CN113740203B - 一种铅酸蓄电池胶体电解液密度测试装置及方法 - 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密度测试装置及方法，测试装置包括Pb/PbO2对电极以及与所述Pb/PbO2对电极连接的电位差计；测试方法包括如下步骤：（1）将Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；（2）在待测的电解液中置入温度计；（3）通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程计算电解液的密度。本发明使用Pb/PbO2对电极和电位差计作为测试装置对胶体电解液的密度进行测量，测试装置制备简单方便，可实现电解质密度的在线动态检测，测试精度高，不受胶体聚沉的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电解液密度测试方法领域，尤其是涉及一种铅酸蓄电池胶体电解液密度测试装置及方法。
背景技术
铅酸蓄电池中的胶体电解液主要成分为凝胶剂和硫酸，胶体电解液的性质是影响胶体铅酸蓄电池容量和循环寿命的关键因素。目前在铅酸蓄电池生产过程中，需要实时测试所配制的硫酸密度以及电解液的密度来检测电解液浓度是否可以达到所需要求。
传统的电解液密度测试方法通常采用密度计或人工测量电解液的重量和体积进行计算，例如，在中国专利文献上公开的“一种硫酸密度测量装置”，其公开号CN102590023A，包括储酸腔，所述储酸腔包括上、下端和外壁，储酸腔靠近上端处设置有与现场加酸机旁边的储酸缸相连的进酸口，所述外壁上设置有体积刻度，所述下端连接有出酸口，所述储酸腔内还安装有温度计和密度计。但使用密度计测量的精度不够，影响电池的质量稳定性；测试重量和体积再计算得到密度时测量操作复杂，无法实现电解液密度的在线测量；因此亟需寻找一种可以实现电解液密度的自动化在线测量方法。
传感器是一种可以有效实现液体密度在线测量的工具，但由于电解液中的硫酸腐蚀性强，因此将传感器应用于铅酸蓄电池的胶体电解液密度测量时使用环境适应性差、使用成本高；并且使用传感器测量电解液密度时易受胶体聚沉的影响，其信号转换环节也易造成失真误差，导致测量结果不准确。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中采用传感器对电解液密度进行在线测量时，由于电解液中的硫酸腐蚀性强，传感器使用时的环境适应性差、使用成本高；并且使用传感器测量电解液密度时易受胶体聚沉的影响，其信号转换环节也易造成失真误差，导致测量结果不准确的问题，提供一种铅酸蓄电池胶体电解液密度测试装置及方法，使用Pb/PbO2对电极和电位差计作为测试装置对胶体电解液的密度进行测量，测试装置制备简单方便，可实现电解质密度的在线动态检测，测试精度高，不受胶体聚沉的影响。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种铅酸蓄电池胶体电解液密度测试装置，包括Pb/PbO2对电极以及与所述Pb/PbO2对电极连接的电位差计。
本发明还提供了一种使用上述测试装置测试电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)将Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(2)在待测的电解液中置入温度计；
(3)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程计算电解液的密度。
根据能斯特方程，铅酸蓄电池的电动势与电解液的密度及温度具有严格的相关性，因此本发明将Pb/PbO2对电极与电位差计连接作为测量装置，将Pb/PbO2对电极插入待测电解液中，可以直接从电位差计中读出电解液的电动势；然后根据温度计读出的电解液温度，可以在物理化学手册上查得相应温度下硫酸溶液的平均活度系数及水在硫酸溶液中的活度，最终根据能斯特方程(E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]。)即可计算得出待测电解液的密度。
电位差计可以实时输出电动势信号，使用本发明中的测量装置可以实现对电解液密度的在线动态检测；并且直接测量电动势信号避免了其他传感器所需的信号转换环节造成的失真误差，且电动势信号易于精确测量，因此本发明中的测量装置用于电解质密度的测量时可获得较高的精度，不受胶体聚沉的影响。同时，本发明中的测量装置可以避免其他传感器使用时受硫酸腐蚀的影响，提高了使用稳定性，降低了使用成本。
作为优选，所述Pb/PbO2对电极包括两个表面分别沉积有Pb层和PbO2层的铅电极，所述铅电极上设有用于与电位差计连接的连接导体。
作为优选，所述铅电极的一侧表面沉积有Pb层或PbO2层，另一侧表面涂覆有树脂层。本发明在铅电极的一侧涂覆树脂层，可以在铅电极上得到稳定的反应面积，从而可以保证得到的对电极具有良好的测量稳定性和响应速度。
作为优选，所述连接导体与铅电极的连接处涂覆有树脂层，防止导体与铅板接触酸时形成原电池对测试结果造成影响。
作为优选，所述Pb/PbO2对电极的制备方法为：将两个铅电极打磨后浸入硫酸溶液中，通过连接导体将两个铅电极与充放电仪连接，经反复充放电后分别在两个铅电极表面生成Pb层和PbO2层，取出后得到所述Pb/PbO2对电极。
本发明将铅电极浸入硫酸溶液中，经反复充放电后，与充放电仪负极连接的铅电极上可以通过电化学反应生成Pb层，与正极连接的铅电极上则通过电化学反应生成PbO2层，最终得到Pb/PbO2对电极。本发明通过电化学反应在铅电极表面沉积稳定、致密的Pb层和PbO2层，用于电解质密度测量时无需较长的稳定时间，响应速度快，进一步保证了对电解质密度进行动态检测时的测量精确度。
作为优选，所述硫酸溶液的密度为1.25～1.30g/cm3。
作为优选，充放电时的电流为0.15～0.25A，反复充放电15～25次。在此条件下反复充放电后在铅电极表面得到的Pb层和PbO2层具有良好的致密度和适中的厚度，如果充放电次数过少会导致形成的反应层不稳定，测试过程酸浸泡不稳定，影响测量结果的精确度；充放电次数太多又会导致反应层较厚，影响测量装置的响应速度。
作为优选，所述的铅电极为直径1.5～2.5cm、厚度0.8～1.2mm的圆形电极。
作为优选，将两个铅电极打磨后先在其一侧表面及铅电极与连接导体的连接处涂覆树脂层，待树脂层固化后再将铅电极浸入硫酸溶液中进行反复充放电。
因此，本发明具有如下有益效果：
(1)将Pb/PbO2对电极与电位差计连接作为测量装置，可以实现对电解液密度的在线动态检测；
(2)直接测量电动势信号避免了其他传感器所需的信号转换环节造成的失真误差，且电动势信号易于精确测量，因此本发明中的测量装置用于电解质密度的测量时可获得较高的精度，不受胶体聚沉的影响；
(3)本发明中的测量装置可以避免其他传感器使用时受硫酸腐蚀的影响，提高了使用稳定性，降低了使用成本；
(4)通过电化学反应在铅电极表面沉积稳定、致密的Pb层和PbO2层，用于电解质密度测量时无需较长的稳定时间，响应速度快，进一步保证了对电解质密度进行动态检测时的测量精确度。
附图说明
图1是本发明中的测量装置的结构示意图。
图2是本发明中的测试结果与利用数显折光计测试出的实际密度的吻合性分析图。
图中：1-Pb/PbO2对电极、101-铅电极、102-连接导体、103-Pb层、104-PbO2层、105-树脂层、2-电位差计。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
如图1所示，本发明各实施例中使用的一种铅酸蓄电池胶体电解液密度测试装置，包括Pb/PbO2对电极1以及与Pb/PbO2对电极连接的电位差计2。Pb/PbO2对电极包括两个铅电极101，两个铅电极的一侧表面涂覆有树脂层105，另一侧表面分别沉积有Pb层103和PbO2层104；两个铅电极上分别设有铜线作为连接导体102，铜线与铅电极连接的一端表面涂覆有树脂层105，另一端与电位差计连接。
实施例1：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：取直径为2cm、厚度为1mm的圆形纯铅(铅含量为99.9999％)两片作为铅电极；将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；最后将环氧树脂胶(普利泰AB固化胶)涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入密度为1.28g/cm3的硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与蓝电充放电测试仪(武汉市蓝电电子股份有限公司和CT2001B)连接，在0.2A的电流下反复进行充放电20次，在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
实施例2：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：取直径为1.5cm、厚度为0.8mm的圆形纯铅(铅含量为99.9999％)两片作为铅电极；将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；然后将环氧树脂胶涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入密度为1.25g/cm3的硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与蓝电充放电测试仪连接，在0.25A的电流下反复进行充放电15次，在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
实施例3：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：取直径为2.5cm、厚度为1.2mm的圆形纯铅(铅含量为99.9999％)两片作为铅电极；将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；然后将环氧树脂胶涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入密度为1.30g/cm3的硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与蓝电充放电测试仪连接，在0.15A的电流下反复进行充放电25次，在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
对比例1(沉积Pb层和PbO2层时充放电次数过少)：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：取直径为2cm、厚度为1mm的圆形纯铅(铅含量为99.9999％)两片作为铅电极；将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；然后将环氧树脂胶涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入密度为1.28g/cm3的硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与蓝电充放电测试仪连接，在0.2A的电流下反复进行充放电10次，在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
对比例2(沉积Pb层和PbO2层时充放电次数过多)：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：取直径为2cm、厚度为1mm的圆形纯铅(铅含量为99.9999％)两片作为铅电极；将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；然后将环氧树脂胶涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入密度为1.28g/cm3的硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与蓝电充放电测试仪连接，在0.2A的电流下反复进行充放电30次，在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
对比例3(Pb/PbO2对电极采用多孔电极)：
一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，包括如下步骤：
(1)制备Pb/PbO2对电极：对正负极铅膏进行和膏，然后利用填涂的方式进行板栅涂覆小电极，然后固化，在硫酸溶液中进行化成，得到具有电化学活性的Pb/PbO2对电极；
(2)将得到的Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
(3)在待测的电解液中置入温度计；
(4)通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程E＝Eθ+0.059log[mH2SO4γ±]2/[aH2O]计算电解液的密度。
对上述实施例和对比例中的测试方法的响应时间和精确度进行测定，结果如表1和图1中所示。
测试方法为：分别使用上述实施例和对比例中的装置和方法测试同一份胶体酸液配制过程中的密度，5s内进行读数，温度恒定为25℃；同时与利用数显折光计测试出的实际密度进行吻合性分析，结果与表1和图1中所示。
表1：胶体酸液配制过程中的密度测试结果。
从表1和图1的结果中可以看出，实施例1～3中采用本发明中的装置和方法对电解液密度进行测量时，响应时间短、测量精确度高；而对比例1中制备Pb/PbO2对电极的过程中沉积Pb层和PbO2层时充放电次数过少，导致形成的反应层不稳定，测试过程酸浸泡不稳定，测量一段时间后精确度与实施例1中相比有所下降；对比例2中沉积Pb层和PbO2层时充放电次数过多，又会导致反应层较厚，影响响应速度，测量前期精确度不佳；对比例3中Pb/PbO2对电极采用多孔电极，其达到稳态的时间较长，对于动态配制过程电解液密度反应速度慢。
Claims (2)
1.一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）将Pb/PbO2对电极与电位差计连接，并将Pb/PbO2对电极插入待测的电解液中；
（2）在待测的电解液中置入温度计；
（3）通过电位差计和温度计分别读取电解液的电动势和温度，根据能斯特方程计算电解液的密度；所述Pb/PbO2对电极包括两个表面分别沉积有Pb层（103）和PbO2层（104）的铅电极（101），所述铅电极上设有用于与电位差计连接的连接导体（102）；
所述Pb/PbO2对电极的制备方法为：取两片纯铅作为铅电极，将两个铅电极的其中一面通过研磨除去划痕、覆盖物，依次用1000目、1500目、3000目的SiC砂纸打磨光亮，然后在铅电极顶端焊接铜线作为连接导体；最后将环氧树脂胶涂覆在焊接部分及铅电极未经打磨的一侧表面，固化后形成树脂层（105）；将两个铅电极未涂覆树脂层的一侧平行正对地浸入硫酸溶液中，并通过导线将两个铅电极上的连接导体与充放电测试仪连接，反复进行充放电后在两个铅电极表面上分别沉积Pb层和PbO2层，取出后得到Pb/PbO2对电极；充放电时的电流为0.15~0.25A，反复充放电15~25次；所述硫酸溶液的密度为1.25~1.30g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种测试铅酸蓄电池胶体电解液密度的方法，其特征是，所述的铅电极为直径1.5~2.5cm、厚度0.8~1.2mm的圆形电极。
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