一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液及其制备方法与流程

本发明属于功能复合材料制备技术领域，具体涉及一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液及其制备方法。

背景技术：

胶体铅酸蓄电池的使用寿命长，充放电循环性能好，电池可以部分荷电态运行、可耐深放电，并且具有高温性能比富液式电池和玻璃纤维隔板电池好、不容易发生热失控等优点。

目前行业上主要采用气相二氧化硅配制胶体电解液。气相二氧化硅的硅粒径小(通常在7～40nm)、比表面积大(通常在100～500m²/g)，具有特有的饱含多种硅羟基的分子结构，当气相二氧化硅分散在硫酸溶液介质中时，独立硅羟基之间容易以氢键相互连接，形成三维的网状结构的胶体，包裹住硫酸和水，从而可以固定硫酸和水。这种三维凝胶结构在无外力作用时呈固体状，受到一定剪切力后又能成水溶液状，具有很好可逆的触变性。

胶体在凝胶过程中会产生微孔裂纹，这种微孔裂纹能形成良好的“通道”，保证正极充电反应生成的氧气很好的到达负极复合生成水，从而起到免维护的作用。同时，电解液中的质子也通过该“通道”进行传递。但是其良好的可逆触变性，容易导致该胶体的三维结构发生变化，使得电解液在充电过程中出现水化现象，进而影响微孔裂纹“通道”有效作用。特别是对于有卧放要求的电池而言，水化现象会造成极大的安全隐患。

因此，胶体电解液性能的好坏是影响胶体蓄电池容量和循环寿命的关键因素之一，而如何形成合适稳定的胶体“通道”正是研发人员需要重点考虑的方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液，可有效改善或消除胶体电池的水化现象，提升其在胶体电池中的实用性和稳定性，保障电池的性能和安全问题；且涉及的制备方法简单，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液，各组分所占质量百分比为：酸胶28～52％，水胶45～70％，阴离子型聚丙烯酰胺0.1～3％。

优选的，各组分所占质量百分比为：酸胶28～52％，水胶45～70％，阴离子聚丙烯酰胺1～3％。

上述方案中，所述酸胶由气相二氧化硅与硫酸按(0.5～5):100的质量比经混合搅拌而成，其中硫酸的密度为1.30～1.38g/cm³。

上述方案中，所述胶酸的具体制备步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分3～6次分散于硫酸中，分散过程中，以500～8000r/min的搅拌速率由低到高(搅拌速率)地对气相二氧化硅和硫酸进行搅拌分散，搅拌速率随着气相二氧化硅添加量的增加而增大，但不宜长时间高速搅拌，防止高速搅拌产生的热量散热不及时，可能破坏胶体的网状结构甚至结块的问题；全程分散时间为30～60min，得呈网状胶体结构的酸胶。

上述方案中，所述水胶由气相二氧化硅和水按(8～20):100的质量比经混合搅拌而成。

上述方案中，所述水胶的具体制备步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分3～6次分散于水中，分散过程中，每次气相二氧化硅的添加量依次减少，并以500～8000r/min的搅拌速率由低到高(搅拌速率)地对气相二氧化硅和纯进行搅拌分散，全程分散时间40～80min，得呈网状胶体结构的水胶。

上述方案中，所述气相二氧化硅的比表面积为100～200m²/g。

上述方案中，所述水中氯离子含量≤3.5ppb；电导率≤5uS/cm。

上述一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液的制备方法，它包括以下步骤：

1)按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为：酸胶28～52％，水胶45～70％，阴离子型聚丙烯酰胺0.1～3％；

2)将三种原料分别通过导管导入带螺旋搅拌叶片的混胶设备顶部，在混胶设备控制面板设置好三种原料所需量后，三种原料同进同出按照配比进行搅拌，控制三种原料的流速，保证三种原料在搅拌管道中搅拌时间不小于5s，即得所述胶体铅酸蓄电池的胶体电解液，然后通过管道直接加入电池中。

本发明的原理为：

1)气相二氧化硅胶体通过氢键结合形成三维凝胶网络结构，该结构使其具有良好的触变性，但易出现水化现象；适量的阴离子型聚丙烯酰胺的特有酰胺基团，能在很大程度上通过基团之间结合力的作用，增强上述三维结构的稳定性，能更有效地锁住酸和水，并具有一定的抗外力性，有效改善胶体电解质的触变性，以达到消除电池水化现象的作用；但目前以聚丙烯酰胺为添加剂直接添加于酸胶电解液中，其添加量通常不大于0.8％，添加量过高时，会因为其基团的强作用力，使凝胶速度过快，不利于所得胶体电解液有效的加入电池内部和均匀分布；添加量过低时，由于其基团作用力不够，水化现象不能完全消除。

2)常规的胶体电池液为硫酸中添加适量的气相二氧化硅，二氧化硅的含量比较局限添加量过高时，由于过高的氢键作用力，使所得胶体电解液的存储周期很短；添加量过低时，由于氢键作用力不足会导致后期凝胶效果不佳，水化现象严重；本发明将胶体电解液由二氧化硅含量更高的水胶和含量更低的酸胶进行复配，分别进行存储，有利于延长胶体电解液的存储周期，并有效调控所得胶体电解液的凝胶效果，提升其在胶体电池中的实用性和稳定性。

3)由于酸胶和水胶具有不同的三维网状结构，将酸胶、水胶混合时，三维网状结构开始重组，有利于更高含量的阴离子型聚丙烯酰胺的加入，进一步有效缓解电池水化现象；同时不会导致因为聚丙烯酰胺含量过高，导致凝胶速度过快的问题；聚丙烯酰胺的添加量可达2.8％甚至更高。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明利用气相二氧化硅分别配制具有不同三维网状结构的酸胶和水胶，在酸胶和水胶混合过程中，三维结构重组；通过有效控制二氧化硅的含量，并有效提高阴离子聚丙烯酰胺，可显著改善所得胶体电解液的水化现象并可有效延长其存储周期，提升其在胶体电池中的实用性和稳定性；同时本发明通过分别配制酸胶和水胶并将二者进行复配，可有效降低原料成本，且涉及的制备方法简单，适合推广应用。

附图说明

图1为实施例1中所述混胶设备的结构示意图；

其中，1为进料口1，2为进料口2，3为进料口，4为搅拌器，5为混合釜，6为电机，7为出料口。

具体实施方式

为了便于理解本发明，列举实施例如下。但本发明并不局限于这些实施例，本技术领域相关人员应了解，所举实施例仅用于帮助理解本发明，不应该视其为对本发明的具体限制，而本发明要求保护的范围也并不局限于实施例列举的范围。

以下实施例中，采用的纯水中氯离子含量要求为≤1ppb；电导率要求为≤0.5uS/cm。

实施例1

一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液，其制备方法包括以下步骤：

1)酸胶的配制：将气相二氧化硅(150m²/g)与硫酸(1.36g/cm³)按3.8:100的质量比经混合搅拌而成，具体制备步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分3次分散于硫酸中，分别按照50％、35％、15％的量(占酸胶中气相二氧化硅总添加量的百分比)进行添加；随着二氧化硅量的增加，搅拌器以500～8000r/min的转速由低到高对气相二氧化硅和硫酸进行搅拌分散，全程分散时间为60min，得呈网状胶体结构的酸胶；

2)水胶的配制：将气相二氧化硅(150m²/g)和纯水按18:100的质量比经混合搅拌而成，具体步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分4次分散于纯水中，分别按照40％、30％、20％、10％的量(占水胶中气相二氧化硅总添加量的百分比)进行添加；随着二氧化硅量的增加，搅拌器以500～8000r/min的转速由低到高对气相二氧化硅和纯水进行搅拌分散，全程分散时间50min，得呈网状胶体结构的水胶；

3)胶体电解液的配制：按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为酸胶35％，水胶63.5％和阴离子型聚丙烯酰胺1.5％；在图1所示混胶设备中，分别由进料口1、进料口2和进料口3加入酸胶、添加剂(阴离子型聚丙烯酰胺)和水胶，其中进料口2加入的添加剂量最小，口径最小，且三个组分的加入速率按照所需的配比加入到混合釜5中，以保证混胶的均匀性，避免局部添加剂的量过多造成结团；由电机6带动混合釜5内部的搅拌器4对各原料进行搅拌混合，转速为50～200r/min为宜，速度可根据添加剂的剂量不同进行调节，添加剂量越多，转速越大；控制三种原料的流速，保证三种原料在搅拌管道中搅拌时间不小于5s，搅拌后，由出料口7出料即得所述的胶体铅酸蓄电池的胶体电解液。

将本实施例所得胶体铅酸蓄电池的胶体电解液进行实用测试，制作完成后的电池静置3～5d后，充放电循环测试过程中，未发现水化现象；电池的寿命相对于常规电池也提高了50％以上。

实施例2

一种胶体铅酸蓄电池的胶体电解液，其制备方法包括以下步骤：

1)酸胶的配制：将气相二氧化硅(200m²/g)与硫酸(1.32g/cm³)按1.5:100的质量比经混合搅拌而成，具体制备步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分3次分散于硫酸中，分别按照50％、35％、15％的量(占酸胶中气相二氧化硅总添加量的百分比)进行添加；随着二氧化硅量的增加，搅拌器以500～8000r/min的转速由低到高对气相二氧化硅和硫酸进行搅拌分散，全程分散时间50min，得呈网状胶体结构的酸胶；

2)水胶的配制：气相二氧化硅(200m²/g)和纯水按12:100的质量比经混合搅拌而成，具体步骤如下：在高速剪切搅拌器中，将气相二氧化硅分5次分散于纯水中，分别按照35％、25％、20％、15％、5％的量(占水胶中气相二氧化硅总添加量的百分比)进行添加；随着二氧化硅量的增加，搅拌器以500～8000r/min的转速由低到高对气相二氧化硅和纯水进行搅拌分散，全程分散时间50min，得呈网状胶体结构的水胶。

3)胶体电解液的配制：按配比称取各原料，各原料所占质量百分比为酸胶47.8％，水胶50％和阴离子型聚丙烯酰胺2.2％；在图1所示混胶设备中，分别由进料口1、进料口2和进料口3加入的酸胶、添加剂(阴离子型聚丙烯酰胺)和水胶；三种原料的加入速率按照所需的配比加入到混合釜5中，以保证混胶的均匀性，避免局部添加剂的量过多造成结团；由电机6带动混合釜5内部的搅拌器4对各原料进行搅拌混合，转速为50～200r/min为宜，速度可根据添加剂的剂量不同进行调节，添加剂量越多，转速越大；控制三组分的流速，保证三组分在搅拌管道中搅拌时间不小于5s，搅拌后，由出料口7出料即得所述的胶体铅酸蓄电池的胶体电解液。

将本实施例所得胶体铅酸蓄电池的胶体电解液进行实用测试，制作完成后的电池静置3～5d后，充放电循环测试过程中，未发现水化现象；电池的寿命相对于常规电池也提高了50％以上。

以上内容是结合具体实施例对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的范围只局限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，所做出若干推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。