作者：Pietro P .Lopes，Vojislav R. Stamenkovic160多年前，當加斯頓·普蘭特（Gaston Planté）發明了鉛酸電池時，他肯定無法想到，其如今已帶動數十億美元產業的發展。目前，鉛酸電池占全球儲能市場的70％，規模約為800億美元（約5000億元人民幣），2018年的總生產量約為600 GWh。其已經廣泛用于不間斷電源，電網和汽車（燃油車，混合動力汽車和新能源車）等領域。未來鉛酸電池的性能目標主要包括通過更有效地利用活性材料來提高材料利用率，實現更快的充電速率，以進一步延長循環壽命和里程壽命，并降低其總體周期成本。
要點1：鉛酸電池工作的機理及性能影響因素
在每個充放電循環中，電池活性物質的不斷溶解和再沉積會導致正負電極形態和微觀結構不斷變化的情況（圖1）。一般來說，這些結構變化可腐蝕由純鉛/鉛鈣/鉛銻合金制成的電極柵，并影響電池循環壽命以及材料利用率。由于這種形態演變是鉛酸電池工作時所不可或缺的，因此，在原子尺度上發現其控制機理有望在材料設計，表面電化學，高精度合成和能量材料的動態管理等領域開辟令人興奮的科學新方向。鑒于保持整體電極表面積可確保有效的充放電過程，其有望對電池壽命產生直接影響。
圖1在放電期間，兩個電極均形成表面PbSO4。Pb/PbSO4電極在不同充電和放電條件下，其表面的形態變化。
考慮到鉛酸電池的電化學和化學過程存在復雜的相互作用，這些過程發生在多個尺度上，顆粒從10 nm到10 μm（圖2）。在鉛酸電池中，采用傳統工藝將活性物質Pb和PbO2封裝為自結構多孔電極。放電時，Pb2+離子與電解質中的硫酸迅速反應，形成不溶性PbSO4晶體。在充電過程中，PbSO4轉換回Pb和PbO2，基于PbSO4較差的溶解度很差，這是一個對熱力學和動力學要求更高的過程。因此，電極孔內的酸濃度梯度和PbSO4溶解速率之間的復雜關系突出了提高鉛酸電池快充性能的困難。圖2：鉛酸電池在多個尺度范圍內發生的電化學和化學過程復雜相互作用。原子級探究電極上發生的過程將為提高鉛酸電池的效率，壽命和容量提供有效途徑。通過引入新的部件和電池設計和替代的流動化學，可以解決鉛酸電池所面臨的一些問題。關于負極，目前主要是在電池的負極使用碳添加劑和支架，從而可以實現不同的互補電荷存儲模式（超級電容器加上法拉第Pb充放電）。此外，鑒于剛性，無反應性和導電性的電極主干，因此可延長電極材料的循環壽命。對于正極，尋找能夠承受高電位和苛刻的酸性環境的材料仍亟待解決。使用雙極電極可以減少結構部件（電極網）鉛使用量，立即提高材料利用率，但同時腐蝕和成本效益制造方面的挑戰仍然是一個限制因素。此外，電池管理系統是每個LIBs的關鍵組成部分，它的實施可以提高鉛酸蓄電池的運行效率和循環壽命。鉛酸電池未來最具應用的前景可能是電網存儲，其未來市場估計在數萬億美元左右。在實現降低生產和材料成本，以及解決技術障礙后，鉛酸電池有望成為電網儲能的有吸引力的解決方案。目前鉛酸蓄電池具備基本的經濟潛力，可以在20 $/kWh范圍內提供儲能。盡管在基于能量密度指標的鉛酸電池和鋰電池之間存在競爭，在以尺寸為考慮因素的便攜式應用中往往采用鋰離子電池，而鉛酸電池往往更適合于以成本為主要考慮因素的儲能應用。實際上鋰電池對鎳氫和鎳鎘電池市場的瓜分更大。要點4：鉛酸電池與鋰電池對人類健康與環境污染的比較一般來說，圍繞鉛酸電池的擔憂主要集中在人體健康危害和環境污染。其實，經過多年的發展，以及嚴格的法律法規，目前鉛酸電池的回收利用率已達到99%。與之相反，目前鋰電池仍存在較多人類安全和健康問題，包括：i）正極材料的鎳和鈷氧化物成分的潛在致癌；ii）熱失控事件（電池起火和爆炸）以及產生的劇毒有機氟磷酸鹽神經毒素；iii）電解質和添加劑中有毒有機氟副產品對環境的潛在污染。與任何技術一樣，許多相關的風險都可以通過適當的材料管理、嚴格的生產規范和可靠的廢物管理來加以限制。鉛酸電池99%的回收率和嚴格的鉛排放環境法規都大大降低了鉛對環境的污染。而由于短期內缺乏對鋰電技術的回收利用方案，再加上達到使用壽命的電池數量的增加，加劇了鋰電池對環境的潛在危害。盡管在過去的30年中，基于實驗和理論的發展，鉛酸電池已經取得長足的發展和應用，然而科研人員仍需要在技術上為鉛酸電池的發展繼續努力，以確保鉛酸電池在經濟，技術和環境方面的強大優勢，其在未來儲能技術中也仍將占據一席之地。Pietro P . Lopes, Vojislav R. Stamenkovic, Past, present, and future of lead–acid batteries, Science, 2020DOI: 10.1126/science.abd3352https://science.sciencemag.org/content/369/6506/923
