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为铅酸蓄电池续一波!气相二氧化硅的“延寿”技巧
2020年06月22日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:286
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铅酸蓄电池,在我们的日常生活中可谓是随处可见,满大街跑的电瓶车中的“电瓶”就是指的它,最早在1859年时被法国物理学家普兰特发明。尽管铅酸蓄电池已历经150年而不衰,但在新型电池频出的今天,一直都有声音讨论它会不会被取代。

铅酸蓄电池 

不止电瓶车,基本所有内燃机车都会用到铅酸电池

但要知道,全世界的内燃机车每一辆都用一块铅酸电池,这绝非偶然——除了其技术成熟、廉格低价、安全性高等传统的突出优点外,与它这些年在性能上不断取得突破有关。比如说使用寿命本是铅酸蓄电池的短板,但经过改良的纳米胶体蓄电池电解液能有效改善这一点,延长其使用寿命,其中最大的功臣就是电解液的凝胶剂——纳米气相二氧化硅。

气相二氧化硅发挥了什么作用?

铅酸蓄电池主要由极板、隔板、电解液、外壳构成,蓄电池的充放电就是依靠极板上的活性物质与电解液中的硫酸化学反应来实现的,化学方程式为:

铅酸蓄电池反应过程 

在硫酸中添加胶凝剂,使电解液变为胶态 

传统铅酸蓄电池使用的是硫酸电解液,在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,于是人们就试图将电解液“固定”起来,这样铅酸动力电池就能“密封”起来了,而最简单的做法是在硫酸中添加胶凝剂,使硫酸电解液变为胶态。

气相二氧化硅在胶体蓄电池电解液中,担任的就是“凝胶剂”这一角色。它是硅的卤化物在氢氧火焰中高温水解生成的纳米级白色粉末,在胶体蓄电池中主要是利用其优异的增稠触变性能。

在胶体电解液中,气相二氧化硅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,呈“软固态状凝胶”,静止不动时显固态状。这种触变性彻底解决普通铅酸电池的硫酸分层问题,赋予了胶体铅酸蓄电池便于运输和不易漏液等优点。

凝胶电解液原理 

气相二氧化硅溶于不同的介质形成溶胶和凝胶的机理

b是气相二氧化硅、硫酸和水三者混合能形成凝胶电解液的原理。

当电池被充电时,由于电解质中的硫酸浓度增加使之“增稠”并伴有裂隙产生,充电后期的“电解水”反应使正极产生的氧气通过这无数的裂隙被负极所吸收,并进一步还原成水,从而实现蓄电池密封循环反应。放电时电解质中的硫酸浓度降低使之“变稀”,又成为灌注电池前的稀胶状态。因此,胶体电池具有“免维护”的作用,不仅大大延长了电池的使用寿命,而且低温性能和过放电恢复能力得到极大提高。

气相二氧化硅的正确使用姿势

凝胶剂含量

二氧化硅颗粒在胶体电解液中的含量不仅影响胶体电解液触变性和稳定性,也会影响电池的电化学性能。随着胶体电解液中二氧化硅含量的增加,孔体积、孔径和孔率降低,胶体结构聚集的空腔减小,导致形成的凝胶比较硬、难切稀、胶水分离,胶体电解液内阻增大,H+SO42-离子扩散速度减小,电池的充、放电量也相应降低。

理论上,电解液中的二氧化硅含量要尽可能的低,以获得最佳的孔率;但不够高,又很难保持胶体结构的稳定,因此国、内外专利技术通常采用4%~10%之间的凝胶剂含量。

凝胶剂颗粒大小

在含量和其他条件不变的条件下,二氧化硅颗粒的粒径越小,分散均匀性越好,比表面积越大,反应活性越高,同时胶粒间的距离越近,触变性越好,但是二氧化硅粒径也不能太小。

Mao等人指出,当二氧化硅的粒径小于5 nm时,凝胶化时间短,凝胶强度大,触变性差,容易造成水化分层现象;然而当颗粒直径大于50 nm时,凝胶强度差,凝胶不能稳定存在。通常,气相二氧化硅粒径以10~30 nm为宜。

资料来源:

铅酸蓄电池胶体电解液的研究进展毕秋芳,杨军,王久林,努丽燕娜

粉体圈 小榆

 

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