黃 瓊， 蘇 勇， 阮 偉， 周玉婷， 洪 應(yīng)， 謝 軍

（1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，安徽 合肥 230011；2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.安徽海容電源動(dòng)力有限公司，安徽 合肥 238014）

與一般蓄電池相比，光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能蓄電池除要求大容量外，還要求長(zhǎng)壽命（10a以上）、適應(yīng)微電流充電、耐過(guò)充電和過(guò)放電、少維護(hù)、低成本等諸多要求。鉛酸蓄電池由于技術(shù)成熟，容量大，單位能量成本和系統(tǒng)成本低，安全可靠和再利用性，目前仍作為光伏系統(tǒng)用主要儲(chǔ)能電源。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池正極板柵主要采用鉛銻合金和鉛鈣合金［1］，在鉛銻合金和鉛鈣合金的基礎(chǔ)上開發(fā)出更能適應(yīng)光伏系統(tǒng)用免維護(hù)儲(chǔ)能鉛酸蓄電池的板柵合金已經(jīng)成為近年來(lái)學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)［2－10］。

本文在鉛銻合金板柵中添加稀土合金，并應(yīng)用循環(huán)伏安法、交流阻抗法對(duì)含稀土的鉛銻合金在硫酸溶液中的電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

分別配制4種不同的合金，添加混合稀土，需氣體保護(hù)，合金試樣組成見(jiàn)表1所列。將配制好的合金置于坩堝電阻爐中熔煉，熔煉溫度設(shè)定為600℃。將合金試樣加工成Φ8mm×10mm，其一端用帶有絕緣層的銅導(dǎo)線焊接牢固，除工作表面之外，其余均用環(huán)氧樹脂涂封。工作表面依次用200、800、1 200目的砂紙打磨至鏡面光滑，然后用丙酮脫脂，并用去離子水清洗，用濾紙吸干保存在惰性氣體環(huán)境中待用。

表1 合金樣品的組成 %

1.2 儀器與方法

所有電化學(xué)測(cè)試均在上海辰華公司的電化學(xué)工作站CHI660B上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)開始前，電極在－1.2V下預(yù)極化20min以完全除去表面氧化物，并開路5min使體系穩(wěn)定。電解液密度為1.280g／cm3，參比電極為 Hg／Hg2SO4電極，輔助電極為鉑電極。電化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)在（20±2）℃下進(jìn)行。其中，循環(huán)伏安法（CV曲線）的電位范圍為－2.0～1.5V，掃描速度為5mV／s。交流阻抗法（EIS）是將預(yù)處理過(guò)的電極在0.9V電位下陽(yáng)極成膜2h后，以振幅10mV測(cè)試電極的開路電位，在開路電壓穩(wěn)定后，隨即以陽(yáng)極腐蝕膜穩(wěn)定電位為輸入電壓，振幅為10mV，在頻率為1～105Hz內(nèi)做交流阻抗測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 循環(huán)伏安特性

1?！?＃合金在密度為1.280g／cm3的硫酸溶液中分別以5mV／s的掃描速度在－2.0～1.5V的電位范圍內(nèi)的循環(huán)伏安曲線如圖1所示。各峰值電流、電位見(jiàn)表2所列。

圖1 合金電極的循環(huán)伏安曲線

表2 合金循環(huán)伏安曲線峰值比較

由圖1可以看出，在正向掃描過(guò)程中，出現(xiàn)陽(yáng)極峰A峰，即Pb／PbSO4的轉(zhuǎn)化峰，在逆向掃描過(guò)程中出現(xiàn)陰極峰B峰和C峰。C峰為A峰相對(duì)的還原峰，即PbSO4／Pb的轉(zhuǎn)化峰，B峰則為 H2的生成峰。在較負(fù)的電位下，氫氣首先從電極上析出，此時(shí)可以明顯觀察到電極上大量氣泡，說(shuō)明此時(shí)氫氣析出比較多。

從圖1還可看出，當(dāng)電極正向掃描到－1.2V左右時(shí)，析氫電流迅速減小為零，析氫反應(yīng)結(jié)束。隨后在正向掃描過(guò)程中出現(xiàn)陽(yáng)極峰A峰，根據(jù)各個(gè)峰所對(duì)應(yīng)的電極電位可以推斷A峰為Pb／Pb－SO4的轉(zhuǎn)化峰，對(duì)應(yīng)的峰值電位為－0.324V（Pb－SO4生成電位E0＝－0.356V）。當(dāng)生成PbSO4后，電流急劇下降，隨即電極進(jìn)入完全鈍化區(qū)。鈍化區(qū)持續(xù)范圍較大，理論上在1.603V（其不在本文掃描的電位范圍內(nèi)）左右，會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)陽(yáng)極峰，即PbSO4／PbO2的生成峰和氧氣析出峰的疊加峰，同時(shí)在逆向掃描過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極峰，一般認(rèn)為是PbSO4生成后其下層生成非化學(xué)計(jì)量的氧化鉛PbOn，當(dāng)n值大于1.5時(shí)，腐蝕膜具有良好的導(dǎo)電性，否則其導(dǎo)電性極差，幾乎相當(dāng)于絕緣體，普遍認(rèn)為這些鉛的氧化物導(dǎo)電性很差，是影響腐蝕膜導(dǎo)電性的關(guān)鍵。隨即會(huì)出現(xiàn)PbO2的還原峰及外層PbSO4膜下PbO和PbOn的還原，或者是PbSO4層下α－PbO2的還原，或者是PbSO4層下α－PbO2早期還原成的堿式二價(jià)化合物的還原。最后出現(xiàn)的C峰為PbSO4／Pb的轉(zhuǎn)化峰，B峰為析氫反應(yīng)峰。

由表2可以看出，隨著合金加入稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在氧化過(guò)程中，A峰的電流值先增大后減小，即臨界鈍化電流先增大后減小，其生成的鈍化膜PbSO4變薄，同時(shí)其峰電位先負(fù)向移動(dòng)，后正向移動(dòng)，即氧化反應(yīng)由易到難。C峰的峰電位向正向移動(dòng)，電流減小，說(shuō)明添加稀土元素后所生成的非化學(xué)計(jì)量的氧化鉛和硫酸鉛減少，有利于深放電循環(huán)，克服早期容量衰減現(xiàn)象；B峰則表明生成氫氣的量隨著稀土合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，呈減小趨勢(shì)。

2.2 交流阻抗特性

電化學(xué)交流阻抗譜法（EIS）作為一種無(wú)損傷、原位電極過(guò)程的電化學(xué)測(cè)量技術(shù)，是研究電極動(dòng)力學(xué)和電極表面狀態(tài)的有力工具，目前已經(jīng)逐漸用于研究板柵合金表面腐蝕產(chǎn)物膜的特征［3，11］。本文對(duì)1?！?＃合金板柵合金在0.9V下形成的腐蝕膜進(jìn)行了交流阻抗測(cè)試。對(duì)比鉛陽(yáng)極膜的組成可知，0.9V正處于PbO電位區(qū)，此電位接近于正極板柵深充放電后所處的電位。由于幾種合金曲線形狀類似，本文只列出1＃和3＃合金的交流阻抗譜圖。1＃和3＃樣品在0.9V下，1.280g／cm的H2SO4溶液中腐蝕2h后的交流阻抗圖譜（Nyquist圖）及相應(yīng)擬合交流阻抗圖譜如圖2所示。通過(guò)對(duì)各合金交流阻抗圖譜的模擬得出的腐蝕膜等效電路圖如圖3所示。

在圖3中，其左右兩端分別連接著研究電極和參比電極，其中Ru為參比電極的Luggin毛細(xì)管管口與研究電極的溶液歐姆電阻；Cd為研究電極的界面雙電層電容；ZCPE（1）為多孔電極的容抗；ZCPE（2）為界面雙電層電容，是膜電極反應(yīng)時(shí)非法拉第電流的充放電雙電層電容。

圖2 試樣的交流阻抗譜圖及擬合的阻抗譜

圖3 由Zview擬合的等效電路圖

從圖2可以看出，根據(jù)腐蝕膜等效電路，擬合曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，擬合所得的等效電路各參數(shù)值見(jiàn)表3所列。

表3 等效電路圖模擬所得最佳數(shù)據(jù)

Ru代表導(dǎo)線電阻、溶液電阻、接觸電阻及合金表面膜物理電阻的總和，理論上導(dǎo)線電阻、溶液電阻及接觸電阻應(yīng)相同（溶液的量相對(duì)電極反應(yīng)來(lái)說(shuō)足夠大，實(shí)驗(yàn)電位范圍內(nèi)，溶液濃度沒(méi)有可測(cè)變化）。Ru值的不同僅代表合金表面上膜的物理電阻的差別。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，不同合金在相同電位下Ru值相差不大，尤其是在充電狀態(tài)下，相差幅度最小。隨著電位的下降，不同合金Ru值才會(huì)略有增加。

從表3可看出，隨著合金添加稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，電極的界面雙電層電容Cd先減小，這說(shuō)明PbO、PbO·PbSO4／PbSO4膜的孔率減小了，這可能是由于稀土的加入使得合金中銻的分布更加均勻，陽(yáng)極氧化膜中的銻更難于溶解，而當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.01%時(shí)，合金陽(yáng)極腐蝕膜中PbO膜和PbO·PbSO4／PbSO4膜的電容明顯增大，即PbO、PbO·PbSO4／PbSO4膜的孔率增加了，這可能是由于稀土粒子嵌入PbO／PbOn（1＜n＜2）和PbOn（1＜n＜2）晶格中，膜內(nèi)空穴濃度和空穴靈敏度增大，這對(duì)PbO膜有2方面的影響，一方面增大了由氧擴(kuò)散控制的PbO膜的生長(zhǎng)速度，使PbO膜厚度增大，另一方面使PbO更易氧化為PbOn（1＜n＜2），提高PbO膜的電導(dǎo)，從而增大PbO膜和 PbO·PbSO4／PbSO4膜的孔隙率［12］。隨著稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，ZCPE（2）的變化趨勢(shì)先增大后減小，表明合金加入稀土后，其表面的腐蝕膜阻抗增大，阻礙了合金的進(jìn)一步腐蝕，從而提高了合金的耐腐蝕性。但當(dāng)稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.50%時(shí)，耐腐性開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3 結(jié) 論

循環(huán)伏安測(cè)試表明：隨著合金中稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，在氧化過(guò)程臨界鈍化電流先增大后減小，其生成的鈍化膜PbSO4變薄，氧化反應(yīng)由易到難。而PbSO4／Pb峰的峰電位向正向移動(dòng)，電流減小，說(shuō)明添加稀土元素后所生成的非化學(xué)計(jì)量的氧化鉛和硫酸鉛減少，有利于深放電循環(huán)，克服早期容量衰減現(xiàn)象；同時(shí)生成氫氣的量隨著稀土合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈減小趨勢(shì)。

腐蝕膜交流阻抗測(cè)試表明：隨著稀土合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，改變了腐蝕膜的厚度及電導(dǎo)，可能是稀土粒子嵌入到PbO／PbOn（1＜n＜2）和PbOn（1＜n＜2）晶格中，致使膜的孔隙率發(fā)生改變，同時(shí)，隨著稀土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，其表面的腐蝕膜阻抗增大，從而阻礙了合金的進(jìn)一步腐蝕，提高了合金的耐腐蝕性。

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