综述：从传统到先进：关于碳添加作为释放铅酸电池正极全部潜力的关键因素的综述

《Journal of Energy Storage》：From traditional to advanced: A review on carbon addition as key to unlocking the full potential of lead-acid batteries' positive electrode

铅酸电池因极板腐蚀和电极硫酸化限制性能，铅碳电池通过碳添加剂调节PbSO4晶体尺寸、增强界面导电性及抑制腐蚀，显著提升循环寿命和效率，但需解决材料成本及规模化生产难题。

　　

徐文婷|刘丽娜|穆罕默德·萨贾德|张静|杨晓萍|毛志宇

浙江师范大学化学与材料科学学院，中国金华市迎宾大道688号，321004

摘要

铅酸电池（LABs）在各种应用中是能量存储的基础。然而，诸如电池栅格腐蚀和电极硫化等问题会限制其性能。引入碳元素的铅碳电池（LCBs）成为了一种解决方案。本文详细探讨了将碳添加到铅酸电池正极活性材料（PAM）中的复杂过程。通过调节PbSO₄的晶粒大小、增强电解质-电极界面的导电性以及减少栅格腐蚀和硫化，碳的添加可以显著提高铅酸电池的性能。

本文将全面了解向PAM中添加碳的注意事项，并探讨与活性材料损失和硫化相关的争议，以及这些因素如何影响电池性能。此外，本文还提供了关于活性物质传输和孔隙度对PAM充电传输特性影响的见解。这些知识对于旨在优化铅碳电池的研究人员至关重要，为提升电池性能和解决铅酸电池技术领域的长期挑战提供了实际指导。

引言

在当今对经济、可靠和可持续能源存储设备需求不断增长的背景下，作为能源存储领域关键技术之一的铅酸电池（LABs）正在持续接受研究和改进[1,2]。尽管铅酸电池属于相对传统的技术，但由于其低成本、高安全性和良好的可回收性等优点，在许多应用领域仍占据重要地位[3]。然而，铅酸电池存在正极栅格腐蚀和电极硫化等问题，这些问题严重限制了其性能和服务寿命[1,4]。

为突破这些瓶颈，铅碳电池（LCBs）应运而生[5]。通过巧妙地将碳材料引入铅酸电池，铅碳电池展现出了巨大潜力。研究表明，适量的碳添加可以有效调节PbSO₄的晶粒大小，使其在充放电过程中更加稳定，并减少不可逆的硫化现象[6]。碳还能显著提高电解质与电极之间的导电性，从而提升电池的充放电效率[7]。同时，碳还有助于减少栅格腐蚀，显著延长电池的使用寿命[8]。目前，铅碳电池作为铅酸电池的改进方案，在汽车等行业中有望带来多项技术突破[[9], [10], [11]]。已有多种评估协议可用于评估电池的性能，如图1所示。

然而，目前关于向铅酸电池正极活性材料（PAM）中添加碳的方法、用量及类型仍存在许多争议和未解之谜。不同的碳添加方式、用量和碳材料类型会对电池性能产生截然不同的影响。此外，在实际应用中还存在活性物质脱落和电池管理系统复杂化等问题。所有这些问题都迫切需要深入研究和总结。

与其他类似的综述文章相比，本文具有独特的关注点和价值。一些现有综述主要关注碳材料对铅酸电池整体性能的改善作用，但对碳添加在正极活性材料中的具体机制和细节讨论不足。本文深入探讨了将碳添加到铅碳电池PAM中的复杂过程，从分析传统铅酸电池的结构缺陷入手，阐述了碳的整合如何解决栅格腐蚀和硫化等核心问题，并讨论了当前在PAM中添加碳添加剂所面临的挑战，为后续研究和应用提供了有力的理论支持。

章节摘录

传统铅酸电池：创新成果与性能瓶颈分析

铅酸电池是最常用且成本效益最高的可充电电池系统之一。其受欢迎的原因之一在于所使用的材料廉价且耐用，从而在运行过程中能够产生较高的电压。图2详细总结了铅酸电池的所有关键特性和当前该领域的研究进展。从图中可以看出，铅酸电池具有低成本和良好性能等优点。

铅碳电池：应对关键挑战与提升性能的机会

开发新的电极材料对于实现高效、环保的能源解决方案至关重要。这些新材料旨在提高能量存储能力、延长电池寿命，并优化功率和能量输出，以满足当前对可持续、无碳能源的需求。虽然碳材料已被研究多年，但相关研究仍在进行中。

碳添加剂在正极活性材料中的应用：性能提升机制与配方优化策略

碳的添加可以改善导电性、分配充放电电流、抑制硫酸铅晶体的生长，并延长铅酸电池的循环寿命。然而，关于碳对正极影响的研究还不够充分。正极的容量受到负极充放电特性及PbO₂电化学性质（如Kugelhaufen模型所述）的影响。在电池循环过程中，Kugelhaufen模型可用于评估正极的电荷存储能力。

弥合实验室研究与工业生产之间的差距

尽管碳材料在提升铅酸电池性能方面显示出巨大潜力，但在工业应用中成本是一个关键限制因素。在实验室研究阶段，人们对材料成本的考虑相对较少，通常使用高纯度且昂贵的碳材料来获得最佳性能。然而，在铅酸电池产业中，成本控制至关重要。尽管碳纳米管（CNTs）能够显著提升电池性能，...

总结与展望

铅酸电池在能源存储中发挥着基础性作用，但栅格腐蚀和电极硫化等问题限制了其性能和寿命。通过引入碳元素形成的铅碳电池（LCBs）为这一问题提供了潜在的解决方案。本文系统阐述了正极碳添加如何调节PbSO₄的晶粒大小（图3），证实了碳材料通过其导电网络提升了电荷传输效率（表1），并提出了相关建议。

CRediT作者贡献声明

徐文婷：撰写初稿、进行正式分析、数据整理。刘丽娜：撰写初稿、制定研究方法、开展调查。穆罕默德·萨贾德：开展调查、进行正式分析、构建概念框架。张静：撰写综述与编辑、提供监督。杨晓萍：撰写综述与编辑、提供监督。毛志宇：撰写综述与编辑、提供监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或可能影响本文研究的个人关系。