CN102013521A

CN102013521A - 一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液

Info

Publication number: CN102013521A
Application number: CN2010105214121A
Authority: CN
Inventors: 陈红雨; 潘珂
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102013521B

Abstract

本发明公开了一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，按份数百分比包括：89～93.5％的密度为1.26～1.32g/ml的硫酸溶液，2.5～10％的浓度为40％的硅溶胶，1～4％气相二氧化硅，且硅混溶胶胶体电解液中总的二氧化硅含量为5％，而40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为4∶1～1∶4。该方法生产的胶体电池有效发挥了两种凝胶剂的各自优点，能够大幅提高电池的容量，改善胶体电池大放电性能，循环寿命延长，深放电性能得到改善，可广泛应用于太阳能和风能离网系统、电力、通信、军用通信台站、电动车等领域。

Description

一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液

技术领域

本发明涉及一种胶体电池电解液，特别涉及一种用于铅酸蓄电池中的含有硅混溶胶的胶体电解液，以有效提高和改善铅酸蓄电池的使用寿命和使用质量。

背景技术

胶体铅酸蓄电池是对一般铅酸蓄电池较大的一种革新、改造，它广泛应用于太阳能和风能离网系统、电力、电信、通信、军用通信台站、电动车等领域的电源系统中。

胶体铅酸蓄电池的电解液主要由硫酸和凝胶剂组成，具有触变性。凝胶剂通过其表面的羟基形成氢键，在体系中形成三维网状结构，将硫酸和水包裹在其中，因此胶体电解液在静止不动时呈固体状。当受到一定的剪切力时，其三维网状结构迅速解体，胶体电解液呈水溶液状。而当剪切力停止时，胶体电解液静置又会恢复到原先的固体状。这种触变性赋予了胶体铅酸蓄电池便于运输和不易漏液的优点。

凝胶剂的种类对胶体电解液的性能有着不可忽略的影响。目前，中国市场上用得较多的凝胶剂主要是硅溶胶。硅溶胶是一种乳白色的透明胶体溶液，胶体颗粒近于球状，粒径一般为5～100nm，表面积为50～400m²/g，可表示成mSiO₂·nH₂O。硅溶胶的优势在于：①制备、储存和灌注简单(粘性低，液体硅溶胶)；②无液体与凝胶分离；③凝胶强度最佳；④凝胶时间容易控制；⑤对环境污染少；⑥制备工艺容易控制；⑦生产成本低。但是，硅溶胶作为凝胶剂的胶体铅酸蓄电池在充/放电时，特别是深放电时，电解液进行着胶体和水溶液状态之间的切换，胶体电解液容易产生水化分层现象，导致电池内阻大，寿命短，严重影响电池的长期使用性能。

而在国外，近年来开始单独使用气相二氧化硅做为凝胶剂。气相二氧化硅非常纯净(SiO₂含量不小于99.8％)，凝胶力强，表面活性高，制得的胶体铅酸蓄电池性能优良，无论在充电状态还是放电状态，无论硫酸浓度高低，电解液一直保持良好的胶体状态。缺点在于气相二氧化硅价格高，国内品种少，来源困难。用它配制的胶体电解液粘度很高，用常规方法无法灌注电池，需用复杂的灌装和凝胶工艺才能制取胶体蓄电池。

比较上述两种凝胶剂的优缺点，如何综合考虑、统一调配，使二者优异性能充分结合，从而大幅提高硅溶胶胶体电池的使用寿命和使用性能，满足使用需要，就成为本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明目的在于将硅溶胶和气相二氧化硅有机结合，充分发挥各自的优点，优化胶体电池的使用性能，保证使用质量、延长使用寿命，避免以往胶体电解质易水化分层、电池内阻大、寿命短、灌注困难等弊端。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，按份数百分比包括：89～93.5％的密度为1.26～1.32g/ml的硫酸溶液，2.5～10％的浓度为40％的硅溶胶，1～4％气相二氧化硅，且硅混溶胶胶体电解液中总的二氧化硅含量为5％。

所述40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为4∶1～1∶4。

所述40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为1∶1。

所述硫酸溶液的密度为1.28g/ml。

本发明的具体优点表现为：

1、采用硅溶胶与气相二氧化硅混合配制胶体电解液，可以避免单一硅溶胶胶体电解液水化分层的弊端，还可以改善单一气相二氧化硅胶体电解液粘度大、原料价格高的劣势，降低了成本，提高了普遍适用性。

2、硅溶胶与气相二氧化硅混合配制的胶体电解液，改善了胶体电解液的流动性和渗透性，使得正、负极板活性物质与胶体电解液的接触效果更好，提高胶体铅酸蓄电池容量。

3、采用混胶的方式使电池同时具有两种单一凝胶剂胶体电池的优异性能，加工方法简便易行，对生产设备无特殊要求，也不会增加企业改进生产设备的额外负担，生产操控性强，适于推广。

4、该方法生产的胶体电池，能够大幅提高电池的容量，改善胶体电池大放电性能，循环寿命延长，深放电性能得到改善，可广泛应用于电力、通信、军用通信台站、电动车等领域。

具体实施方式

本发明涉及硅溶胶胶体电解液内两种凝胶剂的混合问题，实质是将不同的凝胶剂胶体电解液的优缺点互补，以达到胶体电解质原料成本降低，电解液均一稳定、不水化分层，胶体电池容量提升，大放电性能改善，循环寿命延长的目的。

本发明所述的一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，按份数百分比包括：89～93.5％的密度为1.26～1.32g/ml的硫酸溶液，2.5～10％的浓度为40％的硅溶胶，1～4％气相二氧化硅，电解液中总的二氧化硅含量为5％。其中，硫酸溶液的密度最佳值为1.28g/ml，硫酸溶液为硫酸和水的混合物。硅溶胶是一种乳白色的透明胶体溶液，胶体颗粒近于球状，可表示成mSiO₂·nH₂O，其内含有部分水分。气相二氧化硅是以四氯化硅为原料，采用四氯化硅气体在氢氧气流高温下水解制得。这种方法制备的气相二氧化硅纯度高、分散度高、表面活性高、粒子细而且成球形，因此制得的胶体铅酸蓄电池性能优良，无论在充电状态还是放电状态，无论硫酸浓度高低，电解液一直保持良好的胶体状态。为保证使用性能，本发明中40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为4∶1～1∶4，其最佳比例为1∶1。

制作电池时，首先按照铅酸蓄电池工厂正负极板常规的生产工序完成和膏、压板、固化、干燥等工序。将化成好的正负极板配组、焊接、胶封电池盖、加橡胶圈焊端子、滴加色胶，进行电池的组装。然后，按照上述配方进行胶体电解液的配置，将配置完成的电解液经大约3000转/分的转速搅拌均匀。最后，将配好的胶体电解液以真空灌注的方式灌装到已组装的电池中，将每个单格用安全阀封口，电池盖上面片在水槽中充电，充电完毕即为成品电池。

下面通过实验对具体选配的硅混溶胶胶体电解液进行验证，具体过程包括：

一、按份数百分比配置不同比例的硅混溶胶胶体电解液

2#电解液密度为1.28g/ml的硫酸溶液∶40％的硅溶胶∶气相二氧化硅＝93.5∶2.5∶4，硅混溶胶胶体电解液中总的二氧化硅含量为5％，其中，40％的硅溶胶和气相二氧化硅中各自含有的二氧化硅比为1∶4。

3#电解液密度为1.28g/ml的硫酸溶液∶40％的硅溶胶∶气相二氧化硅＝91.25∶6.25∶2.5，硅混溶胶胶体电解液中总的二氧化硅含量为5％，其中，40％的硅溶胶和气相二氧化硅中各自含有的二氧化硅比为1∶1。

二、制作对比胶样，按单一40％硅溶胶或气相二氧化硅进行溶胶胶体电解液配制

1#电解液密度为1.28g/ml的硫酸溶液∶气相二氧化硅＝95∶5，胶体电解液中只含有气相二氧化硅，且二氧化硅净含量为5％。

4#电解液密度为1.28g/ml的硫酸溶液∶40％硅溶胶＝95∶5，胶体电解液中只含有40％硅溶胶，且二氧化硅净含量为5％。

0#电解液硫酸溶液∶气相二氧化硅∶添加剂＝96∶3∶1，胶体电解液中只含有单一凝胶剂气相二氧化硅，且二氧化硅含量约为3％。

三、1#-4#配胶具体配比情况如下表：

1.物理性质

胶液编号	0#	1#	2#	3#	4#
						流动性	12.58″	12.00″	11.53″	11.09″	11.41″
凝胶时间	37′	29′	40′	47′	26′

注：0#为公司对比胶样，1#、4#样为自配对比胶样。

从流动性来看，自配胶液1#、2#、3#、4#流经特定容器的时间均短于公司胶液0#流经时间，说明自配胶液流动性更好，胶液粘度更低，所以流经时间更短；具体对比1#、2#、3#、4#发现，随着硅溶胶/气相二氧化硅混溶胶中硅溶胶的比例增加，流经时间逐渐缩短，但随着硅溶胶比例的进一步增加，流经时间又相应地延长。这说明，混溶胶的流动性与其混合比例相关，且有一个最佳点，3#胶样(即40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为1∶1)的流动性最好。

理论上胶液的凝胶时间稍长较好，这样有利于灌胶而不至于在灌胶前胶液就凝胶。从凝胶时间来看，2#、3#胶液凝胶时间均高于0#、1#、4#，说明混溶胶的凝胶时间均长于单一的气相二氧化硅或硅溶胶所配胶液的凝胶时间。混溶胶的凝胶时间相对延长，同理说明硅溶胶与气相二氧化硅的混合有一定的效果，且3#胶液的凝胶时间最有利于灌胶。

2.电池性能测试

(1)10hr初期容量测试

电池编号	0#	1#	2#	3#	4#
						放电时间	7h14′34″	7h42′38″	9h01′05″	9h18′3″	7h53′47″

对比上述10hr的初期容量，2#、3#的初期容量值均高于0#、1#、4#，说明混溶胶胶体电池的初期容量高于单一的气相二氧化硅或硅溶胶胶体电池的初期容量。说明气相二氧化硅与硅溶胶的混合，有利于胶体电池初始容量的增加，且3#的初始容量最高。

(2)大电流放电性能测试(5C)

电池编号	0#	1#	2#	3#	4#
						放电时间	0′56″	2′11″	3′50″	4′41″	4′19″

对比5C大电流放电性能，2#、3#的大电流放电时间均长于0#、1#的，这说明混溶胶胶体电池的大电流放电性能优于单一的气相二氧化硅胶体电池。另外发现，4#的大电流放电时间居于2#、3#之间，说明单一的硅溶胶胶体电池的大电流放电性能还不错，但还是不及适当比例的混溶胶3#，3#的大电流放电性能仍是最佳的。

3.结论

40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为1∶1效果最好，所生产电池凝胶性好，容量大，放电时间长，其它比例关系混合的电解液同样也比对比胶样的使用性能要好。

Claims

1.一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，其特征在于，按份数百分比包括：89～93.5％的密度为1.26～1.32g/ml的硫酸溶液，2.5～10％的浓度为40％的硅溶胶，1～4％气相二氧化硅，且硅混溶胶胶体电解液中总的二氧化硅含量为5％。

2.根据权利要求1所述的一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，其特征在于，所述40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为4∶1～1∶4。

3.根据权利要求2所述的一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，其特征在于，所述40％的硅溶胶与气相二氧化硅的比例按各自二氧化硅的净含量计为1∶1。

4.根据权利要求1所述的一种用于铅酸蓄电池中的硅混溶胶胶体电解液，其特征在于，所述硫酸溶液的密度为1.28g/ml。