CN104218262A - 一种高活性纳米硅分散胶体及其在铅酸蓄电池上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高活性纳米硅分散胶体的制备方法：按照重量百分比配置以下组分：45％重量百分比的硫酸 950；粒径为10nm的纳米气相二氧化硅6-8；分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.01-0.02；分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.02-0.03；壳聚糖 0.01-0.02；氢氧化钠 0.005-0.01；所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
Description
技术领域
本发明涉及一种高活性纳米硅分散胶体及其在铅酸蓄电池上的应用。
背景技术
纳米气相二氧化硅又称气相白炭黑,是极其重要的纳米粉体之一,其原生粒径为7-40nm,具有比表面积大、表面吸附力强、化学纯度高等优点,以其优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性,在众多领域中有着不可取代的作用。在胶体蓄电池应用中,纳米二氧化硅分散于硫酸溶液中,静置后其表面硅轻基通过氢键结合,形成凝胶结构,硫酸和水包裹在其中,可以固定电解液,当施加剪切力时,又恢复到液体状态,蓄电池正极产生的氧气通过微裂纹进入负极,在负极复合成水,从而达到免维护的目的。纳米二氧化硅的比表面积极大,容易发生团聚。要使纳米二氧化硅在实际应用中体现出其特殊性能,首先要将其进行有效分散。在纺织、油墨、硅橡胶、涂料等的应用中,经常采用球磨等方法研究纳米二氧化硅的分散性。可通过测量分散体系的粘度、粒径及粒度分布等来研究纳米二氧化硅的分散性,其适度分散对性能的影响已经引起了一定的重视。
铅酸蓄电池由法国人普兰特创制，至今已有150年，目前蓄电池其应用领域非常广泛，例如起动用蓄电池，广泛用于汽车的起动、照明、点火；固定用蓄电池作为备用电源，广泛用于邮电、电站、医院等处；助力车用蓄电池，是中国的特色产品，现在的用量跃居第二位；至于更广泛的用途，不胜枚举。为满足各种需求，蓄电池的制作技术仍在不断地创新。
二氧化硅在铅酸蓄电池中的应用愈来愈广泛，本发明旨在提供一种新型高活性纳米硅溶胶，相比现有技术的纳米硅溶胶，其有用量小，提升蓄电池性能更显著的优点。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明针对目前铅酸蓄电池失水快，电解液分层，电池寿命短，污染环境的问题，本发明提供了一种新型高活性纳米硅分散胶体，其能显著提升铅酸蓄电池的性能。
一种高活性纳米硅分散胶体，由以下组分按照重量份混合配制而成：
45％重量百分比的硫酸 950
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 6-8
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.01-0.02
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.02-0.03
壳聚糖 0.01-0.02
氢氧化钠 0.005-0.01
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
本发明的高活性纳米硅分散胶体可适用于各种不同用途、不同类型、不同加工工艺、不同隔板类型等的铅酸蓄电池，生产亚胶体或全胶体蓄电池。本产品在比重约为1.05-1.40g/cm3的稀硫酸中能产生足够的凝胶强度，建议使用质量约占总重2％-50％(氧化硅含量0.2％-5.0％)。
蓄电池生产厂家所用极板、隔板及组装工艺等的差异，生产电池的用途不一，对胶体要求、对胶体电池所需电解液的单格酸量、加胶总重量、加注后有效酸含量、电池其他添加剂及用量等工艺参数要求也各不相同；电池化成、抽酸、配组等生产工艺各公司也不尽相同。为保证高活性纳米硅分散胶体在胶体蓄电池上应用的优异性能充分发挥，并利于大生产工艺操作的稳定合理、简易可行，本产品应用于胶体蓄电池上的电池所需电解液的单格酸量、加胶总重量、加注后有效酸含量、除高活性纳米硅分散胶体外的电池其他添加剂及用量等工艺参数要求均参照生产厂家原工艺参数不变；电池化成、抽酸、配组等生产工艺也可参照各公司原工艺。如果需要将产品与其它添加剂同时使用，必须提前评估产品和其它添加剂的相容性，用量不变。
高活性纳米硅分散胶体用量在3％-6％(氧化硅用量0.3％-0.6％)可生产AGM隔板亚胶体电池；
高活性纳米硅分散胶体用量在6％-15％(氧化硅用量0.6％-1.5％)可生产AGM隔板不同用途(储能电池、光伏电池、动力电池等)的全胶体电池；
高活性纳米硅分散胶体用量在10％-50％(氧化硅用量1％-5％)可生产PE隔板、PVC隔板、橡胶隔板等不同用途(储能电池、通讯电池、光伏电池等)的全胶体电池及管式电池等。
将高活性纳米硅分散胶体与预配的稀硫酸及其他助剂的混合电解质的设计参数数据导入专用的注胶设备中，校正导入设备的参数数据的准确性或在改造后的注胶设备上按设计比例、设计总量配制好胶体电解液。
按照加胶设备操作规程进行电池加胶操作，启动吸料、搅拌、加胶程序，将高活性纳米硅分散胶体与预配的稀硫酸及其他助剂的混合电解质在专用的注胶设备上在线搅拌混合、即混即用或在改造设备上加胶，实现电解质的顺利加注。
电池加胶须采用抽真空加注的方式，保证胶体电解质在电池极板和隔板内均匀渗透；避免蓄电池内部硫酸介质不足或胶体局部凝胶渗透不完全，影响电池的性能。加胶过程中抽检混合胶体比重、电池加胶总量，确保加胶质量。
注胶时间、抽真空次数、真空度等注胶工艺和电池的后续化成、配组等加工工艺保持原工艺不变，电池化成后必须进行在线动态抽酸、充电结束后查酸。
本发明的有益之处在于：
1、本发明的高活性纳米硅分散胶体添加到铅酸蓄电池中，可以显著提高蓄电池的各种性能，包括缩短充电时间、提高稳定性及寿命；
2、本发明的高活性纳米硅分散胶体添加到铅酸蓄电池中，在低温下仍可正常使用，性能稳定；
3、本发明的高活性纳米硅分散胶体制备过程简单，成本低廉，适合工业化大规模生产。
具体实施方式
实施例1：
一种高活性纳米硅分散胶体，由以下组分按照重量份混合配制而成：
45％重量百分比的硫酸 950
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 6
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.01
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.02
壳聚糖 0.01
氢氧化钠 0.005
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
实施例2：
一种高活性纳米硅分散胶体，由以下组分按照重量份混合配制而成：
45％重量百分比的硫酸 950
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 7
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.02
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.03
壳聚糖 0.02
氢氧化钠 0.008
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
实施例3：
一种高活性纳米硅分散胶体，由以下组分按照重量份混合配制而成：
45％重量百分比的硫酸 950
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 8
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.02
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.03
壳聚糖 0.02
氢氧化钠 0.01
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
实施例4：
一种高活性纳米硅分散胶体，由以下组分按照重量份混合配制而成：
45％重量百分比的硫酸 950
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 8
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.01
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.03
壳聚糖 0.02
氢氧化钠 0.01
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
实施例5：指标测评
实施例1-4制得的高活性纳米硅分散胶体呈透明溶液状。
(1)常温测试
温度在25℃下，用其对12ah的AGM隔板亚胶体电池添加，添加量为5％，然后进行了2hr容量、充电接受能力、-15℃低温容量、21.6A大电流放电容量保存率、100％DOD寿命的测试。
每种纳米硅分散胶体对6个AGM隔板亚胶体电池进行添加，实验数据取平均值。
结果如表1所示：
表1 常温下性能测定
| 检测项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 2hr容量(Ah)1次 | 14 | 14.1 | 13.9 | 14 |
| 21.6A大电流放电(min) | 27min | 27min | 27min | 27min |
| 充电接受能力 | 2.81 | 2.79 | 2.81 | 2.82 |
| 容量保存率 | 0.95 | 0.93 | 0.93 | 0.94 |
| 2hr25℃100％DOD寿命 | 610 | 595 | 606 | 609 |
(2)低温测试：
温度在-20℃下，用其对12ah的AGM隔板亚胶体电池添加，添加量为5％，然后进行了2hr容量、充电接受能力、-15℃低温容量、21.6A大电流放电容量保存率、100％DOD寿命的测试。每种纳米硅分散胶体对6个AGM隔板亚胶体电池进行添加，实验数据取平均值。
在该温度下，普通12ah的AGM隔板亚胶体电池几乎无法使用，而添加了本发明的纳米硅分散胶体的AGM隔板亚胶体电池虽然各方面性能有所衰减，但是性能仍然温度，可以正常使用。
表2 低温下性能测定
| 检测项目 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 |
| 2hr容量(Ah)1次 | 11.1 | 10.9 | 10.7 | 11.0 |
| 21.6A大电流放电(min) | 22min | 22min | 22min | 22min |
| 充电接受能力 | 2.51 | 2.39 | 2.46 | 2.50 |
| 容量保存率 | 0.81 | 0.79 | 0.78 | 0.79 |
| 2hr25℃100％DOD寿命 | 510 | 482 | 501 | 496 |
此检测数据只针对上述检测样品。
从实验数据可以看到，本发明提供的高活性纳米硅分散胶体可以显著提高铅酸蓄电池的各项性能，大大优于现有技术的效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种高活性纳米硅分散胶体的制备方法，其特征在于其步骤如下：
按照重量百分比配置以下组分：
45%重量百分比的硫酸 950；
粒径为10nm的纳米气相二氧化硅 6-8；
分子量为2.8-5.5*104的聚丙烯酰胺 0.01-0.02；
分子量为3.2-5.5*105的聚丙烯酰胺 0.02-0.03；
壳聚糖 0.01-0.02；
氢氧化钠 0.005-0.01；
所述高活性纳米硅分散胶体的制备过程为：
纳米气相二氧化硅先与水混合，以5000r/min速度剪切搅拌混合20min然后加入氢氧化钠混合，再依次加入2种分子量的聚丙烯酰胺，壳聚糖，硫酸混合均匀得到高活性纳米硅分散胶体。
2.权利要求1所述的制备方法制备得到的高活性纳米硅分散胶体。
3.权利要求2所述的高活性纳米硅分散胶体作为铅酸蓄电池添加剂的应用。
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