CN102024992A - 铅酸蓄电池胶体电解液及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铅酸蓄电池胶体电解液及制备方法，该电解液主要由二氧化硅、硫酸、去离子水组成，同时加入了质量百分比0.5～5％的羟甲基纤维素(HPMC)、0.1％～0.5％的无水硫酸钠和/或硫酸钾及0.1％～2％的醇类添加剂。制作中将电解液进行了高速分散，采用均质机进行处理，所制得胶体电解液体系稳定、胶体颗粒分散均匀，长期使用不易水化分层，有效提高了铅酸蓄电池的使用性能、延长使用寿命。

Description

铅酸蓄电池胶体电解液及制备方法

技术领域

本发明涉及一种铅酸蓄电池胶体电解液及制备方法，属于化学电源技术领域。

背景技术

铅酸蓄电池从问世到如今，一直是军用、民用领域中使用最广泛的化学电源。由于它使用硫酸电解液，运输过程中会有酸液流出，充电时会有酸雾析出来，对环境和设备造成损害。人们就试图将电解液“固定”起来，将电池密封起来，于是使用胶体电解液的铅酸蓄电池应运而生。

胶体铅酸蓄电池是对铅酸蓄电池的一个较大的革新改造，广泛用于电力、电信、通信电源***、军用通信台站、电动车等应用领域。胶体铅酸蓄电池具有运输方便、不漏酸、无酸雾、耗水慢、抑制极板腐蚀和变形、防止活性物质脱落、维护周期长等优点。

胶体铅酸蓄电池在20世纪20年代由美国人开始研究，1966年得到工业化生产。我国从50年代开始研究开发胶体铅酸蓄电池，于80年代末90年代初达到高潮。电解液是胶体铅酸蓄电池的关键组分，其主要成分为凝胶剂和硫酸，凝胶剂通过其表面的羟基形成氢键，在体系中形成空间网状结构，将硫酸和水包裹在其中，因此胶体电解液在静止不动时呈固体状。当受到一定的剪切力时，其三维网状结构迅速解体，胶体电解液呈水溶液状。

目前国内胶体电池厂家越来越多，但其质量参差不齐，胶体电解液性能还存在很多问题。专利CN1128807A公开了一种胶体电解液，这种由水玻璃、硫酸、硫酸铝、硫酸镉、硫酸镁、蒸馏水组成的胶体电解液，具有导电性能好，抗腐蚀，耐高温、抗严寒、长期搁置不用也能保持一定的电量，并且成本低的特点。但采用传统的硅溶胶配制胶体电解液，存在内阻大、放电性能下降，电解液容易水化分层，不适合与AGM隔板组装等缺陷。

发明专利CN1750312公开了一种铅酸蓄电池胶体电解液，其组分由纳米级二氧化硅、羧甲基纤维素钠盐(CMC)、硫酸亚锡、硫酸以及水组成。该发明的优点是改进胶体电解液，提高充电接受能力，提高蓄电池容量，保证蓄电池一致性，并减少失水量，保护极板，提高了蓄电池的循环寿命。但该方法成本较高，制作的胶体电解液仍存在长期使用后胶体电解液水化分层、电阻大、寿命短等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有胶体电解液的不足提供一种不易水化分层、电解液体系稳定、寿命长、成本低、使用性能好的胶体电解液及制备方法。

本发明的技术方案是：铅酸蓄电池胶体电解液，主要由二氧化硅、硫酸、纯水组成，其改进之处是该电解液中加入羟甲基纤维素、无水硫酸钠和/或硫酸钾及醇类添加剂，各成分在电解液中的质量百分比为：纯水38％～52％，硫酸40％～55％，二氧化硅4％～10％，无水硫酸钠和/或硫酸钾0.1％～0.5％，羟甲基纤维素0.5％～5％，醇类添加剂0.1％～2.0％。

所述二氧化硅为气相法白炭黑或沉淀法白炭黑；所述醇类添加剂为丙二醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种任意比例的混合物。

铅酸蓄电池胶体电解液及制备方法是：首先按权利要求1所述各成分的比例备料，然后操作如下：

A、将羟甲基纤维素加入40℃～80℃去离子水中，搅拌5～30分钟；

B、再将无水硫酸钠和/或硫酸钾、醇类添加剂加入到溶液中搅拌溶解并冷却至室温；

C、搅拌下向溶液中加入二氧化硅，二氧化硅全部加完后改用高速搅拌机对溶液进行分散，搅拌机搅拌速度为500～2000转/分钟，搅拌时间10～60分钟形成胶体状溶液；

D、将胶体状溶液通过高压均质机进行处理，均质压力为15MPa～50MPa；

E、向处理后的溶液中缓慢加入密度1.4～1.6g/L硫酸，并搅拌冷却至室温制得胶体电解液。

以上未注明搅拌速度和时间的搅拌均为常规搅拌。

本发明中加入的二氧化硅为气相法白炭黑或沉淀法白炭黑。气相法白炭黑、气相二氧化硅由德国Degussa公司在1940年首次发现，目前主要是由卤硅烷(如四氯化硅、四氟化硅、甲基三氯化硅等)在氢、氧火焰中高温水解生成二氧化硅粒子而获得，由此制得的气相二氧化硅是无定形的超细颗粒。沉淀法又叫硅酸钠酸化法，采用水玻璃溶液与酸反应，经沉淀、过滤、洗涤、干燥和煅烧而得到白炭黑。其颗粒比气相法白炭黑大，比表面积小，成本较低。两种白炭黑在本工艺中均可得到应用。

加入的醇类添加剂为丙二醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种混合物，其在胶体电解液中的质量百分比为0.1％～2％。醇类添加剂的加入有利于胶体颗粒的分散及稳定。

普通胶体电解液在长期使用后会发生水化分层现象，二氧化硅颗粒在电解液中聚集沉淀，影响了胶体电解液性能，本发明采用耐酸性能较好的羟甲基纤维素对电解液适当增稠，硫酸钠提高溶液的导电性，并采用了高压均质机对胶体溶液进行均匀细化处理，胶体溶液进入均质机后，经过特定宽度的限流缝隙瞬间失压以极高的流速(1000-1500米/秒)喷出，碰撞在均质机碰撞阀组件之一的冲击环上，产生空穴效应、撞击效应、剪切效应等效应。经过这三种效应处理过后，物料粒径可均匀细化到100nm以下，较大或团聚的二氧化硅颗粒得以分散。同时二氧化硅颗粒得到充分分散溶解，提高了胶体电解液的稳定性。

本发明的胶体电解液不易分层水化，性能稳定，满足胶体电池长寿命的使用要求，同时成本低廉，与现有铅酸蓄电池胶体电解液相当。

具体实施方式

实施例1

称量40Kg去离子水，加热到50℃，倒入塑料容器中。将1Kg羟甲基纤维素加入到塑料容器中，并搅拌10分钟，使羟甲基纤维素充分溶解。随即将0.1Kg无水硫酸钠、0.1Kg丙二醇、0.1Kg乙二醇加入到溶液中搅拌溶解并冷却至室温。

搅拌下向溶液中加入8Kg德国德固赛S 200沉淀法白炭黑，白炭黑全部加完后用高速搅拌机对溶液进行分散，搅拌速度为2000转/分钟，搅拌时间30分钟，形成胶体状乳白色溶液。

将得到的胶体状溶液通过高压均质机进行处理，均质压力为30MPa得到分散细化的胶体溶液，最后向胶体溶液中缓慢加入50Kg密度1.46g/L硫酸，并搅拌冷却至室温制得胶体电解液。

实施例2

称量去离子水40Kg，加热到60℃，倒入塑料容器中。称量3Kg羟甲基纤维素加入到塑料容器中，并搅拌溶解20分钟。随即将0.2Kg硫酸钾、0.3Kg乙二醇、0.3Kg丙三醇到溶液中搅拌溶解并冷却至室温。

搅拌下向溶液中加入5Kg德国瓦克N20气相法白炭黑，白炭黑全部加完后用高速搅拌机对溶液进行分散，搅拌速度为1000转/分钟，搅拌时间50分钟形成胶体状乳白色溶液。

将得到的胶体状溶液通过高压均质机进行处理，均质压力为15MPa得到分散细化的胶体溶液，最后向胶体溶液中缓慢加入55Kg密度1.4g/L硫酸，并搅拌冷却至室温制得胶体电解液。

实施例3

称量去离子水50Kg，加热到40℃，倒入塑料容器中。称量0.6Kg羟甲基纤维素加入到塑料容器中，并搅拌溶解5分钟。随即将0.2Kg无水硫酸钠和0.2kg硫酸钾、0.1Kg丙二醇、0.2Kg乙二醇、0.3Kg丙三醇类加入到溶液中搅拌溶解并冷却至室温。

搅拌下向溶液中加入6Kg德国德固赛S200沉淀法白炭黑，白炭黑全部加完后用高速搅拌机对溶液进行分散，搅拌速度为2000转/分钟，搅拌时间30分钟形成胶体状乳白色溶液。

将得到的胶体状溶液通过高压均质机进行处理，均质压力为50MPa得到分散细化的胶体溶液，最后向胶体溶液中缓慢加入40Kg密度1.6g/L硫酸，并搅拌冷却至室温制得胶体电解液。

将以上实施例制作的胶体电解液注入12V20Ah.小密封电池，根据GB./T 22199-2008电动助力车用密封铅酸蓄电池标准进行测试，循环寿命均在450次以上，样品使用2年后电解液无明显分层水化现象。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种铅酸蓄电池胶体电解液，主要由二氧化硅、硫酸、纯水组成，其特征是该电解液中加入羟甲基纤维素、无水硫酸钠和/或硫酸钾及醇类添加剂，各成分在电解液中的质量百分比为：纯水38％～52％，硫酸40％～55％，二氧化硅4％～10％，无水硫酸钠和/或硫酸钾0.1％～0.5％，羟甲基纤维素0.5％～5％，醇类添加剂0.1％～2.0％。

2.按权利要求1所述铅酸蓄电池胶体电解液，其特征是所述二氧化硅为气相法白炭黑或沉淀法白炭黑。

3.按权利要求1所述铅酸蓄电池胶体电解液，其特征是所述醇类添加剂为丙二醇、乙二醇、丙三醇中的一种或几种任意比例的混合物。

4.一种如权利要求1所述铅酸蓄电池胶体电解液的制备方法，其特征是：首先按权利要求1所述各成分的比例备料，然后操作如下：

A、将羟甲基纤维素加入40℃～80℃去离子水中，搅拌5～30分钟；

B、再将无水硫酸钠和/或硫酸钾、醇类添加剂加入到溶液中搅拌溶解并冷却至室温；

C、搅拌下向溶液中加入二氧化硅，二氧化硅全部加完后改用高速搅拌机对溶液进行分散，搅拌机搅拌速度为500～2000转/分钟，搅拌时间10～60分钟形成胶体状溶液；

D、将胶体状溶液通过高压均质机进行处理，均质压力为15MPa～50MPa；

E、向处理后的溶液中缓慢加入密度1.4～1.6g/L硫酸，并搅拌冷却至室温制得胶体电解液。