CN103594739A - 一种铅酸蓄电池电解液 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铅酸蓄电池电解液,包括硫酸水溶液、3,5-二氨基苯甲酸和铋离子。与现有技术相比,本发明的铅酸蓄电池电解液可以有效的减缓板栅合金在充放电过程中钝化膜的生长,使得电池在深循环使用过程中,不容易因为板栅的钝化而导致活性物质脱落,从而避免铅酸蓄电池早期容量的衰减,同时还能显著提高铅酸蓄电池的析氢过电位,减少循环过程中电池失水量,延长电池在深循环使用条件下的寿命。
Description
技术领域
本发明属于铅酸蓄电池加工技术领域,具体涉及一种铅酸蓄电池电解液。
背景技术
铅酸蓄电池具有电动势高、内阻小、适用于大电流放电、使用性能可靠、贮存寿命较长、价格低廉和原料易得等优点,因此得到广泛应用。但传统的铅酸蓄电池也存在早期容量衰减、使用寿命短等系列问题,其症状表现为正极板板栅腐蚀、铅膏软化脱落、负极板硫酸盐化等。
自1859年铅酸蓄电池问世以来,人们一直在探索在电解液中添加某种添加剂,来复活那些不能再用的、硫酸盐化的或所谓“废死”的蓄电池,或提高蓄电池容量和延长蓄电池寿命。在电解液中添加添加剂,对抑制硫酸盐化和防止活性物质脱落、减少自放电、延长电池寿命是有效的,由于不必改变电池的生产过程且附加成本低,所以较为切实可行。
最普通的电解液添加剂是由水合状态的硫酸钠和硫酸镁的混合物组成的,其他痕量元素常以主成分中的杂质出现或与其混合。其他电解液添加剂主要有钾、铝、铵等的硫酸盐或磷酸盐。
金属硫酸盐是现有最常见的电解液添加剂,一般认为硫酸镁、硫酸铝、硫酸钴等硫酸盐是一种配位掺杂剂,可与很多金属离子,包括铅离子,形成配位化合物。铅离子和电解液中添加的硫酸盐,在极板的硫酸铅上形成的配位化合物在酸性介质中是不稳定的。最后,部分不导电的硫酸铅将溶解返回到电解液中,从而使蓄电池极板慢慢摆脱硫酸盐化。
此外,还可在金属硫酸盐中添加氨基酸或金属碳酸盐,氨基酸可以采用半胱氨酸、蛋氨酸、丙氨酸等;金属碳酸盐可以采用碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸镁等。
除金属硫酸盐外,现有的电解液添加剂还包括:阴极缓蚀剂,如三嗪,吸附在金属表面的阴极区,抑制氢原子在阴极区的放电;碳素悬浮液,由碳素阳极在水溶液中电解氧化形成,通过电化学掺杂使铅酸蓄电池正极活物二氧化铅活化;电气石,电气石矿石或其粉末接触水时,在水中发生放电,使周围的水发生轻度电解,产生H+和OH-。OH-与周围的水分子结合成羟基负离子,羟基负离子形成单分子膜,产生解液进入润湿性不好的硫酸铅结晶间,减少充电时的电流密度,提高铅酸蓄电池循环寿命和过放电放置后的充电接收性能。
公告号为CN103050738A的中国专利文献公开了一种铅酸蓄电池电解液添加剂及其制备方法,每升铅酸蓄电池电解液中含有:乙二胺四乙酸二钠1500~2000mg/L;硫酸铝150~200mg/L;硫酸钠1000~1200mg/L;硫酸镉1200~1600mg/L;硫酸亚锡1500~2000mg/L;硫酸镁4500~6000mg/L;硫酸钴350~400mg/L;硫酸铜300~350mg/L;硫酸钾1000~1200mg/L,余量为密度1.28~1.34g/mL的稀硫酸。
该铅酸蓄电池电解液添加剂不仅成分复杂,制备方法繁琐,且蓄电池的充电性能还有待提高。
发明内容
本发明提供了一种铅酸蓄电池电解液,不仅可防止蓄电池出现PCL-1现象,还可提高充电过程中铅酸蓄电池的析氢过电位,降低循环过程中铅酸蓄电池的失水量,延长在深循环使用条件下的寿命。
一种铅酸蓄电池电解液,包括硫酸水溶液和3,5-二氨基苯甲酸。
3,5-二氨基苯甲酸可以有效的减缓板栅合金在充放电过程中钝化膜的生长,使得电池在深循环使用过程中,不容易因为板栅的钝化而导致活性物质脱落,从而避免铅酸蓄电池早期容量衰减。
所述3,5-二氨基苯甲酸的浓度优选为10~1000ppm,更优选为500~700ppm。相对于其他浓度,该浓度范围的3,5-二氨基苯甲酸对深放电时板栅合金上所形成的阳极Pb(II)膜的阻抗特性有着较大的改善作用,能够有效缓解蓄电池的早期容量损失(PCL-1)。最优选的3,5-二氨基苯甲酸的浓度为600ppm。在该浓度下,阳极Pb(II)膜的阻抗最小。
作为优选,所述铅酸蓄电池电解液中还包括浓度为25~200ppm的铋离子。铋离子能够提高负极的析氢过电位,降低氢气析出的速率,有效防止电池因为失水而过早失效。
作为进一步优选,所述铋离子浓度为50~100ppm,更优选为60ppm。相对于其他浓度,该浓度范围的铋离子能够降低充电末期电流值,防止电池在充电期间出现不转灯的现象,延长电池的使用寿命。
本发明中,所述硫酸水溶液的密度为1.33~1.36g/cm3。
本发明中,“ppm”表示溶质质量占全部溶液质量的百万分比,即百万分比浓度,计算公式为:ppm=(溶质质量/溶液质量)×1000000。
本发明还提供了一种铅酸蓄电池电解液添加剂,该电解液添加剂由3,5-二氨基苯甲酸和氧化铋(或者氢氧化铋)组成,3,5-二氨基苯甲酸和氧化铋(Bi2O3)的质量比优选为1:0.02~25,更优选为1:0.1~1.0,最优选为1:0.1。该电解液添加剂成分简单,将其直接投入一定量的硫酸水溶液中,即可获得一种本发明的铅酸蓄电池电解液。
实验表明,当3,5-二氨基苯甲酸的浓度为600ppm、铋离子的浓度为60ppm时,铅酸蓄电池电解液的析氢过电位最高,装配电池在循环过程中的失水量也最小;增加或减少3,5-二氨基苯甲酸和铋离子的添加量,铅酸蓄电池电解液的析氢过电位均有所下降,但仍比常规电解液高;装配电池在循环过程中的失水量也相应增加,但仍比常规电池少。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明的铅酸蓄电池电解液有利于减缓板栅与活性物质间钝化膜的生长,可以使早期容量衰减(PCL-1)降低80%左右;
(2)本发明铅酸蓄电池电解液能够提高负极析氢过电位,大大减少铅酸蓄电池充电过程气体的析出量,从而减少水损耗,延长电池的使用寿命;
(3)本发明铅酸蓄电池电解液添加剂价廉易得,可直接加入到硫酸水溶液中,添加方法简单,便于操作;
(4)本发明铅酸蓄电池电解液添加剂适用于包括阀控式铅酸蓄电池在内的所有铅酸蓄电池,不会对电池产生任何不利的影响,并且对环境无污染。
附图说明
图1为Pb-Ca合金电极在常规电解液和实验电解液中的阴极极化曲线;
图2为Pb-Ca合金电极在常规电解液和实验电解液中阴极极化曲线的Tafel图;
图3为Pb-Ca合金电极在常规电解液和实验电解液中的动电位交流曲线;
图4为图3中-0.4~-0.65V电位区间的放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸0.134g加入1L的硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为100ppm。
实施例2铅酸蓄电池电解液添加剂以及铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸0.67g、氧化铋0.074g混合,即得铅酸蓄电池电解液添加剂。
将获得的铅酸蓄电池电解液添加剂加入1L硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为500ppm,铋离子的浓度为50ppm。
实施例3铅酸蓄电池电解液添加剂以及铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸0.938g、氧化铋0.104g混合,即得铅酸蓄电池电解液添加剂。
将获得的铅酸蓄电池电解液添加剂加入1L的硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为700ppm,铋离子的浓度为70ppm。
实施例4铅酸蓄电池电解液添加剂以及铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸0.804g、氧化铋0.088g混合,即得铅酸蓄电池电解液添加剂。
将获得的铅酸蓄电池电解液添加剂加入1L的硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为600ppm,铋离子的浓度为60ppm。
实施例5铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸1.072g加入1L的硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为800ppm。
实施例6铅酸蓄电池电解液的制备
取3,5-二氨基苯甲酸1.34g加入1L的硫酸水溶液(密度为1.34g/cm3)中,获得铅酸蓄电池电解液,该铅酸蓄电池电解液中3,5-二氨基苯甲酸的浓度为1000ppm。
实施例7铅酸蓄电池电解液性能测定
以实施例4制得的铅酸蓄电池电解液(实验电解液)为例,以未添加任何电解液添加剂的1.34g/cm3的硫酸水溶液(常规电解液)为对照例,分别检测两种电解液对Pb-Ca合金析氢过电位以及循环过程中电池失水量的影响。
(1)对析氢过电位的影响
利用标准三电极测试体系分别测试Pb-Ca电极在实验电解液和常规电解液中的析氢行为,测试结果见图1,扫描速度为1mV/s。
由图1可见,随着电位的变小,两种电解液的析氢电流都变大;但实验电解液的析氢电流比常规电解液的析氢电流小,且电位越大,两种电解液的析氢电流的差别越大。这表明常规电解液的析氢反应比实验电解液的析氢反应更容易发生。
图1中I值取电流密度(j)并求对数(Log|j|),以该对数值对E作图,得Tafel图,如图2。在一定范围内,超电势(η)与电流密度(j)存在关系:η=a+b×log|j|,即塔菲尔公式,a、b为塔菲尔常数,它们决定于电极材料、电极表面状态、温度和溶液组成等,该公式适用于电流密度较高的区域。取-1.6V~-1.7V间的电流值作Tafel图,经拟合线性关系得有关参数a,b,R(如表1)。
表1线性电位扫描求得的析氢反应动力学参数值
a/V | b/V | R | |
常规电解液 | -1.9375 | -0.2357 | -0.9998 |
实验电解液 | -2.3043 | -0.2407 | -0.9996 |
常数a为电流密度等于1A·cm-2时的析氢过电位,代表析氢反应的难易程度;常数b为Tafel曲线的斜率,R为相关系数。a,b代表析氢反应速率与电位的关系。从表1中可以明显看出,常规电解液的析氢过电位明显大于实验电解液的,可以得出结论:Pb-Ca合金电极在实验电解液中具有更高的析氢过电位,能显著减少充电过程中的析氢量。
(2)对电池循环过程中失水量的影响
按正常工艺装配6-DZM-12Ah电池(两只试验电池1A和1B、两只常规电池A和B),以正常步骤充电。在25℃±2℃环境中,以1.0I2A电流放电至10.5V,然后以恒压14.8V(限流1.8A)充电12小时;以上作为一个循环次数。称量电池循环前重量,在不同循环次数结束时测试电池重量,对比前后失水量。
表2循环前和不同循环次数结束时电池重量(g)
循环次数 | 实验电池1A | 实验电池1B | 常规电池A | 常规电池B |
循环前 | 4442 | 4438 | 4438 | 4448 |
100次 | 4433 | 4429 | 4410 | 4420 |
200次 | 4413 | 4407 | 4367 | 4379 |
300次 | 4386 | 4380 | 4312 | 4322 |
400次 | 4356 | 4348 | 4243 | 4249 |
表3不同循环次数后电池失水量(g)
循环次数 | 实验电池1A | 实验电池1B | 常规电池A | 常规电池B |
100次 | 9 | 9 | 28 | 28 |
200次 | 20 | 22 | 43 | 41 |
300次 | 27 | 27 | 55 | 57 |
400次 | 30 | 32 | 69 | 73 |
表3中,循环100次后的电池失水量即第1~100次循环过程中的失水量,循环200次后的电池失水量即第101~200次循环过程中的失水量,循环300次后的电池失水量即第201~300次循环过程中的失水量,循环400次后的电池失水量即第301~400次循环过程中的失水量。由表2和表3可见,在相同充放电制度下,实验电池的失水量明显比常规电池少。可以得出结论:实验电解液能有效降低电池使用过程中的失水量。
实施例8各实施例铅酸蓄电池电解液性能比较
采用与实施例7相同的方法,分别检测实施例1~6中不同电解液配方(S1~S6)对Pb-Ca合金在深放电时阳极Pb(II)膜的生长、析氢过电位以及循环过程中电池失水量的影响。并对结果进行比较,结果见表4和表5。
(1)深放电时阳极Pb(II)膜的生长
图3为Pb-Ca合金电极在0.9V成膜1h后,负向电位扫描测得的还原过程中膜阻抗实数部分(Z′)变化特性。研究在0.9V下生成的阳极膜,是因为该电位接近铅酸蓄电池在深放电时正板栅所处的电位。从图3中可以发现,-0.6V时出现阻抗峰,这对应于非计量数PbOn(1<n<2)转化为PbO和高阻抗的Pb(II),电位继续负移时,阻抗下降至较低位,这对应于PbO和高阻抗的Pb(II)转化为良导电性金属Pb。比较图3和图4中曲线可见,在电解液S2,S3,S4,S5和S6中,Pb-Ca合金电极的阻抗实数部分变化均明显低于S1,且当3,5-二氨基苯甲酸含量低于700ppm时,阻抗实数部分随3,5-二氨基苯甲酸含量增加而降低,而当3,5-二氨基苯甲酸含量增加至700ppm或更高时,阻抗实数部分随3,5-二氨基苯甲酸含量增加而增加。氧化膜阻抗降低可能有两个原因:(1)电解液中3,5-二氨基苯甲酸的添加能抑制Pb(II)的生长;(2)3,5-二氨基苯甲酸能促进氧化膜的多孔性,增加离子通道,由此降低Pb(II)膜的阻抗。
(2)析氢过电位的比较
表4线性电位扫描求得的析氢反应动力学参数值
a/V | b/V | R | |
实施例1 | -2.0306 | -0.2293 | -0.9994 |
实施例2 | -2.2706 | -0.2389 | -0.9996 |
实施例3 | -2.2831 | -0.2456 | -0.9995 |
实施例4 | -2.3043 | -0.2407 | -0.9996 |
实施例5 | -2.0753 | -0.2346 | -0.9998 |
实施例6 | -2.0811 | -0.2289 | -0.9995 |
常规电解液 | -1.9375 | -0.2357 | -0.9998 |
由表4可见,当铅酸蓄电池电解液中铋离子含量为60ppm,3,5-二氨基苯甲酸、铋离子的浓度比为10:1时(实施例4),铅酸蓄电池电解液的析氢过电位最高;增加或减少3,5-二氨基苯甲酸和铋离子的含量,铅酸蓄电池电解液的析氢过电位均有所下降,但仍比常规电解液高。
(3)失水量比较
每一种铅酸蓄电池电解液装备两只6-DZM-12Ah电池,计算两只电池的平均失水量。
表5循环前和不同循环次数结束时电池重量(g)
表6不同循环次数后电池失水量(g)
循环100次 | 循环200次 | 循环300次 | 循环400次 | |
实验电池1 | 27 | 40 | 54 | 70 |
实验电池2 | 18 | 30 | 33 | 39 |
实验电池3 | 16 | 28 | 32 | 37 |
实验电池4 | 9 | 21 | 27 | 31 |
实验电池5 | 29 | 38 | 51 | 61 |
实验电池6 | 28 | 39 | 50 | 68 |
常规电池 | 28 | 42 | 56 | 71 |
表6中,循环100次后的电池失水量即第1~100次循环过程中的失水量,循环200次后的电池失水量即第101~200次循环过程中的失水量,循环300次后的电池失水量即第201~300次循环过程中的失水量,循环400次后的电池失水量即第301~400次循环过程中的失水量。由表5和表6可见,在相同充放电制度下,各实验电池失水量大小排序为:常规电池>实验电池1>实验电池6>实验电池5>实验电池2>实验电池3>实验电池4。
Claims (8)
1.一种铅酸蓄电池电解液,其特征在于,包括硫酸水溶液和3,5-二氨基苯甲酸。
2.如权利要求1所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述3,5-二氨基苯甲酸的浓度为10~1000ppm。
3.如权利要求2所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述3,5-二氨基苯甲酸的浓度为500~700ppm。
4.如权利要求2所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述3,5-二氨基苯甲酸的浓度为600ppm。
5.如权利要求1或2或3或4所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,还包括浓度为25~200ppm的铋离子。
6.如权利要求5所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述铋离子的浓度为50~100ppm。
7.如权利要求6所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述铋离子的浓度为60ppm。
8.如权利要求1所述的铅酸蓄电池电解液,其特征在于,所述硫酸水溶液的密度为1.33~1.36g/cm3。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140219 |