铅炭电池是将铅酸电池和超级电容器有效结合在一起的新型电池,是铅酸蓄电池领域最先进的技术,它不但有能量密度高的优点,而且还有超级电容器的特点,集超长循环寿命、高功率及良好的充电接受能力于一体。非常适用于各种储能系统,特别是部分荷电状态下循环使用。但铅炭电池中的炭材料对电池性能的影响和机理尚不明确。本文通过氮气吸/脱附的比表面积分析(BET)测量炭材料和负极铅膏的比表面积,用扫描电镜(SEM)观察炭材料和负极铅膏的微观形貌,用粒度测试仪测试炭材料的粒径分布,X射线衍射光谱仪(XRD)分析材料的晶体结构与物相成分。研究炭材料对负极微观结构和电化学性能的影响,分析炭材料在铅炭电池负极的电化学行为和作用机理,筛选出适用于铅炭电池的炭材料。通过各种试验进行性能对比,研发新产品并进行市场化。通过研究炭材料的微观结构,分析了活性炭、炭黑、碳纤维(CF)、碳纳米管(CNT)、石墨烯(GN)的微观结构,对比了五类碳的结构给电极性能所带来的影响,从而优选出性能较好的炭材料,本文发现活性炭、炭黑和石墨烯都可以提高电池的充电接受能力,防止负极不可逆硫酸盐化,从而提高了在高倍率部分荷电状态下(HRPSOC)的循环寿命。通过分析五类炭的微量元素,寻找炭材料的杂质种类和含量与电极性能的关系和规律,发现在一定的范围内,杂质含量与析氢量无明显正向关系。通过对模拟电池的对比测试,研究炭材料在铅炭电池负极的作用机理,本文发现炭材料对负极微观结构与成份的影响并不完全来自于炭材料的高比表面贡献,但与表面积或吸油值密切相关,增加负极的活性表面。通过设计炭材料在负极板中的不同分布方式及炭材料的梯度分布,对负极活性物质的比表面积、孔隙率和孔径分布进行表征,高倍率部分荷电状态(HRPSOC)循环测试及充放电测试的对比,发现三种分布方式的电池充电接受能力大幅度提升,在HRPSOC工况下的寿命也显著提升,其中以表层5%+内部1%方案最为优异,但同时存在低温性能较差和高电压浮充析氢较大的不利因素。根据削峰填谷和调频等储能场景的特点以及对电池的要求,使用不同的设计组装铅炭原型电池,测试其在储能工况下的性能,并开展铅炭电池在这两种场景下的应用研究,发现在削峰填谷场景下其PSOC循环寿命可以比普通电池延长5～6倍,在调频场景下,通过电压控制,电池就可以1.88V和2.31V之间实现长期调频循环。