随着全球可再生能源的迅猛发展，电化学储能系统的需求也在不断攀升。铅酸电池作为传统的储能技术，在与可再生能源结合应用时，存在硫酸盐化这一主要问题，极大地限制了其使用寿命和性能表现。为了显著延长电池的循环寿命，研究者们引入了活性炭（AC）等碳材料，因其高比表面积（SSA）可以提供Pb²⁺还原活性位点，进而改善铅碳电池（LCB）的性能。然而，活性炭的高SSA也伴随着更剧烈的氢进化反应（HER），导致水分损失并破坏铅碳界面的稳定性，限制了其在铅碳电池中的应用。
东南大学熊源泉团队提出了一种创新的程序控制碳热冲击技术，这一技术不仅有效解决了上述问题，还显著优化了铅碳电池阳极的性能。
图文概览
图1 展示了铅碳复合材料的形貌特征。通过扫描电子显微镜（SEM）可以清楚地看到，经过碳热冲击处理的铅颗粒在活性炭表面均匀分布，并且颗粒大小从十几纳米到数百纳米不等。能量色散光谱仪（EDS）进一步验证了铅的存在。通过热重分析（TGA）得出，铅的质量分数为7.47%。图中显示了铅颗粒的分布情况，经过碳热冲击后，铅颗粒的聚集现象明显减少，形成了均匀分散的铅纳米颗粒。
图2 采用透射电子显微镜（TEM）、高分辨率TEM（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）对铅碳复合材料的微观结构进行了进一步分析。图中展示了铅颗粒的分布及其与碳材料的结合情况，揭示了碳热冲击对铅颗粒分散效果的影响。与AC-Pb中铅颗粒的聚集状态相比，经过碳热冲击后的AC-Pb-1和AC-Pb-5的铅颗粒分布更加均匀，且形成了稳定的C/Pb/PbO三相结构。
图3 关注了碳热冲击过程对孔结构的影响。通过N₂吸附-脱附等温线分析，可以看到随着碳热冲击次数的增加，微孔逐渐关闭，孔隙结构得到优化。孔径分布分析表明，高温下石墨微晶的碳层趋于规则化，导致孔隙收缩。这一变化有助于提高铅碳界面的稳定性。
图4 通过循环伏安（CV）测试评估了铅碳阳极的氧化还原可逆性。结果表明，随着碳热冲击次数的增加，阳极的电化学性能得到了显著提升，表明阳极的孔体积和质量传递速率得到了改善。同时，电化学阻抗谱（EIS）测试也证实了阳极电子导电性的提高。
图5 组装的模拟铅碳电池性能测试结果显示，碳热冲击处理后的阳极具有更好的倍率容量性能。特别是AC-Pb-5，其放电容量比AC高出19.3%（12.5 mA/g）、8.9%（25 mA/g）和14.6%（50 mA/g）。此外，AC-Pb-5的容量保持率和循环寿命显著提升，反映了其优异的抗硫酸盐化能力。
图6 显示了HRPSoC条件下铅碳电池的电压响应曲线，表明AC-Pb-X在充电过程中具有更好的导电性和稳定性。与AC相比，AC-Pb-X的电压阶跃响应（Vo）更低，说明其具有更强的循环稳定性和抗硫酸盐化能力。
图7 进一步阐明了碳热冲击对阳极性能改善的机制。通过比较不同碳热冲击次数下的阳极性能，研究表明，均匀分散的铅颗粒有助于形成更加稳定和高效的铅碳界面。
图8 总结了碳热冲击对铅碳电池阳极性能提升的综合效果。研究表明，碳热冲击处理不仅改善了阳极的比表面积（SSA）和孔结构，还显著抑制了氢进化反应（HER），延缓了铅碳界面的破坏，提高了铅碳电池的稳定性和循环寿命。
本研究通过创新的程序控制碳热冲击技术，实现了铅纳米颗粒在活性炭表面的均匀分散，并成功调控了孔结构，显著提升了铅碳电池（LCB）的容量和循环稳定性。尤其是添加了AC-Pb-5的12V-12Ah铅碳电池，展现出了优异的倍率放电能力、快速充电性能和长周期稳定性。相比商业铅碳电池（TN12-12），AC-Pb-5电池在倍率放电容量、充电时间和循环寿命方面均有显著提升。研究结果为铅碳电池的进一步优化提供了重要参考，也为未来铅碳复合材料的设计开辟了新思路。
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