背景：
铅酸电池是历史上最古老的二次电池之一。具有技术成熟、成本低、安全性高、维护保养方便等优点。经过多年的不断发展进步，已广泛应用于汽车、电站、电动汽车等领域。
目前已有研究表明，通过改变极板和电解液的成分可以提高铅酸电池的性能，与极板添加剂相比，电解液添加剂更方便。长期以来，科学家们一直在探索有效的电解液添加剂来抑制硫酸盐并提高电池性能。电解液中的添加剂可以增加电池容量，提高导电性，减少电极腐蚀等。
味精（MSG，谷氨酸钠） 在硫酸电解液中可离解成（Na+）和谷氨酸阴离子（Glu-）。其作为一种高性能电解液添加剂，已应用于锌基电池电解液和金属电解精炼中，但在铅酸电池中尚未应用。
工作介绍：
近日，湘潭大学曹靖教授团队对味精作为铅酸电池电解液添加剂进行了研究。研究表明，谷氨酸阴离子能有效影响电极材料的微观结构和晶体生长过程，提高铅酸电池的性能，并讨论了可能的机理。以题目《Monosodium glutamate as an effective electrolyte additive in lead acid battery》发表于Electrochimica Acta 458 (2023) 142492。
添加味精的最佳浓度 ：实验中配置含有不同浓度MSG的硫酸电解液进行HRPSoC循环测试。结果表明（图1），当MSG在电解液中的浓度为0.15mol·L -1时，MSG的循环寿命明显提高，远优于空白电池。
图1. 最佳添加浓度实验
循环伏安测试： 根据负极板氧化还原电流和氧化峰面积的比较（图2a），0.15 mol·L-1 MSG电解液显示出最好的电化学活性。与空白电解液中测得的循环伏安曲线相比，MSG电解液提高了极板的反应性和可逆性，电化学活性得到很大提高。
图2. 不同MSG浓度电解液的电化学测试结果 (a)循环伏安测试，(b)LSV测试曲线 (c) Nyquist曲线。
电池析氢反应的快慢很大程度上决定了铅酸电池的性能。图2b为工作电极MSG在不同浓度电解液中的LSV曲线。0.05 mol·L-1 MSG添加剂对电池析氢影响不大。
图2c为负极板在不同电解液中的Nyquist曲线。含有味精电解液的半圆直径比空白小，说明味精加入的电解液降低了电极的内阻。但当味精浓度过高时，由于味精导电性差，大量味精向极板表面和内部移动，极板内阻增大。
在电池循环过程中，硫酸铅晶体不断长大，析出的硫酸铅晶体覆盖在铅表面，导致负极板充电接受能力和容量下降。图3a是MSG电解液中的充电接受能力测试。结果表明，0.15 mol·L-1 MSG电解液可以提高电极反应可逆性和极板活性，也增加了极板的充电接受能力。
图 3. (a)充电接受能力，(b)恒流极化，(c)恒压极化，(d)化成后初始放电容量，(e)容量，(f)容量电压变化测试
如图3b所示，恒流极化测试是在各种电流密度下进行的。测试电压 0.15 mol·L-1 味精电解液低于空白电解液，说明添加味精的电解液增强了电极的反应活性，降低了电极电阻。图3c显示恒压充电试验时电流影响小且上升缓慢，说明空白电解液中电池正极硫酸化严重。在0.15mol·L-1味精电解液中，恒压极化试验电流明显高于空白电解液，说明味精的加入可以提高负极板的电化学活性，加速硫酸铅的电化学过程还原为活性铅。
从图4可以看出化成后的负极板表面光滑，但在HRPSoC循环测试后出现塌陷和凸起。空白电解液中的极板比MSG电解液中的极板缺陷更多。可以发现，0.15 mol·L MSG电解液中的负极活性物质比空白溶液中含有更多粒径更小的硫酸铅颗粒。这可能是由于在味精存在的情况下，部分硫酸铅的生长和积累受到抑制，形成更多的小颗粒的原因。MSG电解液中形成的硫酸铅颗粒结晶度较低，表面较粗糙，更有利于硫酸铅的还原。
图4. 负极板在不同电解液中的形貌
图5中的EDS元素分析表明某些MSG进入活性物质并保留在NAM中。
图5. 表面SEM-EDS测试，(a)空白电解液循环后的负极活性材料，(b)0.15 mol·L-1 MSG H2SO4电解液循环后的负极活性材料
味精对铅酸蓄电池的影响机理 ：图6给出了味精对铅酸电池的影响机理示意图。Glu-阴离子移动到阳极和电解质之间的界面并部分吸附在阳极表面上。带负电的表面与周围溶液相互作用，导致离子分布的取向顺序重新排列，从而导致原来的等效双层（EDL）结构发生变化。Glu-在极板表面的吸附以及Glu-与溶液中游离铅离子的配位，都会在一定程度上降低铅离子的过饱和度。
溶液中离子的过饱和是结晶的基本条件。过饱和度的降低可以抑制硫酸铅的结晶和生长，避免在板面形成致密的硫酸铅层。在高倍率放电条件下，硫酸氢盐的扩散速度慢于电化学反应的消耗速度，硫酸铅主要形成于极板表面。同时，每个硫酸铅晶体附近的铅离子浓度都很高。硫酸铅在极板表面迅速析出，形成致密的微小硫酸铅颗粒。在这种情况下，成核速率高于生长速率。谷氨酸离子在极板表面的吸附和运动，降低了铅离子的过饱和度，改变了硫酸铅的形成过程。
图6. 影响机理示意图
含有味精添加剂的电池表现出良好的HRPSoC性能，但容量循环性能并不突出。因为影响铅酸蓄电池性能的两个主要因素是电解液转移和硫酸铅在极板表面的溶解和沉淀。在HRPSoC循环中，充放电时间短，电流密度高。影响HRPSoC性能的决定性因素是硫酸铅的溶解度和晶粒的生长过程。在选择以HRPSoC循环为主要应用场景的铅酸电池添加剂时，应考虑对硫酸铅溶解和成核生长有影响的添加剂。当电池100%SoC放电时，长时间放电会使极板表面最终被致密的硫酸铅层覆盖。在这种情况下，有机添加剂对硫酸铅形貌的优势将被削弱，其负面影响将被放大。
结论：
(1) 味精作为铅酸电池电解液添加剂，适当浓度可显著延长铅酸电池HRPSoC的循环寿命，提高电池的充电接受能力，减缓电池极化。
(2) 通过对负极活性物质的表征分析，提出了味精对铅酸电池性能影响的机理。MSG在极板表面的吸附和运动影响了硫酸铅的结晶过程，改变了硫酸铅的形貌，提高了极板的电化学活性。
(3) 味精无毒无害、成本低廉、使用方便，是一种具有潜在应用前景的铅酸蓄电池电解液添加剂。该工作可为铅酸蓄电池新型电解液添加剂的作用机理研究和开发提供参考和帮助。
原文链接:
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2023.142492
文章来源：铅酸电池新技术
注：本站转载的文章大部分收集于互联网，文章版权归原作者及原出处所有。文中观点仅供分享交流，如涉及版权等问题，请您告知，我将及时处理。