阀控铅酸蓄电池中纳米胶体电解液技术进展(续)

作者简介 :蒋　 (1975 - ) ,男 ,技术、市场、销售工程师 ,工学硕士 ,研究方向 :纳米胶体硅材料。 NCM 产品介绍 阀控铅酸蓄电池中纳米胶体电解液技术进展(续) 蒋 　　 　P. H. J . Greenwood 　M. C. Reed (阿克苏诺贝尔集团依卡化学品公司 纳米胶体硅事业部 ,上海) 陈书平 　陈湘宁 (上海和氏璧化工有限公司 ,上海 200023) 3 　聚合 ,触变和碰撞胶体 水玻璃、气相 SiO2 和纳米胶体硅这三种不同的 硅可用来生产凝胶体。水玻璃能快速产生聚合胶体 结构 ,但其具有强碱性 ,会使得液体从胶体中分离出 来 ,同时它的杂质含量也较高 (例如铁离子和氯离 子) ,因此这种材料完全不适合用在铅酸蓄电池中。 从气相法 SiO2 所得到的凝胶使用广泛 ,它比纳 米胶体硅有更高的初始粘度 (这取决于其杆状的结 构) ,他们的作用更像一种增粘剂。不足的是 ,它们 所含有的决定铅酸蓄电池寿命的杂质含量可能令人 难以接受 ,特别是氯离子 (如果气相法 SiO2 是通过 SiCl4 燃烧得到的话) 。此外 ,气相法 SiO2 的价格比 较贵 (大约每 kg 纯硅为 9～18 美元) ,且在混合过程 中使用不便 (由于材料的质轻 ,蓬松和粉状结构) 。 虽然纳米胶体硅还没有得到广泛的应用 ,但是 使用纳米胶体硅生产的凝胶体在胶体电解液生产的 过程中有很多突出的优点 ,同时也可使凝胶获得许 多优良的特性 : (1) 方便处理和储存 (低粘度和液态纳米胶体 硅) ; (2)凝胶不分层 ; (3) 凝胶强度好 ; (4) 凝胶时间 易控制 ; (5) 较高的硅含量 ; (6) 纯度高 ,有害杂质含 量少 (例如 ,铁离子和氯离子) ; (7) 混合工艺容易控 制 ; (8)价格便宜 (每 kg 纯硅大约 2. 6～3. 5 美元) 4 　纳米胶体硅作为凝胶剂 对以下四种已经商品化生产的纳米胶体硅用作 凝胶剂进行了评估分析 ,每种纳米胶体硅都是和 100g ,98 %(wt ,下同)的浓硫酸配成 265g 的电解液 , 得到的电解液密度在 20 ℃下为 11300。 (1) N YACOL A G4000 是分散的球状 SiO2 颗粒 (40wt/ %)在弱碱性水溶液中的胶质分散液。这种 均衡的 ,高比表面积的 ,亚微观的胶体离子由高纯度 的无定型 SiO2 组成 ,并与少量的氢氧化钠稳定结 合。这种产品极低的氯离子含量可以使 SiO2 的用 量在整个的电解液中达到 15 %(wt) ,而填充硫酸中 氯离子含量不会超过 DIN 43 530 标准所规定的 5mg/ L 的限值。 (2) N YACOL A G 3000 是含量稍低 ( SiO2 含量 达到 30 %) 、粒径更小 (7nm) 、高比表面积 (360 m2/ g)的 SiO2 颗粒的胶体分散液。 (3) N YACOL A G 2000 是含量较高 ( SiO2 含量 为 40 %) 、高比表面积 (250 m2/ g) 、亚微观粒子 (直径 为 11nm)的分散液。 (4) N YACOL A G 1000 是含量稍低 ( SiO2 含量 达到 30 %) 、高比表面积 (290 m2/ g) 、亚微观粒子 (直 径为 9nm)的分散液。 测量了以下参数 : (1)凝胶时间 :这是形成刚性胶体的时间 ,所谓 刚性就是不会在倒置的时候发生形变。相对标准温 度 20 ℃而言 ,凝胶时间 ( T) 与在测试温度 ( t)存在以 下关系 : T20 = T t ×2 ( t - 20) / 10 　　(2)胶体强度 :通过混合 24h ,让重 015g 的铅球 Vol132 No112 ·58· 化 工 新 型 材 料 N EW CHEMICAL MA TERIAL S 第 32 卷第 12 期 2004 年 12 月 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 在距胶体表面 23cm 处自由落下 ,测量其在胶体中的 嵌入深度来测量 ,如果小球落入胶体内 2～3cm ,说 明胶体强度可接受。 (3)剩余胶体强度 :把胶体在转速为 1200 r/ min 的叶片式搅拌机下搅拌 30s ,使其在很高的剪切力下 再次分散 ,然后放置 24h ,重新测量胶体强度。 5 　结果与讨论 用 7 %的 N YACOL A G1000 , 716 % N YACOL A G 3000 ,9 % N YACOL A G 4000 ,或者 11. 5 % N Y2 ACOL A G 2000 相混和都能得到强度合适的胶体 (见图 5) 。 图 5 　 理想中 ,凝胶的时间应该足够长 ,这样可以使电 解液得到充分混合 ,并且保证电解液在凝固之前能 够渗透到所有的电池空隙。最终得到的胶体应该使 得 SiO2 (密度为 212g/ cm3)含量最少 ,除了成本方面 的考虑外 ,更重要的是应该能使电池中硫酸溶液 (第 三种活性物质)的含量达到最大。 N YACOL A G 1000 因 SiO2 在其最终电解液中 的含量 (浓度)的关系 ,它的凝胶时间最短 ,而 N YA2 COL A G 3000 和 N YACOL A G 2000 则表现出相同 的凝胶时间 (图 6) 。其中 N YACOL A G 4000 需要 的时间最长。对于电池技术而言 ,最重要的是 (控 制)不同 SiO2 含量下的凝胶时间 ,因为它关系着胶 体的最适强度 ,即穿透距离为 2mm。表 3 概括了这 个结论。 表 3 Colliodal silica (grade) Silica dosage (SiO2 wt %) Pmduct dosage (wt %) Gel time at 20 ℃(min) AG1000 7 23 46 AG2000 11 28 25 AG3000 8 27 80 AG4000 9 27 79 6 　结论 基于纳米胶体硅和硫酸混合下的胶体电解液使 阀控铅酸蓄电池 VRLA 实现了以下优良的技术特性 : (1)使用简便 ,混合液态纳米胶体硅 ; (2)没有分层现象 ; (3)低 SiO2 硅含量下能产生高胶体强度 ; (4)可控的凝胶时间 ; (5)剩余胶体强度增加 ; (6)凝胶添加剂中高 SiO2 浓度 ; (7)降低铅酸蓄电池中有害的杂质含量 ; (8)价格低廉。 纳米胶体硅系列产品在商业上比较知名的包括 N YACOL A G 1000、N YACOL A G 2000、N YACOL A G 3000 和 N YACOL A G 4000 ,它们为电池设计者 提供了设计合适胶体电解液的方法 ,具体而言就是 胶体强度、凝胶时间和 SiO2 含量。这些纳米胶体硅 有不同的 ,均衡的粒径大小和比表面积 ,它们使得电 解液的凝胶时间、最终胶体强度不同。因此 ,这些溶 胶使胶体铅酸蓄电池 GEL2VRLA 的性能在对不同 胶体铅酸蓄电池的应用得到了最优化。 (全文完) 图 6 　 ·95·第 12 期 蒋　等 :阀控铅酸蓄电池中纳米胶体电解液技术进展 (续) © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.