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當(dāng)加斯頓普蘭特在160多年前發(fā)明鉛酸電池時(shí)，他當(dāng)時(shí)可能無法想象他的發(fā)明推動了數(shù)十億美元產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前，鉛酸電池占全球儲能市場的70%，規(guī)模約為800億美元(約5000億元人民幣)，2018年總產(chǎn)能約為600千兆瓦時(shí)。

它已廣泛應(yīng)用于不間斷電源、電網(wǎng)和汽車(燃料汽車、混合動力汽車和新能源汽車)等領(lǐng)域。未來，鉛酸電池的性能目標(biāo)主要包括通過更有效地利用活性材料來提高材料利用率，實(shí)現(xiàn)更快的充電速度，進(jìn)一步延長循環(huán)壽命和里程壽命，降低整體循環(huán)成本。

在每個(gè)充電和放電循環(huán)中，電池活性材料的連續(xù)溶解和再沉積將導(dǎo)致正極和負(fù)極的形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)的連續(xù)變化。一般來說，這些結(jié)構(gòu)變化會腐蝕純鉛/鉛鈣/鉛銻合金制成的電極柵，影響電池的循環(huán)壽命和材料利用率。

由于這種形態(tài)演變對鉛酸電池的運(yùn)行是不可或缺的，在原子尺度上發(fā)現(xiàn)其控制機(jī)制有望在材料設(shè)計(jì)、表面電化學(xué)、高精度合成和能源材料的動態(tài)管理領(lǐng)域開辟令人振奮的新科學(xué)方向。由于保持整個(gè)電極表面積可以確保有效的充電和放電過程，因此有望對電池壽命產(chǎn)生直接影響。

考慮到鉛酸電池的電化學(xué)和化學(xué)過程之間的復(fù)雜相互作用，這些過程發(fā)生在多個(gè)尺度上，粒子范圍從10納米到10米。在鉛酸電池中，活性物質(zhì)鉛和二氧化鉛通過傳統(tǒng)工藝被封裝成自結(jié)構(gòu)多孔電極。在放電過程中，Pb2離子與電解液中的硫酸迅速反應(yīng)，形成不溶的PbSO4晶體。

在加料過程中，硫酸鉛被轉(zhuǎn)化回鉛和二氧化鉛，由于硫酸鉛的溶解性差，這是一個(gè)對熱力學(xué)和動力學(xué)要求較高的過程。因此，電極孔中酸濃度梯度與硫酸鉛溶解速率之間的復(fù)雜關(guān)系凸顯了提高鉛酸電池快速充電性能的困難。

多尺度下鉛酸電池電化學(xué)和化學(xué)過程的復(fù)雜相互作用。在原子水平上探索電極過程將為提高鉛酸電池的效率、壽命和容量提供一種有效的途徑。

通過引入新的組件和電池設(shè)計(jì)以及替代的流動化學(xué)，鉛酸電池面臨的一些問題可以得到解決。目前，碳添加劑和載體主要用于電池的陰極，因此可以實(shí)現(xiàn)不同的互補(bǔ)電荷存儲模式(超級電容器加法拉第鉛充放電)。

此外，由于電極骨架的剛性、非反應(yīng)性和導(dǎo)電性，可以延長電極材料的循環(huán)壽命。對于正極，仍然迫切需要找到一種能夠承受高電位和惡劣酸性環(huán)境的材料。使用雙極電極可以減少結(jié)構(gòu)部件(電極網(wǎng))的鉛消耗，并立即提高材料利用率，但同時(shí)，腐蝕和成本效益制造挑戰(zhàn)仍然是一個(gè)限制因素。此外，電池管理系統(tǒng)是每一個(gè)LIBs的關(guān)鍵組成部分，其實(shí)施可以提高鉛酸電池的運(yùn)行效率和循環(huán)壽命。

鉛酸電池最有希望的未來可能是電網(wǎng)存儲，其未來市場估計(jì)在幾萬億美元左右。在降低生產(chǎn)和材料成本并解決技術(shù)障礙后，鉛酸電池有望成為電網(wǎng)儲能的一個(gè)有吸引力的解決方案。目前，鉛酸的電池具有基本的經(jīng)濟(jì)潛力，可以提供20美元/千瓦時(shí)的儲能。

雖然基于能量密度指數(shù)，鉛酸電池和鋰電池之間存在競爭，但鋰離子電池通常用于考慮尺寸的便攜式應(yīng)用，而鉛酸電池更適合于考慮成本的儲能應(yīng)用。事實(shí)上，鋰電池將鎳氫和鎳鎘電池市場分割得更多。

總的來說，鉛酸電池的關(guān)注主要集中在對人體健康的危害和環(huán)境污染上。事實(shí)上，經(jīng)過多年的發(fā)展和嚴(yán)格的法律法規(guī)，鉛酸電池的回收率已經(jīng)達(dá)到99%。相反，鋰電池仍然存在許多人類安全和健康問題，包括：1)陰極材料中鎳和鈷www.wrightwoodlitfest.com氧化物成分的潛在致癌性；Ii)熱失控事件(電池著火和爆炸)和產(chǎn)生的高毒性有機(jī)氟磷酸神經(jīng)毒素；Iii)電解質(zhì)和添加劑中有毒有機(jī)氟副產(chǎn)物造成的潛在環(huán)境污染。

像任何技術(shù)一樣，許多相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)可以通過適當(dāng)?shù)牟牧瞎芾怼��?yán)格的生產(chǎn)規(guī)范和可靠的廢物管理來限制。鉛酸99%的電池回收率和嚴(yán)格的鉛排放環(huán)保法規(guī)大大減少了鉛對環(huán)境的污染。然而，由于短期內(nèi)鋰電池技術(shù)缺乏回收方案，達(dá)到使用壽命的電池?cái)?shù)量增加，鋰電池對環(huán)境的潛在危害加劇。

雖然在過去的30年里，基于實(shí)驗(yàn)和理論的發(fā)展，鉛酸電池取得了很大的進(jìn)步和應(yīng)用，但研究人員仍需繼續(xù)努力，為鉛酸電池在技術(shù)上的發(fā)展而努力，以保證鉛酸電池在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和環(huán)境上的強(qiáng)大優(yōu)勢，它在未來的儲能技術(shù)中仍將占據(jù)一席之地。