專利名稱：用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池領(lǐng)域，進(jìn)一步是指涉及到適用于石墨電池的納米硅膠體電解液及其制備方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池有150多年的歷史，因?yàn)槠浼夹g(shù)成熟、價(jià)格低廉、安全性好、性能穩(wěn)定、持久耐用、再生利用率高、適用的環(huán)境溫度范圍廣、原材料易于獲得等優(yōu)點(diǎn)，給人們的生活和工作帶來很多方便和好處。使得鉛酸蓄電池自發(fā)明后，在化學(xué)電源中一直占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。但由于鉛酸蓄電池是采用硫酸液體電池液，在生產(chǎn)和使用過程中，會(huì)產(chǎn)生酸霧，對(duì) 環(huán)境和人體健康產(chǎn)生不良影響；在運(yùn)輸過程，尤其船運(yùn)時(shí)容易傾斜、晃動(dòng)，因而硫酸溢出，腐蝕包裝和船艙，造成危害；同時(shí)，其廢棄物對(duì)環(huán)境造成污染等缺點(diǎn)。針對(duì)鉛酸蓄電池的缺陷，人們開始了研究在純硫酸電解液加入膠體，改善鉛酸蓄電池的缺陷，并提高電池性能。到1941年德國(guó)Degussa公司成功開發(fā)出氣相SiO2,60年代世界上出現(xiàn)了免維護(hù)密封電池，此后才產(chǎn)生了以德國(guó)陽光公司和哈根公司的產(chǎn)品為代表的現(xiàn)代的優(yōu)良膠體蓄電池。但德國(guó)公司的膠體蓄電池工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，要經(jīng)多次充放電才能出廠。根據(jù)歐洲專利87117277. I (申請(qǐng)?zhí)?介紹，德國(guó)哈根膠體蓄電池技術(shù)是這樣的在生極板電池中加入比重I. 26的硫酸，化成后放電，硫酸比重下降至I. 07，倒出全部剩余硫酸。配制水凝膠劑混合物，即在水中加入2%的磷酸和3gL的硫酸鈉，再加入蓄電池電解液總量6. 0%的氣相二氧化硅，混合均勻后注入電池中，充電后逐步凝膠。最后吸出極群上部存有不凝膠的酸液。所得膠體蓄電池首次容量為90%，幾次循環(huán)后可達(dá)100%。電池放電中需幾次調(diào)整(提高)硫酸比重，放電結(jié)束后要倒凈剩余酸液，改灌膠體，最后還需抽出上層不凝膠酸液。雖然生產(chǎn)膠體蓄電池工藝復(fù)雜，成本增加，但是環(huán)保，而且還具有如下優(yōu)點(diǎn)I)綠色、安全、環(huán)保采用硅膠體電解液取代硫酸，解決了在生產(chǎn)和使用過程中一直存在在的酸霧和接觸腐蝕難題；電池工作電解液已呈現(xiàn)固體膠態(tài)，無流動(dòng)液體存在，外殼意外破損，也不會(huì)液漏而造成環(huán)境污染；電池報(bào)廢時(shí)除了極板可再生利用外，電解液是無污染硅鹽，還可用于種植。2)充放電特性好蓄電池的內(nèi)阻小、熱阻低，適應(yīng)大電流充放電而不會(huì)產(chǎn)生很高的溫升；即使是深度放電，充電后還可以恢復(fù)容量。3)高低溫性能好蓄電池的熱阻低，夏天運(yùn)行不易發(fā)生熱失控而導(dǎo)致電池膨脹變形，冬季運(yùn)行容量下降少，在零下10°c容量保持率達(dá)到88 92%，在零下30°C仍能使用，其容量保持率(20hr)仍可達(dá)到50%。4)耐長(zhǎng)期貯存密閉反應(yīng)(氧復(fù)合)效率高、失水率低，內(nèi)阻小、自放電小，常溫存放月容量損失為2 3%，比AGM電池低3 5倍，存期長(zhǎng)達(dá)半年充電后容量仍可恢復(fù)正常。5)循環(huán)使用壽命高于國(guó)標(biāo)20 30%。 6)比功率和比能量略高于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池。
由于膠體蓄電池的優(yōu)點(diǎn)很多，我國(guó)從50 60年代就斷斷續(xù)續(xù)地開始了膠體蓄電池的研究開發(fā)，在80年代末、90年代初達(dá)到高潮，很多廠家一窩蜂宣稱做出膠體電池。當(dāng)時(shí)魚目混珠，實(shí)際沒幾家過關(guān)，極大損毀膠體電池的聲譽(yù)。經(jīng)過一段時(shí)間沉靜，在二十世紀(jì)初，國(guó)內(nèi)又有人做膠體電池。但時(shí)至今日仍然良莠不齊，很多做出來的“膠”是水膠分層。目前國(guó)內(nèi)少數(shù)生產(chǎn)膠體電池的廠家原材料主要是采用氣相二氧化硅。氣相二氧化硅法所制得的膠體蓄電池性能優(yōu)良，主要是氣相二氧化硅非常純凈，不存在雜質(zhì)影響蓄電池性能，同時(shí)凝膠力強(qiáng)、表面活性高，但國(guó)內(nèi)來源較困難，價(jià)格極高(進(jìn)口氣相二氧化硅每噸約3萬元)。再加上用氣相二氧化硅配制的膠體粘度很高、觸變性很強(qiáng)，用普通的灌裝方法無法灌入蓄電池中。如果沒有特殊的粘度調(diào)節(jié)劑、膠體穩(wěn)定劑及其他添加劑，是很難控制其性能與質(zhì)量的。如果完全采用德國(guó)工藝，成本將顯著增加，對(duì) 于國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)環(huán)境來說，是沒有競(jìng)爭(zhēng)力的。目前只有個(gè)別廠家研發(fā)出膠體配方，做到不需要對(duì)原有蓄電池工藝進(jìn)行很大改動(dòng)，同樣可以得到與德國(guó)工藝一樣的質(zhì)量。用水玻璃生產(chǎn)的膠體主要是采用離子交換法，采用工業(yè)水玻璃，經(jīng)稀釋后通過離子交換柱，再加熱濃縮，得到硅溶膠。由于不能控制鐵離子等金屬雜質(zhì)離子和氯離子含量，膠粒直徑均過高，膠體電解液的孔道易被堵住，對(duì)蓄電池電性能有明顯影響。表現(xiàn)為膠體蓄電池水化、分層、電阻大、易老化等問題。本發(fā)明生產(chǎn)的納米硅電解液，是針對(duì)采用硅酸鈉(水玻璃)為原料生產(chǎn)的膠體進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)加入新的配方，使得不需要對(duì)蓄電池原有生產(chǎn)工藝進(jìn)行改動(dòng)，同樣達(dá)到采用氣相二氧化硅生產(chǎn)的蓄電池一樣的質(zhì)量和性能，同時(shí)減小因?yàn)榧幽z體增加太大成本，而難以市場(chǎng)推廣的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，其可用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)生產(chǎn)工藝的硫酸電解液，且制備的鉛酸蓄電池容量比國(guó)標(biāo)要求高，大電流放電最高于國(guó)標(biāo)，-10°c低溫容量高于國(guó)標(biāo)。實(shí)現(xiàn)上述目的技術(shù)方案如下用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，包括以下成份溶液A :添加有添加劑的硅酸鈉溶液，溶于純凈水的、比重為I. 10 I. 16g/cm3的硅酸鈉，97_99wt% ；磷酸，0.35-0. 65wt% ;氫氧化鋰，0.15-0. 55wt% ；氫氧化鉀，0.05-0. 45wt % ；聚乙二醇，0.15-0. 55wt% ；聚丙烯酰胺，0.15-0. 55wt% ；丙三醇，0. 05-0. 55wt% ;上述成份的總和為100% ；B :比重為I. 40±0. 01g/cm3的稀硫酸溶液，其中，溶液A與硫酸溶液的重量量比為0. 45 0. 20 (比重為I. 10 I. 16g/cm3的納米硅溶液)1 (比重為I. 40 + 0. 01g/cm3的硫酸)。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述純凈水的水質(zhì)要求為
總殘?jiān)酷?. 0005wt %,錳彡 0. OOOOlwt %,鐵彡 0. OOOOlwt %,氯^ 0. 00005wt 銨< 0. 0008wt 硝酸鹽(以N計(jì))< 0. OOOlwt 還原高猛酸鉀物質(zhì)(以0計(jì))(0. 00002wt%，堿土金屬氧化物(以CaO計(jì))(0. 0005wt%,電阻值彡10兆歐。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述稀硫酸溶液為以下標(biāo)準(zhǔn)的濃硫酸和去離子水配置而成，硫酸(H2SO4) 96wt % - 98wt%，灰分含量彡 0. 02wt%，錳彡 0. 00005wt%，鐵彡 0. 005wt%，砷(0. 00005wt%，氯含量彡 0. 0002wt%，氮化物(以 N 計(jì)算)彡 0. OOOlwt%，銨彡 0. 001wt%,二氧化硫< 0. 004wt%,銅< 0. 0005wt%,還原高猛酸鉀物質(zhì)(以0計(jì))(0. 00Iwt其余組分為水，構(gòu)成總和為100%。在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述硅酸鈉的指標(biāo)要求如下錳彡0. 0000 Iwt %，鐵彡 0. 0000 Iwt %，鋁彡 0. 0000 Iwt %，鈦彡 0. 0000 Iwt %，碳(0. 00001wt%，銅彡 0. 000001wt%，鉛彡 0. OOOOOlwt%，氯化物彡 0. 0002wt%，二氧化硅(Si02)彡 26wt%，45iim 水不溶物彡 0. 0005wt%。本發(fā)明的另一目的是提供上述用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液的制備方法。實(shí)現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案如下。用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液的制備方法，包括以下步驟(I)用純化后的去離子水溶解硅酸鈉，調(diào)整到其比重為I. 10 I. 16g/cm3 ；(2)在硅酸鈉中加入所述添加劑，高速攪拌，混合均勻得到帶添加劑的硅酸鈉溶液；(3)將比重為I. 40±0. 01g/cm3的稀硫酸加入到所述帶有添加劑的硅酸鈉溶液混合攪拌，配制到納米硅電解液。本發(fā)明所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液的凝膠時(shí)間> 3. 5小時(shí)；穩(wěn)定期> 5年，不水化、不分層；使用本發(fā)明的納米硅電解液灌注的鉛酸蓄電池，壽命比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池提高30%;充滿電的蓄電池空載存放2年，重新充電后容量> 90%;蓄電池的工作溫度為-40 60°C。制得的蓄電池容量比國(guó)標(biāo)要求高，大電流放電最高于國(guó)標(biāo)，_10°C低溫容量高于國(guó)標(biāo)，過充 電和過放電高于國(guó)標(biāo)倍。本發(fā)明所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液制備的蓄電池與采用進(jìn)口的氣相二氧化硅生產(chǎn)的蓄電池比較，除環(huán)保和提高性能基本一樣以外，使用本發(fā)明的電解液不需要改變?cè)瓊鹘y(tǒng)鉛酸電池的化成生產(chǎn)工藝；而且比進(jìn)口的氣相二氧化硅的工藝簡(jiǎn)單，但價(jià)格便宜得多，便于推廣。說明書附I為硅酸鈉提純生產(chǎn)工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所述的去離子水對(duì)稀釋硅酸鈉的水要求十分純凈。需要濾除水中的雜質(zhì)Na+、K+、NH4+、Mg++、Ca++、Fe+++、Cu++、Mn++、Al+++ 等；陰離子有 F' Cl' NO3' HCO3' S04—、PO;—、H2PO4'HSiO___等。溶解在水中的氣體隊(duì)、02、(12、45、0)、0)2、014等。有機(jī)物質(zhì)有機(jī)酸、農(nóng)藥、烴類、醇類和酯類等。顆粒物和微生物等對(duì)蓄電池性能的有害物質(zhì)。純凈水制備自來水或井水經(jīng)多級(jí)帶正洗、反洗、運(yùn)行過濾系統(tǒng)和精密保安過濾系統(tǒng)把相對(duì)大顆粒的雜質(zhì)過濾，最后采用逆滲透過濾系統(tǒng)制得符合表I要求的純凈水；對(duì)經(jīng)過處理、過濾后的去離子水的水質(zhì)要求如下
權(quán)利要求
1.用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，其特征在于，包括以下成份 A :添加有添加劑的硅酸鈉溶液， 溶于純凈水的、比重為I. 10 I. 16g/cm3的硅酸鈉，97-99wt% ；磷酸，0. 35-0. 65wt% ； 氫氧化鋰，0. 15-0. 55wt% ； 氫氧化鉀，0. 05-0. 45wt% ； 聚乙二醇，0. 15-0. 55wt% ； 聚丙烯酰胺，0. 15-0. 55wt% ； 丙三醇，0. 05-0. 55wt% ;上述成份的總和為100% ； B :比重為I. 40 + 0. 01g/cm3的稀硫酸溶液， 其中，添加有添加劑的硅酸鈉溶液與稀硫酸溶液的用量比為0. 45 0. 20 :1。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，其特征在于， 所述純凈水的水質(zhì)要求為總殘?jiān)酷?. 0005wt %，錳彡0. OOOOlwt %，鐵(0. 00001wt%，氯彡 0. 00005wt%，銨彡 0. 0008wt %，硝酸鹽(以 N 計(jì))彡 0. 0001wt%，還原高錳酸鉀物質(zhì)(以0計(jì))(0. 00002wt%，堿土金屬氧化物(以CaO計(jì))(0. 0005wt%，電阻值彡10兆歐。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，其特征在于，所述稀硫酸溶液為以下標(biāo)準(zhǔn)的濃硫酸和去離子水配置而成，硫酸96wt % - 98wt %，灰分含量彡0. 02wt %，錳彡0. 00005wt %，鐵彡0. 005wt %，砷彡0. 00005wt %，氯含量^ 0. 0002wt%,氮化物(以 N 計(jì)算X 0. 000 Iwt %,銨< 0. 001wt%, 二氧化硫< 0. 004wt%,銅彡0. 0005wt%，還原高錳酸鉀物質(zhì)(以0計(jì))(0. OOlwt %，其余組分為水，構(gòu)成總和為100%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液，其特征在于，所述硅酸鈉的指標(biāo)要求如下錳彡0. OOOOlwt %，鐵彡0. OOOOlwt %，鋁彡0. OOOOlwt %，鈦(0. 00001wt%，碳彡 0. 00001wt%，銅彡 0. 000001wt%，鉛彡 0. 000001wt%，氯化物(以 Cl計(jì))^ 0. 0002wt %, 二氧化娃 ^ 26wt %, 45 u m 水不溶物< 0. 0005wt %。
5.權(quán)利要求1-4所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液的制備方法，其特征是，包括以下步驟 (1)用純化后的去離子水溶解娃酸鈉，調(diào)整到其比重為I.10 I. 16g/cm3 ； (2)在硅酸鈉中加入所述添加劑，高速攪拌，混合均勻得到帶添加劑的硅 酸鈉溶液； (3)將比重為I.40±0. 01g/cm3的稀硫酸加入到帶有添加劑的硅酸鈉溶液混合攪拌，配制到納米娃電解液。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液及其制備方法，所述納米硅膠體電解液包括以下成份A添加有添加劑的硅酸鈉溶液，B比重為1.40g/cm3的稀硫酸溶液，其中，添硅酸鈉溶液與硫酸溶液的重量比為0.45～0.201，根據(jù)不同類型的蓄電池需要采取不同的配比。本發(fā)明所述的用于鉛酸蓄電池的納米硅膠體電解液呈弱酸性，化成時(shí)基本沒有酸霧；電解液凝膠時(shí)間≥3.5小時(shí)；穩(wěn)定期≥5年，不水化、不分層；延長(zhǎng)了蓄電池壽命≥30％；降低了蓄電池內(nèi)阻；充足電存放時(shí)間2年后重新充電，其容量仍可達(dá)90％；承受大電流充放電是傳統(tǒng)蓄電池的2倍以上；蓄電池的工作溫度為-40～60℃；廢棄物不會(huì)造成污染等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B82Y30/00GK102969540SQ20121050923
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月29日
發(fā)明者陳勝榮, 梅中洪, 鄭國(guó)權(quán) 申請(qǐng)人:廣州神力能源科技有限公司