在應(yīng)急救援、軍事設(shè)備等關(guān)鍵領(lǐng)域，儲(chǔ)備電源如同設(shè)備的“心臟”，必須在極端條件下提供穩(wěn)定電力。傳統(tǒng)鉛酸系統(tǒng)雖成本低廉、技術(shù)成熟，卻在低溫環(huán)境下表現(xiàn)不佳，激活時(shí)間延長成為制約其應(yīng)用的主要瓶頸。近日，一項(xiàng)創(chuàng)新研究通過澤攸科技ZEM臺(tái)式掃描電鏡，揭開了提升低溫性能的奧秘。

低溫環(huán)境下的技術(shù)挑戰(zhàn)

   儲(chǔ)備電源的核心優(yōu)勢(shì)在于激活前電解液與電池單元分離，可實(shí)現(xiàn)長達(dá)20年的儲(chǔ)存且無自放電。但當(dāng)溫度低至–50°C時(shí)，鉛酸系統(tǒng)的電化學(xué)過程顯著變慢，激活時(shí)間難以縮短至100毫秒以內(nèi)。盡管通過優(yōu)化電解液流動(dòng)阻力，在–32°C下可實(shí)現(xiàn)29-45毫秒的激活時(shí)間，但在更低溫度下進(jìn)一步突破卻困難重重。這導(dǎo)致許多應(yīng)用不得不轉(zhuǎn)向成本更高的鋰硫酰氯系統(tǒng)。

圖 Pb–HClO?–PbO?（1、3）和Zn–HClO?–PbO?（2、4）體系在不同溫度下的恒電流放電曲線：+50°C（1、2）和–50°C（3、4）

圖 基于Pb–HClO?–PbO?體系且采用雙層陰極涂層的電源在+50°C（1）和–50°C（2）時(shí)的放電曲線

研究突破：微觀結(jié)構(gòu)重塑性能

   研究團(tuán)隊(duì)利用澤攸科技ZEM臺(tái)式掃描電鏡，對(duì)電極材料進(jìn)行深入微觀分析，探索了兩種創(chuàng)新路徑。

   鋅替代鉛的嘗試與挑戰(zhàn)  團(tuán)隊(duì)首先嘗試用鋅替代傳統(tǒng)鉛陽極。雖然鋅在低溫下顯著提高了放電電壓，卻導(dǎo)致放電特性不穩(wěn)定，影響電源可靠性。上圖清晰展示了不同材料體系在極端溫度下的性能差異。

   納米孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用  研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向優(yōu)化二氧化鉛陰極材料的納米孔隙結(jié)構(gòu)。通過精確控制電極制備條件，團(tuán)隊(duì)成功調(diào)控了PbO?涂層的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 根據(jù)不同制備方案得到的PbO?涂層表面的掃描電鏡圖像：1（a）、2（b）和3（c、d、e）

掃描電鏡圖像清晰揭示了不同制備方案下PbO?涂層的表面形貌差異，為優(yōu)化工藝提供了直觀依據(jù)。

創(chuàng)新設(shè)計(jì)：雙層結(jié)構(gòu)平衡性能

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將致密PbO?內(nèi)層與多孔外層相結(jié)合，既確保高放電容量，又實(shí)現(xiàn)快速激活。

圖 二氧化鉛（PbO?）陰極的雙層結(jié)構(gòu)模型

這種設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出色，基于Pb–HClO?–PbO?體系的電源在–50°C下仍能保持穩(wěn)定放電。

實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

   團(tuán)隊(duì)制造了體積僅0.02毫升的微電池試驗(yàn)批次。測(cè)試結(jié)果表明，優(yōu)化后的儲(chǔ)備電源在–50°C環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了短于30毫秒的激活時(shí)間，且放電電壓穩(wěn)定，性能遠(yuǎn)超預(yù)期。這一突破使得鉛酸系統(tǒng)重新成為低溫儲(chǔ)備電源的可行選擇，為相關(guān)領(lǐng)域帶來了更具成本效益的解決方案。

技術(shù)前景與挑戰(zhàn)

   盡管成果顯著，研究團(tuán)隊(duì)指出仍需解決長期穩(wěn)定性等問題。目前正在進(jìn)行的加速壽命測(cè)試初步表明，優(yōu)化后的PbO?涂層在儲(chǔ)存后仍能保持良好的性能。澤攸科技ZEM系列臺(tái)式掃描電鏡在這一研究中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，其高成像速度和多樣的信號(hào)探測(cè)能力，為電極材料微觀結(jié)構(gòu)分析提供了強(qiáng)大支持。這項(xiàng)研究不僅推動(dòng)了鉛酸電池技術(shù)的發(fā)展，更為極端環(huán)境下的電源解決方案開辟了新途徑。隨著進(jìn)一步優(yōu)化，這一技術(shù)有望在更多關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用突破。