CN101740818B - 铅酸蓄电池胶体电解液及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅酸蓄电池胶体电解液及其制备方法。电解液由以下组分组成：硫酸、二氧化硅、硫酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、钼酸钠、钼酸钙、钼酸镁、钨酸钠、硫酸钾和去离子水；方法步骤为：将硫酸钾加入稀硫酸中得到稀硫酸混合溶液，再将其加入硅酸钠溶液中得到二氧化硅胶体悬浮溶液，接着，先向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入钼酸钠、钼酸钙、钼酸镁和钨酸钠而得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液，再配制聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，然后，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液相混合均匀，再向其中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，制得铅酸蓄电池胶体电解液。它可广泛地用于容量为20AH以上的蓄电池中。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池电解液及制备方法，尤其是一种铅酸蓄电池胶体电解液及其制备方法。
背景技术
目前，人们为了出行的便捷和节约能源，以及环保意识的普遍提高，常使用电动自行车，如各种市售的。在这些电动自行车中，基本上都是采用铅酸蓄电池来作为动力源的，而铅酸蓄电池中电解液的优劣决定着电池的性能和使用寿命，为提高电解液的性能，人们做出了不懈的努力，如在2006年3月15日公开的中国发明专利申请公开说明书CN 1747216A中披露的“一种铅酸蓄电池用混合胶体电解液及其制备方法”。它意欲提供一种能提高蓄电池的容量，延长深放电循环使用寿命的铅酸蓄电池用混合胶体电解液及制备方法。其中，混合胶体电解液由硫酸、二氧化硅、硫酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、硫酸镧、硫酸铈、氧化钨、氧化钼和去离子水组成；制备方法为将上述原料和辅料制得的硅酸钠胶体电解液和汽相二氧化硅胶体电解液按照一定的比例混合后得到混合胶体电解液。这种混合胶体电解液虽整合了硅酸钠胶体电解液和汽相二氧化硅胶体电解液的优点，满足了铅酸蓄电池的要求，在动力型铅酸蓄电池领域获得了广泛的应用，却也因其中的纳米二氧化硅粉末具有很强的凝聚能力，导致了混合胶体电解液的渗透能力的明显降低，尤为将其应用于较大规格的蓄电池时，混合胶体电解液的渗透能力难以满足要求，造成了混合胶体电解液在电池内部的分布不均，引起了蓄电池电性能的大幅度的下降；例如，用这种混合胶体电解液灌注DZM-20Ah规格的电池，以10安培的电流放电，循环寿命只有200次以下。同样，制备方法也解决不了上述难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的不足之处，提供一种应用于20AH的电池时，其在10A放电电流的条件下，100％放电深度的循环充放电次数可达到260次以上的铅酸蓄电池胶体电解液。
本发明要解决的另一个技术问题为提供一种铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法。
为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：铅酸蓄电池胶体电解液由以下重量百分比的组分组成：硫酸30～45％、二氧化硅0.1～0.98％、硫酸钠0.2～1.8％、聚丙烯酰胺0.0019～0.15％、聚丙烯酸钠0.001～0.05％、钼酸钠0.0001～0.2％、钼酸钙0.0001～0.2％、钨酸钠0.0001～0.2％、钼酸镁0.0001～0.2％、硫酸钾0.1～0.8％，其余为去离子水。
为解决本发明的另一个技术问题，所采用的另一个技术方案为：铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法的完成步骤如下：
步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶0.85～1.4∶10的比例相混合后搅拌20～35min，得到硅酸钠溶液，再将硫酸钾加入浓度为65～75％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液，其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.1～0.5wt％，然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.5h以上，得到其硫酸含量为30～45wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液，其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为1～2.5:1；
步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为4～8wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液，再向其中加入0.0001～0.2wt％的钼酸钠、0.0001～0.2wt％的钼酸钙、0.0001～0.2wt％的钼酸镁和0.0001～0.2wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液；
步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.02～1％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.02～1％的聚丙烯酸钠溶液；
步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为1～5∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液，再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.02～0.4:0.01～0.4，制得铅酸蓄电池胶体电解液。
作为铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法的进一步改进，所述的纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为5～20nm。
相对于现有技术的有益效果是，其一，由于本发明胶体电解液中减少了成胶剂纳米二氧化硅的含量，使胶体电解液在蓄电池内部的灌注渗透能力得到了明显的提高，使其能够更顺畅、均匀地充满蓄电池的内部空隙，极大地改善了蓄电池内部结构的均匀性，使蓄电池的容量得到了增加。尤为当蓄电池的高度增加，致使胶体电解液在蓄电池内渗透难度增大时，本胶体电解液仍然能够顺利地充满蓄电池的内部空隙；其二，于本发明胶体电解液中添加的稳定剂钼酸钠、钼酸钙、钼酸镁和钨酸钠，使胶体电解液在充电时既具有促进硫酸铅转化的特性，又因为在蓄电池中，这些添加剂以络合离子存在，充电时可以均匀地吸附在电极表面，有效地控制水分的电解过程，改善电极的电化学转化的效率和均匀性，延长深放电循环条件下的蓄电池使用寿命，使蓄电池的整体充电接受能力得到明显地提高，大幅度地延长了蓄电池的充放电循环寿命。经测试，蓄电池在初期充放电循环期间，其容量有一个增加的过程，其后的容量衰减率也明显地减少，由此使得蓄电池充放电循环次数大幅度增加；其三，在本发明方法中，采用先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液相混合得到混合溶液，之后才将聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液加入混合溶液中的工艺，大大地提高了成胶剂的利用率，不仅保证了二氧化硅颗粒的聚合粒度有个合理的分布，使凝胶成分在蓄电池内部的有效利用率达到了最大，还克服了胶体电解液中的成胶剂纳米二氧化硅含量减少后会降低胶体电解液中成胶量的不足；其四，经对多种灌注本发明胶体电解液的20AH以上的蓄电池进行的多次测试表明，蓄电池的各种电性能都有显著地提高，其中在10A放电电流条件下，100％放电深度的循环充放电次数均达到了280次以上。现选测试中的案例之一：铅酸蓄电池的型号为6—DZM-20Ah，得到其的电性能指标如下，蓄电池初容量：放电终了电压为10.5V，放电电流为10A，放电时间为120～130min；深循环放电寿命(100％DOD)：将蓄电池限压恒流充电至14.7V，再恒压充电一段时间，10A放电电流，放电终了电压为10.5V，当放电容量降至初容量的70％为寿命终止；循环的次数为280次～320次。
作为有益效果的进一步体现，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径优选为5～20nm，既确保了胶体电解液在蓄电池内部的灌注渗透能力，又不会降低胶体电解液的使用效果。
具体实施方式
首先用常规方法制得或从市场购得硫酸、二氧化硅、硫酸钠、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸钠、钼酸钠、钼酸钙、钨酸钠、钼酸镁、硫酸钾和去离子水。接着，
实施例1
制备的具体步骤为：步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶0.85∶10的比例相混合后搅拌20min，得到硅酸钠溶液。再将硫酸钾加入浓度为65％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液；其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.1wt％。然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.5h，得到其硫酸含量为30wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液；其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为1:1。步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为4wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液；其中，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为5nm。再向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入0.0001wt％的钼酸钠、0.2wt％的钼酸钙、0.0001wt％的钼酸镁和0.2wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液。步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.02％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为1％的聚丙烯酸钠溶液。步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为1∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液；再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.02:0.4；制得铅酸蓄电池胶体电解液。
实施例2
制备的具体步骤为：步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶1∶10的比例相混合后搅拌24min，得到硅酸钠溶液。再将硫酸钾加入浓度为68％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液；其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.2wt％。然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.6h，得到其硫酸含量为34wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液；其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为1.4:1。步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为5wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液；其中，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为9nm。再向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入0.001wt％的钼酸钠、0.1wt％的钼酸钙、0.001wt％的钼酸镁和0.1wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液。步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.05％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.1％的聚丙烯酸钠溶液。步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为2∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液；再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.1:0.3；制得铅酸蓄电池胶体电解液。
实施例3
制备的具体步骤为：步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶1.2∶10的比例相混合后搅拌28min，得到硅酸钠溶液。再将硫酸钾加入浓度为70％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液；其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.3wt％。然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.7h，得到其硫酸含量为38wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液；其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为1.8:1。步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为6wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液；其中，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为13nm。再向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入0.01wt％的钼酸钠、0.01wt％的钼酸钙、0.01wt％的钼酸镁和0.01wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液。步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.01％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.01％的聚丙烯酸钠溶液。步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为3∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液；再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.2:0.2；制得铅酸蓄电池胶体电解液。
实施例4
制备的具体步骤为：步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶1.3∶10的比例相混合后搅拌32min，得到硅酸钠溶液。再将硫酸钾加入浓度为73％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液；其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.4wt％。然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.8h，得到其硫酸含量为41wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液；其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为2.2:1。步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为7wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液；其中，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为17nm。再向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入0.1wt％的钼酸钠、0.001wt％的钼酸钙、0.1wt％的钼酸镁和0.001wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液。步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.1％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.05％的聚丙烯酸钠溶液。步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为4∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液；再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.3:0.1；制得铅酸蓄电池胶体电解液。
实施例5
制备的具体步骤为：步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶1.4∶10的比例相混合后搅拌35min，得到硅酸钠溶液。再将硫酸钾加入浓度为75％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液；其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.5wt％。然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌1h，得到其硫酸含量为45wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液；其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为2.5:1。步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为8wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液；其中，纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为20nm。再向汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液中加入0.2wt％的钼酸钠、0.0001wt％的钼酸钙、0.2wt％的钼酸镁和0.0001wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液。步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为1％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.02％的聚丙烯酸钠溶液。步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为5∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液；再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.4:0.01；制得铅酸蓄电池胶体电解液。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的铅酸蓄电池胶体电解液及其制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (3)
1.一种铅酸蓄电池胶体电解液，其特征在于所述胶体电解液由以下重量百分比的组分组成：硫酸30～45％、二氧化硅0.1～0.98％、硫酸钠0.2～1.8％、聚丙烯酰胺0.0019～0.15％、聚丙烯酸钠0.001～0.05％、钼酸钠0.0001～0.2％、钼酸钙0.0001～0.2％、钼酸镁0.0001～0.2％、钨酸钠0.0001～0.2％、硫酸钾0.1～0.8％，其余为去离子水。
2.一种权利要求1所述铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法，其特征在于完成步骤如下：
步骤1，先将二氧化硅粉末、氢氧化钠和去离子水按重量比为1∶0.85～1.4∶10的比例相混合后搅拌20～35min，得到硅酸钠溶液，再将硫酸钾加入浓度为65～75％的稀硫酸中，溶解后得到稀硫酸混合溶液，其中，稀硫酸混合溶液中硫酸钾的含量为0.1～0.5wt％，然后将稀硫酸混合溶液加入硅酸钠溶液中并搅拌0.5h以上，得到其硫酸含量为30～45wt％的二氧化硅胶体悬浮溶液，其中，稀硫酸混合溶液与硅酸钠溶液间的重量比为1～2.5:1；
步骤2，先将纳米级汽相二氧化硅粉末与去离子水混合，配制成固含量为4～8wt％的汽相二氧化硅纳米粉末悬浮液，再向其中加入0.0001～0.2wt％的钼酸钠、0.0001～0.2wt％的钼酸钙、0.0001～0.2wt％的钼酸镁和0.0001～0.2wt％的钨酸钠，溶解后得到纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液；
步骤3，将聚丙烯酰胺和聚丙烯酸钠溶解在去离子水中，分别得到浓度为0.02～1％的聚丙烯酰胺溶液和浓度为0.02～1％的聚丙烯酸钠溶液；
步骤4，先将二氧化硅胶体悬浮溶液和纳米汽相二氧化硅粉末悬浮溶液按重量比为1～5∶1的比例相混合均匀，得到混合溶液，再向混合溶液中加入聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液，其中，混合溶液、聚丙烯酰胺溶液和聚丙烯酸钠溶液间的重量比为1:0.02～0.4:0.01～0.4，制得铅酸蓄电池胶体电解液。
3.根据权利要求2所述的铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法，其特征是纳米级汽相二氧化硅粉末的单体颗粒粒径为5～20nm。
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