護(hù)等。鉛酸電池在電動(dòng)叉車領(lǐng)域要保持目前的優(yōu)勢(shì)，需要針對(duì)劣勢(shì)進(jìn)行改進(jìn)，在保持電池成本的情況下提高其免維護(hù)及快充性能。

2.3 儲(chǔ)能電力系統(tǒng)

十三五期間，中國儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。據(jù) CNESA 全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截至2019 年 12 月底，中國已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模為 32.4 GW，其中電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī) 1709.6 MW，并預(yù)計(jì) 2024 年可達(dá)到 30 GW，見圖 4。國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)系統(tǒng)中 98 % 使用的是鉛酸或鋰離子電池[3]。由圖 5 所示 2018 年度國內(nèi)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目結(jié)構(gòu)情況可以看出，鋰離子電池在此領(lǐng)域已經(jīng)有了比較大的優(yōu)勢(shì)。這得益于鋰離子電池具有成本持續(xù)下降，能量密度高，壽命長，無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。鉛酸電池對(duì)比鋰離子電池來說，主要優(yōu)勢(shì)還是在于價(jià)格和安全性能。雖然隨著科技的進(jìn)步，鉛酸電池（鉛炭）對(duì)鋰電池的價(jià)格優(yōu)勢(shì)不如以前明顯，但基于其高度安全性等自身的優(yōu)勢(shì)，在某些國內(nèi)、外的微電網(wǎng)項(xiàng)目中，鉛酸電池的市場(chǎng)還很大。從環(huán)境適應(yīng)性、成本等綜合角度來看，其比鋰電池要更具有競(jìng)爭(zhēng)力。著眼于未來，鉛酸電池要在儲(chǔ)能行業(yè)繼續(xù)發(fā)展，還需要針對(duì)使用場(chǎng)合的特點(diǎn)，加大科研開發(fā)，在降低成本、增加壽命及 PSOC 性能方面更進(jìn)一步。

圖4 國內(nèi)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量

圖5 2018 年度國內(nèi)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目結(jié)構(gòu)

2.4 通信固定基站

通信固定基站用蓄電池是鉛酸電池被鋰電池?fù)屨甲疃嗟念I(lǐng)域。2016 年，鋰電池僅占通信基站用蓄電池的 20 %，但從 2018 年起，依照國家政策導(dǎo)向，鐵塔公司開始停止采購鉛酸電池，轉(zhuǎn)而統(tǒng)一采購梯次利用鋰電池。尤其是，近年來隨著 5G 基站的開建，基站能耗相對(duì)于 4G 基站有 3 倍的上升。另外，電池高密度布置，樓頂?shù)任恢贸兄赜邢薜葪l件也需要小型化、高能量密度的儲(chǔ)能系統(tǒng)予以支撐。因此，鋰電池成為 5G 基站備用電源的首選。鉛酸電池要想在基站電源市場(chǎng)重新崛起，需要在保持現(xiàn)有的優(yōu)勢(shì)下，采用輕型新材料及新技術(shù)，著重提高電池的能量密度及使用壽命。鉛酸電池與鋰電池比較如下表 3。

表3 基站用鉛酸電池與鋰電池（LFP）比較

其它特點(diǎn)：技術(shù)成熟、溫度范圍大、可在線浮充、安全性好、大電流深度放電性能差 無記憶效應(yīng)、可大電流深度放電、適用于調(diào)峰、不能在線長時(shí)間浮充。

3 鉛酸電池研究進(jìn)展

3.1 新材料新工藝

目前國內(nèi)外鉛酸電池廠家和科研機(jī)構(gòu)對(duì)鉛酸電池開展了廣泛的研究，主要集中在以下方面：

美國 Firefly 公司研發(fā)了以炭材料或石墨泡沫為基底的鉛酸電池[4]。由碳泡沫制成板柵，并在板柵上粘貼活性材料。碳泡沫是一種由高純載碳材料制成的復(fù)合材料，可被用于導(dǎo)彈的噴嘴和其他吸收能量的應(yīng)用。它的孔隙率在 90 % 以上，所以密度很低（小于 0.04 g/cm3），而且它不受酸堿的侵蝕，并具有高導(dǎo)電性。碳泡沫對(duì)于電化學(xué)反應(yīng)具有很高的表面積。由于碳的固有和驚人的性能和碳泡沫的3D 蜂窩結(jié)構(gòu)，它有成千上萬的微孔。與傳統(tǒng)電池相比，F(xiàn)irefly 電池的循環(huán)壽命增加了 2～3 倍，并且它具有優(yōu)異的高低溫及快充能力（可 1C 充電），能源效率可達(dá)到 90 %。在 5C 放電 12 min 時(shí)，F(xiàn)irefly電池與傳統(tǒng)電池極板紅外成像如圖 6 所示。圖 6 顯示出，F(xiàn)irefly 電池放電時(shí)電流分布更均勻，從而具有更高的活性物質(zhì)利用率及較少的板柵腐蝕。

圖6 5C 放電極板紅外成像測(cè)試對(duì)比

美國 ABC 公司開發(fā)的雙極性鉛酸蓄電池已成功的推向市場(chǎng)，其在美國和中國均申請(qǐng)了相關(guān)專利，其開發(fā)的 GreenSeal?系列電池具有重量輕，能量密度高，可快速充電，冷起動(dòng)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[5-6]（參見表 4）。相對(duì)于普通 VRLA 電池，電池重量比能量達(dá)到了 52 Wh/kg，充電時(shí)間可減少 50 %，循環(huán)壽命可增加 300 %，并且可 100 % 回收利用（參見圖 7）。

表4 ABC GreenSea l電池與普通 VRLA 電池參數(shù)對(duì)比表

圖7 2 小時(shí)率電池循環(huán)性能

Czerwi ski 等以網(wǎng)狀玻璃碳（RVC）為基底[7-8]，在其表面電鍍鉛后作為板柵材料。結(jié)果表明，RVC/Pb 具有更大的比表面積，使板柵重量顯著降低，而且與活性物質(zhì)的接觸面積更大。電池測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，電池容量高，自放電速率低，循環(huán)壽命好。

Meyers Jeremy P 研究了分散性炭納米管（dCNT）加入正極活性材料（PAM）中可延長電池壽命[9]。其功能是在活性物質(zhì)與板柵之間形成一個(gè)保護(hù)邊界，增強(qiáng)了接觸界面的結(jié)合強(qiáng)度并改變了活性物質(zhì)晶體形態(tài)，從而顯著增加了極板的循環(huán)耐久能力。

國內(nèi)沈浩宇等研究用以聚氨酯泡沫為原材料[10]，經(jīng)玻璃炭化后制成的泡沫鉛板柵用于鉛酸電池的制備。該電池的比能量按新國標(biāo)達(dá)到 43.5 Wh/kg，比普通電池提高了 14.5 %，同時(shí)其循環(huán)壽命超出標(biāo)準(zhǔn)要求 20.9 %，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

3.2 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（BMS）用于電池的監(jiān)控和控制，通過內(nèi)置主動(dòng)均衡技術(shù)來提高電池的一致性。雄韜公司研發(fā)的 EnerSmart 智慧電池儲(chǔ)能運(yùn)維解決方案（BMS）[11]，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、云端數(shù)據(jù)、告警服務(wù)、電池均衡控制、實(shí)時(shí)定位查詢等功能，可根據(jù)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)整組電池中的落后單體，并采用均衡技術(shù)，保持整組電池中性能的一致性，從而延長電池的使用壽命?？紤]到動(dòng)力儲(chǔ)能電池分布零散，使用無規(guī)律等特點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)在于系統(tǒng)的功耗降低、智能化及云端技術(shù)，為鉛酸電池性能提高及壽命延長提供更加可靠的保證。

4 結(jié)論

為了有效應(yīng)對(duì)鋰電池等新型能源的競(jìng)爭(zhēng)，鉛酸電池急需在輕量化、長壽命、低成本、快充及PSOC 性能方面像 90 年代的 VRLA 技術(shù)一樣再來次技術(shù)革命。例如：打破常規(guī)理念，采用泡沫等新型材料將板柵和活性物質(zhì)融合在一起，板柵即是活性物質(zhì)、活性物質(zhì)即是板柵，不區(qū)分明顯的邊界；同時(shí)引入先進(jìn)的 BMS 系統(tǒng)，從而有效地統(tǒng)一輕量化與壽命等其它性能之間的矛盾，提升鉛酸電池的競(jìng)爭(zhēng)能力。未來鉛酸電池新技術(shù)必須借鑒其它學(xué)科如材料科學(xué)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)及先進(jìn)理念，將其引為己用，才能在未來日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)中有一席之地。