CN103280602B - 一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，涉及蓄电池领域，凝胶强度是体现胶体电解质性能的重要因素，主要受胶凝剂含量影响，随着增加气相二氧化硅含量，电解液的胶凝时间大大缩短，导致出现难以灌胶的问题。本发明的胶体电解质包括胶凝剂、硫酸和硫酸钠，所述胶凝剂包括气相二氧化硅以及不同粒径的分散硅胶A和分散硅胶B。利用大粒径和小粒径的分散硅胶及气相二氧化硅制成胶体电解质，并同时添加有助于改善电池电化学性能的添加剂硫酸钠。在不增加胶体电解质中硅含量的前提下，实现了胶体电解质两方面关键性能的突破：首先凝胶强度有所增强；其次延长胶凝时间。有利于蓄电池的浇灌，并提高了胶体电解质的性能，延长了使用寿命。

Description

一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质及制备方法
【技术领域】
本发明涉及电池领域，尤其是一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质配方及其制备方法。
【背景技术】
铅酸蓄电池应用广泛，在世界范围内产值产量都居各类化学电源首位。采用胶体电解质是对铅酸蓄电池的重要革新，使铅酸蓄电池焕发新的生机。此项技术革新是利用二氧化硅的表面羟基在硫酸根桥联作用下，形成三维网状结构，从而固定住硫酸电解液，使其由液态转变为凝胶态。胶体电解液可以有效防止硫酸分层，使铅酸蓄电池充放电平稳；电池起动性能和耐深放电性能得到很好的提升；并抑制了硫酸铅晶体的长大，减小了极板的不可逆硫酸盐化，延长了电池循环寿命。
气相二氧化硅是电解质中主流胶凝剂，国内外大型胶体蓄电池厂家均采用其作为胶凝剂。但由于气相二氧化硅的强触变性，使胶体电解质粘度大，胶凝时间短。凝胶强度是体现胶体电解质性能的重要因素，主要受胶凝剂含量影响。但随着增加气相二氧化硅含量，电解液的胶凝时间大大缩短，导致出现难以灌胶的问题。其次，分散硅胶因制备简单、灌注容易、成本低廉等优点，在市场上也占有一定比例。但是分散硅胶制备的电解质体系在电池充放电过程中容易产生水化分层，其粒径对胶体电解质的凝胶性能影响很大，当胶粒粒径很小时，胶凝速率快，凝胶强度大；粒径较大时，凝胶化过程较慢，凝胶强度弱。
因此，如何有效增加胶体电解质凝胶强度的同时，避免胶凝时间的缩短，维持灌胶溶液的低粘度，是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。
【发明内容】
本发明提供一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质及其制备方法，能够同时达到高凝胶强度和长胶凝时间，解决铅酸蓄电池的灌胶难题，又使生成的胶体有良好强度，达到优良的电化学性能。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，包括胶凝剂、硫酸和硫酸钠，所述胶凝剂包括气相二氧化硅以及不同粒径的分散硅胶A和分散硅胶B。
进一步的，所述气相二氧化硅的颗粒尺寸为160-240nm，所述分散硅胶A的颗粒尺寸为10-50nm，所述分散硅胶B的颗粒尺寸小于10nm。
进一步的，所述气相二氧化硅占胶凝剂总质量的70-90%，所述分散硅胶A占胶凝剂总质量的9-29%，所述分散硅胶B占胶凝剂总质量的1-25%。
进一步的，所述胶体电解质中硅的总含量为3-10wt%。
进一步的，在20℃时所述硫酸的密度为1.26-1.30g/ml。
进一步的，所述胶体电解质中硫酸钠的含量为3-10wt%。
一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、配制硫酸，在硫酸中加入硫酸钠；
b、用分散硅胶A配制分散硅胶A液，用分散硅胶B配制分散硅胶B液；
c、在高速分散剪切机中加入水、气相二氧化硅、分散硅胶A液和分散硅胶B液，制得母胶；
d、将母胶和a步骤制得的硫酸预冷后，混合形成胶体电解质。
进一步的，所述高速分散剪切机的线速度为15m/s，运转时间为3min。
进一步的，所述母胶与硫酸预冷至5-15℃。
进一步的，所述母胶与硫酸按质量比1:1-1:4混合。
本发明的有益效果：
本发明的胶体电解质通过混合不同颗粒尺寸的气相二氧化硅、分散硅胶A和分散硅胶B形成，采用胶粒较大的分散硅胶A和适宜的制备方法延长气相二氧化硅的胶凝时间，采用胶粒较小的分散硅胶B增加其凝胶强度，在不增加胶体电解质硅含量的前提下，有效增加了胶体电解质凝胶强度，同时避免了胶凝时间的缩短，维持了灌胶溶液的低粘度，利于灌胶。
本发明的这些特点和优点将会在下面的具体实施方式中详细的揭露。
【具体实施方式】
本发明提供一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，包括胶凝剂、硫酸和硫酸钠，胶凝剂包括气相二氧化硅以及不同粒径的分散硅胶A和分散硅胶B。
其中胶体电解质中的硫酸钠含量为3-10wt%，在20℃时硫酸的密度为1.26-1.30g/ml。
本发明的胶凝剂中气相二氧化硅、分散硅胶A和分散硅胶B的含量分别占胶凝剂总质量的70-90%、9-29%和1-25%。气相二氧化硅的颗粒尺寸为160-240nm，分散硅胶A的颗粒尺寸为10-50nm，分散硅胶B的颗粒尺寸小于10nm。
上述基础上，胶体电解质中硅的总含量为3-10wt%。
相比现有技术，利用大粒径和小粒径的分散硅胶及气相二氧化硅制成胶体电解质，并同时添加有助于改善电池电化学性能的添加剂硫酸钠。在不增加胶体电解质中硅含量的前提下，实现了胶体电解质两方面关键性能的突破：首先凝胶强度有所增强；其次延长胶凝时间；有利于蓄电池的浇灌并提高了胶体电解质的性能，使用寿命延长。
该胶体电解质的制备方法，包括以下步骤：
首先，配制硫酸，并在硫酸中加入硫酸钠；
其次，用分散硅胶A和水配制分散硅胶A液，用分散硅胶B和水配制分散硅胶B液；
然后，在高速分散剪切机中加入水、气相二氧化硅、分散硅胶A液和分散硅胶B液，制得乳白色母胶，高速分散剪切机的优选线速度为15m/s，运转时间为3min。；
最后，将母胶和硫酸在冷却水中预冷至5-15℃后，按质量比1:1-1:4高速混合。
下面结合基体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一：
首先，配制质量分数W2=46.7%的硫酸1000g，向配制好的硫酸中加入13.3g硫酸钠；
然后，称取775.2g水加入高速分散剪切机中，再分别加入气相二氧化硅125.5g、标明硅含量为40.0wt%的分散硅胶A液78.4g和标明硅含量为15.0wt%的分散硅胶B液20.9g；高速分散剪切机在线速度15m/s的条件下剪切3min，得到硅含量为16.0wt%的乳白色母胶；
最后，将母胶与硫酸预冷至10℃，按质量比1:3高速混合5min。
本实施例配制好的胶体电解质总硅含量为4.0wt%，硫酸钠含量为1.0wt%，硫酸密度为1.26g/mL；按此配方和制备方法配制的电解质与相同硅含量单纯气相二氧化硅制备的电解质相比，胶凝时间明显延长：25℃下此配方电解质初始胶凝时间为40min，完全胶凝时间150min；硅含量为4.0wt%的单纯气相二氧化硅胶体电解质初始胶凝时间为25min，完全胶凝时间为70min；
其次凝胶强度明显增加：25℃下此配方电解质凝胶强度为75.3mm；硅含量为4.0wt%的单纯气相二氧化硅胶体电解质凝胶强度为92.3mm。
实施例二：
首先，配制质量分数W2=46.7%的硫酸1000g，向配制好的硫酸中加入13.3g硫酸钠；
然后，称取743.3g水加入高速分散剪切机中，再分别加入气相二氧化硅120.8g、标明硅含量为40.0wt%的分散硅胶A液75.5g以及标明硅含量为15.0wt%的分散硅胶B液60.4g；高速分散剪切机在线速度15m/s的条件下剪切3min，得到硅含量为16.0wt%的乳白色母胶；
最后，将母胶与硫酸预冷至5℃，再按质量比1:3高速混合5min；
本实施例配制好的胶体电解质总硅含量为4.0wt%，硫酸钠含量为1.0wt%，硫酸浓度为1.26g/mL；25℃下此配方电解质初始胶凝时间为35min，完全胶凝时间130min；25℃下此配方电解质凝胶强度为57.6mm；相比实施例一胶凝时间缩短，但是凝胶强度更好，而且均要优于硅含量为4.0wt.%的单纯气相二氧化硅胶体电解质的性能。
实施例三：
首先，配制质量分数W3=52.5%的硫酸1000g，向配制好的硫酸中加入15.0g硫酸钠；
然后，称取778.2g水加入高速分散剪切机中，再分别加入气相二氧化硅110.3g、标明硅含量为40.0wt%的分散硅胶A液91.9g以及标明硅含量为15.0wt%的分散硅胶B液19.6g，高速分散剪切机在线速度15m/s的条件下剪切3min，得到硅含量为15.0wt%的乳白色母胶；
最后，将母胶与硫酸预冷至5℃后，按质量比1:2高速混合5min；
本实施例配制好的胶体电解质总硅含量为5.0wt%，硫酸钠含量为1.0wt%，硫酸浓度为1.26g/mL；25℃下此配方电解质初始胶凝时间为30min，完全胶凝时间60min；25℃下此配方电解质凝胶强度为44.3mm；胶凝时间和凝胶强度比硅含量为5.0wt%的单纯气相二氧化硅胶体电解质要更佳，因为硅含量为5.0wt%的单纯气相二氧化硅胶体电解质初始胶凝时间为15min，完全胶凝时间为30min；凝胶强度仅为72.7mm。
通过上述实施例，本发明的目的已经被完全有效的达到了。熟悉该项技术的人士应该明白本发明包括但不限上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，包括胶凝剂、硫酸和硫酸钠，其特征在于：所述胶凝剂包括气相二氧化硅以及不同粒径的分散硅胶A和分散硅胶B，且所述分散硅胶A的颗粒尺寸为10-50nm，所述分散硅胶B的颗粒尺寸小于10nm。
2.根据权利要求1所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，其特征在于：所述气相二氧化硅的颗粒尺寸为160-240nm。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，其特征在于：所述气相二氧化硅占胶凝剂总质量的70-90％，所述分散硅胶A占胶凝剂总质量的9-29％，所述分散硅胶B占胶凝剂总质量的1-25％。
4.根据权利要求3所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，其特征在于：所述胶体电解质中硅的总含量为3-10wt％。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，其特征在于：在20℃时所述硫酸的密度为1.26-1.30g/ml。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质，其特征在于：所述胶体电解质中硫酸钠的含量为3-10wt％。
7.一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
a、配制硫酸，在硫酸中加入硫酸钠制成酸性混合溶液；
b、用颗粒尺寸为10-50nm的分散硅胶A配制分散硅胶A液，用颗粒尺寸小于10nm的分散硅胶B配制分散硅胶B液；
c、在高速分散剪切机中加入水、气相二氧化硅、分散硅胶A液和分散硅胶B液，制得母胶；
d、将母胶和a步骤制得的酸性混合溶液预冷后，混合形成胶体电解质。
8.根据权利要求7所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质的制备方法，其特征在于：所述高速分散剪切机的线速度为15m/s，运转时间为3min。
9.根据权利要求7或8所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质的制备方法，其特征在于：所述母胶与酸性混合溶液预冷至5-15℃。
10.根据权利要求7或8所述的一种用于铅酸蓄电池的胶体电解质的制备方法，其特征在于：所述母胶与酸性混合溶液按质量比1:1-1:4混合。
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