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更新时间：2025-11-27
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在应急救援、军事设备等关键领域，储备电源如同设备的“心脏"，必须在 条件下提供稳定电力。传统铅酸系统虽成本低廉、技术成熟，却在低温环境下表现不佳，激活时间延长成为制约其应用的主要瓶颈。近日，一项创新研究通过泽攸科技ZEM台式扫描电镜，揭开了提升低温性能的奥秘。
低温环境下的技术挑战
储备电源的核心优势在于激活前电解液与电池单元分离，可实现长达20年的储存且无自放电。但当温度低至–50°C时，铅酸系统的电化学过程显著变慢，激活时间难以缩短至100毫秒以内。尽管通过优化电解液流动阻力，在–32°C下可实现29-45毫秒的激活时间，但在更低温度下进一步突破却困难重重。这导致许多应用不得不转向成本更高的锂硫酰氯系统。
图 Pb–HClO₄–PbO₂（1、3）和Zn–HClO₄–PbO₂（2、4）体系在不同温度下的恒电流放电曲线：+50°C（1、2）和–50°C（3、4）
图 基于Pb–HClO₄–PbO₂体系且采用双层阴极涂层的电源在+50°C（1）和–50°C（2）时的放电曲线
研究突破：微观结构重塑性能
研究团队利用泽攸科技ZEM台式扫描电镜，对电极材料进行深入微观分析，探索了两种创新路径。
锌替代铅的尝试与挑战 团队首先尝试用锌替代传统铅阳极。虽然锌在低温下显著提高了放电电压，却导致放电特性不稳定，影响电源可靠性。上图清晰展示了不同材料体系在 温度下的性能差异。
纳米孔隙结构的关键作用 研究重点转向优化二氧化铅阴极材料的纳米孔隙结构。通过精确控制电极制备条件，团队成功调控了PbO₂涂层的微观结构。
图 根据不同制备方案得到的PbO₂涂层表面的扫描电镜图像：1（a）、2（b）和3（c、d、e）
扫描电镜图像清晰揭示了不同制备方案下PbO₂涂层的表面形貌差异，为优化工艺提供了直观依据。
创新设计：双层结构平衡性能
研究团队开发了独特的双层结构设计，将致密PbO₂内层与多孔外层相结合，既确保高放电容量，又实现快速激活。
图 二氧化铅（PbO₂）阴极的双层结构模型
这种设计在实验中表现出色，基于Pb–HClO₄–PbO₂体系的电源在–50°C下仍能保持稳定放电。
实际应用验证
团队制造了体积仅0.02毫升的微电池试验批次。测试结果表明，优化后的储备电源在–50°C环境下实现了短于30毫秒的激活时间，且放电电压稳定，性能远超预期。这一突破使得铅酸系统重新成为低温储备电源的可行选择，为相关领域带来了更具成本效益的解决方案。
技术前景与挑战
尽管成果显著，研究团队指出仍需解决长期稳定性等问题。目前正在进行的加速寿命测试初步表明，优化后的PbO₂涂层在储存后仍能保持良好的性能。泽攸科技ZEM系列台式扫描电镜在这一研究中发挥了关键作用，其高成像速度和多样的信号探测能力，为电极材料微观结构分析提供了强大支持。这项研究不仅推动了铅酸电池技术的发展，更为环境下的电源解决方案开辟了新途径。随着进一步优化，这一技术有望在更多关键领域实现应用突破。