CN1167345A - 一种高电容量胶体电解质及制法 - Google Patents
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Abstract
一种高电容量的胶体电解质及其制法，胶体电解质由硅溶胶9～18％(质量百分数)和10～30％的硫酸组成，硫酸/二氧化硅的质量比为0.56～3.3％，胶体电解质及其制备方法的特征在于将市售硅溶胶制得凝胶后，洗去大部分钠离子，再与硫酸、蒸馏水在耐酸反应容器中进行混合反应，控制反应温度在50℃以下，冷却2～5小时，即制得了高容量胶体电解质。当胶体电解质冷至室温时灌入蓄电池，经两次充放电过程，即制得了高容量胶体蓄电池。该电池的胶体电解质不水化，不龟裂，使用维护方便，适合于大功率起动，寿命长。由该胶体电解质制得的蓄电池电容量最高可达99％。
Description
本发明涉及铅-酸电池中不流动电解质及其制法，也就是铅酸蓄电池中具有高电容量胶体电解质及其制造方法。
铅-酸蓄电池一直作为蓄电池的主要品种之一，广泛地应用于各个行业。但是由于它存在着渗酸溢酸、产生酸雾污染环境，使用维护不便等缺点，给用户造成了很多麻烦。
近年来使用硅胶体电解质把硫酸吸收到胶体中形成凝固相，制成胶体电解质蓄电池，从而避免了硫酸的渗、溢现象。许多人在硅胶体电解质用于蓄电池的研究方面作了大量的工作，产生了众多的专利和非专利文献。
中国专利CN2045148号文献公开了一种双胶层胶体蓄电池，将蓄电池设计成上下两层结构，底层凝胶由8～10％的硅酸钠，6～8.5％的二氧化硅，1～2％的磷酸，0.05～0.15％的聚乙烯硫酸钠和稀硫酸所组成。顶层凝胶由15～22％的硅酸钠，3～6％的二氧化硅，1～2％的磷酸和稀硫酸所组成。
中国专利文献CN2072278号给出了一种高容量胶体蓄电池的制法，其特征是：在蓄电池的顶部装有缓冲装置，在注入孔上装有酸雾处理装置。
中国专利文献CN1056019号给出了一种高电容量的胶体电解质的配方，胶体中含二氧化硅3～9.9％，硫酸48.1～75％，氢氧化铝0.1～0.5％；其中硫酸与二氧化硅的重量比为4.5～10.5％。该发明的目的是给出一种新型、高电容量的胶体电解质及其制法。
在上述文献中，有的胶体电解质中的硅酸钠与硫酸的比例不合适，仍存在着酸的渗溢现象，有的要改变电极结构，使用特殊材料制作，使蓄电池制造工作更加复杂，成本提高，不利于推广；同时，由于胶体电解质各成分的配比不合理，且加有添加剂，使胶体蓄电池的电容量与现有的铅酸蓄电池的电容量相比差距较大，一般情况下电容量仅达同类铅酸蓄电池的80％左右，就是中国专利文献CN1056019给出的最好结果，其最高容量才达91.6％。所以如何提高胶体蓄电池的电容量仍是当前急待解决的技术问题。
本发明的目的在于，使生成的胶体电解质用于灌注蓄电池后可产生电容量更高的胶体蓄电池。并且生成的胶体电解质不易水化、不易龟裂，具有良好的触变性，便于一次性灌注，操作方便。用此电解质灌注的蓄电池，使用寿命长，放电性能稳定，起动性能良好，自放电系数小，适于大功率供电，使用维护方便。
本发明的目的还在于提供一种制备上述高电容量胶体电解质的方法，该方法简便易行，易于操用。
本发明的目的还在于便于胶体蓄电池的规模生产，生产成本降低。
本发明的目的又在于，使制备胶体电解质的过程便于操作者安全生产，生产过程中，不产生酸雾，生成的胶体蓄电池不渗酸、不溢酸，不会造成环境污染。
本发明的目的通过以下手段得以实现。
一种高电容量的胶体电解质中，每100克质量的胶体电解质含有硅溶胶(以二氧化硅计)9～18％、硫酸10～30％。其质量比为0.56～3.3％。
一种高电容量的胶体电解质及其制备方法，将市售硅溶胶或利用固体硅酸钠配制成的硅溶胶与蒸馏水制得硅凝胶；再将硅凝胶用蒸馏水洗去硅凝胶胶体中的大部分钠离子；再将所洗得的硅凝胶与硫酸、蒸馏水加入到耐酸反应容器中进行混合反应，反应过程中不断搅拌，并用盐水或冰水等降温，三者加入的次序是：先将硫酸慢慢滴入(在搅拌下)蒸镏水中，制成稀硫酸，冷至室温；再加硅凝胶与蒸镏水形成的胶体溶液，并控制温度不超过50度，pH值为4～7。若＜4，则继续滴加硅胶体溶液，升高溶液的pH值；若＞7时，继续滴加稀硫酸，降低溶液的pH值；以控制pH值在要求的范围。最后使生成的胶体电解质中含二氧化硅9～18％，硫酸10～30％，滴加完毕，继续搅拌、反应、冷却2～4小时，直到室温；这样就制得了高电容量的胶体电解质。
将生成的高电容量胶体电解质灌入备好的铅酸蓄电池壳体容器中，用电压380V、电流5～15A进行两次48～72小时的充电及放电过程，即制得了高电容量的胶体蓄电池。
在上述制备过程中，洗去硅溶胶中的大部分钠离子是制备高电容量电解质的关键，实验表明：钠离子含量越低，胶体电解质的电容量越高。
洗去硅溶胶中大部分钠离子的操作是这样进行的：用布将含蒸馏水的硅溶胶包住，放入甩干机或离心机中，脱水；脱水后再将硅凝胶浸入蒸馏水中，然后再包住脱水甩干；如此重复六到八次。
硫酸的用量也是制备高电容量胶体电解质所必不可少的重要因素，当硫酸在胶体中的含量低于10％时，硅胶蓄电池的电容量明显降低，当高于30％时，易较快的形成凝胶，而不易灌入蓄电池，同时产生酸雾。所以硫酸含量为10～30％时制得的胶体电解质的性能较好和电容量较高，其中以11～26％为较佳取值范围。
生成胶体电解质的反应液pH值大小，是影响溶液胶体稳定的重要因素。当pH值为4～7时，溶胶较稳定。若pH值＜4.5时，形成凝胶的时间较长；当pH值超过7时，易较快地形成凝胶，不易灌装。
硅胶的用量，当小于9％时，形成凝胶的时间很长，往往超过7小时，形成的凝胶强度低，在充电过程中会被破坏，产生水化现象；当大于18％时，易很快形成凝胶，粘度大，强度大，不易灌装，充电后又易产生龟裂现象。所以，二氧化硅含量为9～18％时制得的胶体电解质的性能和电容量较好，其中以10-16％为较佳取值范围。
实验表明：在形成的胶体电解质反应中，在硅溶胶含二氧化硅9-18％，硫酸10-30％的范围内，硫酸与二氧化硅的质量比为0.56-3.3％时，制得的胶体电解质电容量较高性能较好。制备胶体电解质的原料：市售的硅溶胶，其中二氧化硅的含量为10～30％，比重1.06～1.22，pH值为8～9.5，含铁量小于十万分之一，也可以用固体硅酸钠配制硅溶胶作为原料。
硫酸用市售的实验室用浓硫酸稀释即可。优质纯、分析纯、化学纯、工业纯等各种质量等级的均可用作原料。
下面结合实施例对本发明作进一步的详述。
首先将一定量的固体硅酸钠溶于蒸馏水，配成饱和溶液，再与蒸馏水制得凝固态胶体；或用市售硅溶胶与蒸馏水混合制得凝胶；再将所制得的凝胶用蒸馏水洗去胶体中的大部分钠离子，洗去硅溶胶中大部分钠离予的操作是这样进行的：用布将含蒸馏水的硅溶胶包住，放入甩干机或离心机中，脱水；脱水后再将硅凝胶浸入蒸馏水中，然后再包住脱水甩干；如此重复六到八次；再将洗净的胶体与硫酸、蒸馏水加以混合、搅拌，使之反应、冷却至室温，用pH试纸检验，当pH等于4.5～7时，将混合液灌入铅蓄电池中，冷却、反应析出硅酸凝胶。
接着(1)用380V、10～15A的电压和电流对蓄电池进行充电48～72小时；(2)充好后进行放电，直到单体电压为2.2(±0.1)V停止放电；(3)再充电(在380V、10～15A电压、电流下)48～72小时，直到蓄电池单体电压为2.8(±0.1)V为止。
用该电解质制作的胶体蓄电池与现有技术的胶体蓄电池相比具有以下特点：
(1)使用寿命长。根据实验寿命循环次数在250～300次之间，而普通蓄电池只有108次。
(2)少维护。每隔6个月，只需加10ml左右的蒸馏水即可，不需另加酸或加水调酸度。
(3)该蓄电池不怕自放电、过充电、反充电。
(4)该蓄电池电容量达95％以上，最高达99％。适用于大功率放电起动。
(5)无污染。该蓄电池在充、放电过程中，由于胶体中硫酸含量为10～30％比原有的48.1～75％下降了1.6倍至3倍甚至6～7倍，不产生酸雾，不向外溅、漏酸，安全性更好。
(6)本发明的胶体电解质，不需加添加剂，简化了生产程序，降低了成本，更有利于蓄电池的生产。
(7)该胶体蓄电池可在+45℃至-45℃下正常工作。
(8)本胶体蓄电池直接利用原有装铅酸蓄电池的壳体和电极结构作为制备的高电容量胶体的灌装容器，制成蓄电池，有利于规模、批量生产，省去了设计新壳体的麻烦。
下面以非限定性实施例进一步说明本发明。
实施例1：
将市售硅溶胶(含二氧化硅30％、密度1.22，pH9.5)蒸馏水按体积比9∶8进行混合制得硅凝胶：再用蒸馏水洗6次，洗去大部分钠离子，经电压表测得硅凝胶电压为0.2伏；再将92％的硫酸用蒸馏水稀释；将硅凝胶用蒸馏水稀释，然后将稀释后的硫酸和硅凝胶在搅拌和用冷盐冰水降温的条件下，滴加到耐酸反应的容器中进行反应，控制滴加速度，使反应温度不超过50℃，最后生成的胶体电解质中含二氧化硅16％，含硫酸26％，硫酸/二氧化硅的质量比为1.62，反应、搅拌下冷却5小时，达到室温，将生成的乳白色的胶体电解质灌入蓄电池中，约2.5小时后形成凝胶。
在电压380V、电流10A的状态下，进行60小时两次充、放电过程。得到电容量95％的胶体蓄电池。
该电池不水化、不龟裂、可存储2～3年。
实施例2：
本实施方法基本同实施例1，其不同点是原料硅溶胶含二氧化硅20％，pH值为8.5，密度为1.1g/cm3，原料硫酸含量为98.3％：使生成的胶体电解质中含硫酸为30％、含二氧化硅为12％，硫酸/二氧化硅质量比为2.5：控制反应温度低于50℃，加原料反应时间为3小时，冷却搅拌4小时，冷至室温，灌入蓄电池胶凝时间2.5小时，充放电完毕，电容量为94％，储存2.5年不龟裂、不水化。
实施例3：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为18％，pH值9，密度为1.1g/cm3：所用原料硫酸为88％，生成的胶体电解质含二氧化硅10％，含硫酸23％，硫酸/二氧化硅的质量比2.3，生成的蓄电池电容量为90.8％。该电池储存3年未龟裂和水化。
实施例4：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为25％，pH值9.2，密度为1.16g/cm3：所用原料硫酸为95.2％，生成的胶体电解质含二氧化硅13.2％，含硫酸29.2％，硫酸/二氧化硅的质量比2.22，加料反应时间2.8小时，继续搅拌冷却到室温时间3.5小时；灌入蓄电池后生成凝胶时间2.5小时，电容量99％，储存3年未水化，未龟裂。
实施例5：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为29％，pH值8，密度为1.18g/cm3：所用原料硫酸为90％，生成的胶体电解质含二氧化硅17.5％，含硫酸25％，硫酸/二氧化硅的质量比1.43，生成的蓄电池电容量为97.2％，储存2、3年未水化及龟裂。
实施例6：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为27％，pH值8.8，密度为1.12g/cm3：所用原料硫酸为93％，生成的胶体电解质含二氧化硅9％，含硫酸28.7％，硫酸/二氧化硅的质量比3.20，电容量91.5％，储存2.8年未水化。
实施例7：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为12％，pH值8.0，密度为1.06g/cm3：所用原料硫酸为95.2％，生成的胶体电解质含二氧化硅10％，含硫酸14.％，硫酸/二氧化硅的质量比1.40，得到的胶体电解质的电容量92％，储存2年未水化、龟裂。
实施例8：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为16％，pH值8.1，密度为1.09g/cm3：所用原料硫酸为68％，生成的胶体电解质含二氧化硅9％，含硫酸10.％，硫酸/二氧化硅的质量比1.1，得到的胶体电解质的电容量91.8％，储存2年未水化、龟裂。
实施例9：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为25％，pH值8.2，密度为1.1g/cm3：所用原料硫酸为95.6％，生成的胶体电解质含二氧化硅15.8％，含硫酸10.5％，硫酸/二氧化硅的质量比0.66，得到的胶体电解质的电容量94.6％，储存2年未水化、龟裂。
实施例10：
反应操作基本同实施例1，其不同点在于原料硅溶胶含二氧化硅为26.7％，pH值8.3，密度为1.13g/cm3：所用原料硫酸为82.％，生成的胶体电解质含二氧化硅17％，含硫酸11.3％，硫酸/二氧化硅的质量比为0.66，得到的胶体电解质的电容量93.4％，储存2年未水化、龟裂。
实施例11
首先将一定量的固体硅酸钠溶于蒸馏水，配成硅酸钠含量为18％饱和溶液，再与蒸馏水制得凝固态胶体；再将所制得的凝胶用蒸馏水洗6～8次，洗去胶体中的大部分钠离子，最后，再将洗过的胶体与用原料96％的硫酸稀释而成的稀硫酸、蒸馏水按常规操作加以搅拌下混合，使之反应、冷却至室温，用pH试纸检验，当pH等于4.5～7时，将混合液灌入铅蓄电池壳体中，冷却、反应析出硅酸凝胶，这样就制得了高电容量的胶体蓄电池的。
接着(1)用380V、13A的电压和电流对蓄电池进行充电68小时；(2)充好后进行放电，直到电压为2.2～2.4V时停止放电；(3)再充电(在380V、13A电压、电流下)60小时，蓄电池单体电压为2.6～2.8V。
用此方法制成的胶体蓄电池电容量为93.8％，储存2.5年未水化及龟裂。
Claims (7)
1、一种高电容量的胶体电解质，主要由含硅酸钠的硅溶胶与硫酸反应制得，其特征在于：在每100克胶体电解质中含硅溶胶(以二氧化硅计)9-18％、硫酸10～30％。
2、根据权利要求1所述的高电容量的胶体电解质，其特征是，在上述浓度范围内硫酸与二氧化硅的质量比约为0.56～3.3％。
3.根据权利要求1所述的高电容量的胶体电解质，其中加入硅溶胶使胶体电解质中含硅溶胶(以二氧化硅计)的量以10～16％为较佳取值范围。
4.根据权利要求1所述的高电容量的胶体电解质，其中加入的硫酸使胶体电解质中含硫酸的量为11～26％为较佳取值范围。
5、一种制备如权利要求1所述的高电容量胶体电解质的工艺方法，其特征在于，用市售硅溶胶或利用固体硅酸钠配制的硅溶胶与蒸馏水制得硅凝胶，再将硅凝胶用蒸馏水洗六至八遍，洗去胶体中的大部分钠离子；将洗去大部分钠离子的硅凝胶与硫酸、蒸馏水进行混合反应，反应过程中不断搅拌，用盐、冰水等降温，控温50度以下，加料完毕，继续搅拌、冷却2-4小时，当降至室温时，即得到高电容量胶体电解质。
6、根据权利要求5所述的高电容量胶体的制备工艺方法，其特征是：洗去硅溶胶中大部分钠离子的操作是这样进行的：用布将含蒸馏水的硅溶胶包住，放入甩干机或离心机中，脱水；脱水后再将硅凝胶浸入蒸馏水中，然后再包住脱水甩干；如此重复六到八次。
7、根据权利要求5所述的高电容量胶体的制备工艺方法，其特征是：加入的硅溶胶和硫酸使胶体电解质中含二氧化硅硅溶胶9～18％(质量)，硫酸为10～30％(质量)，其质量比较好范围为0.56～3.3％。
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|---|---|---|---|
| CN96117578A CN1167345A (zh) | 1996-06-05 | 1996-06-05 | 一种高电容量胶体电解质及制法 |
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| CN (1) | CN1167345A (zh) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1996
- 1996-06-05 CN CN96117578A patent/CN1167345A/zh active Pending
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