一种镍氢电池胶体电解液及其制备方法与流程

1.本发明属于镍氢电池技术领域，具体涉及一种镍氢电池胶体电解液及其制备方法。


背景技术：

2.电解液、正极球形氢氧化亚镍、负极储氢合金、聚丙烯隔膜并称为镍氢电池四大核心组成部分，其中电解液的主要作用是为氢离子转移提供载体，用来保证镍氢电池在充放电过程中氢离子在正负极之间正常传输。
3.镍氢电池电解液一般由三个部分组成，分别是溶质、溶剂及少量添加剂。其中溶质是氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂等氢氧化物，溶剂是酸碱度为7、电导率小于1μs/cm的纯水，添加剂是具有改善某方面性能的水溶性化合物。
4.镍氢电池在充电过程中，正极氢氧化亚镍与电解液中的氢氧根反应，生成羟基氧化镍和水，负极储氢合金与正极反应生成的水中的氢离子形成金属氢化物，生成氢氧根，从总反应看，电解液没有参加反应，但是在正负极的反应过程中电解液中的氢氧根和水都参与了电极反应。而从实际生产和使用中可以发现充电过程会产生气体，经检测该气体主要为氢气和氧气，分析气体产生原因主要有两个：第一，负极未能及时与氢离子形成金属氢化物，多余的氢离子之间结合成氢气；第二，充电过程中电池电压不断升高，电解液中的水被电解产生氢气和氧气。上述现象导致的结果是经过一段时间的使用，电解液将逐渐干涸，最终导致电池损坏。
5.为了解决上述问题，多数研究集中于提高隔膜的吸液、保液性能，通过提高隔膜的吸液量和保液能力缓解电解液干涸速度，虽缓解了电解液的干涸速度，但无法从根本解决上述问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种镍氢电池胶体电解液及其制备方法，能够避免电解液损耗，解决电解液干涸问题，同时能够有效限制电解液中杂质造成的自放电现象，延长电池的使用寿命。
7.本发明提供了如下的技术方案：
8.第一方面，提供一种镍氢电池胶体电解液的制备方法，包括：
9.将烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；
10.中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液作为交联剂，然后加入过硫酸铵溶液作为引发剂，搅拌后密封，静置，得到吸水树脂；
11.将吸水树脂打散后置于氢氧化钾溶液中浸泡，得到镍氢电池胶体电解液。
12.进一步的，所述烯酸溶液为乙烯酸溶液或丙烯酸溶液。乙烯酸与丙烯酸分子链短，后续聚合反应条件容易控制，因此制作的胶体电解液粘度适合电池装配。
13.进一步的，所述烯酸溶液中烯酸的质量分数为50％，所述氢氧化钾溶液中氢氧化
钾的质量分数为15％，所述nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液中nn-亚甲基双丙烯酰胺的质量分数为2％～4％，所述过硫酸铵溶液中过硫酸铵的质量分数为2％～4％。
14.进一步的，所述烯酸溶液、氢氧化钾溶液、nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液和过硫酸铵溶液中烯酸、氢氧化钾、nn-亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵的质量比为(24.5～25):(7.075～7.5):1:1。该配比中烯酸溶液占比大，最终产物产量高，较少的中和反应可提供足够热量进行交联反应。
15.进一步的，加入所述过硫酸铵溶液后以60～80r/min的速度搅拌3s，使混合溶液充分的均匀的混合，然后以保鲜膜密封，确保交联反应过程无空气进入。
16.进一步的，所述静置的具体方法为：在60℃的水浴锅内放置1～2h，确保足够的时间，使交联反应充分进行。
17.进一步的，所述吸水树脂利用高速粉粹机打散后成粉末状态，置于3～8mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡24～48h。
18.第二方面，提供一种镍氢电池胶体电解液，采用第一方面所述方法制备获得。
19.第三方面，提供一种镍氢电池，包括第二方面所述的镍氢电池胶体电解液。
20.第四方面，提供一种镍氢电池的制备方法，包括：将第二方面所述的镍氢电池胶体电解液注入镍氢电池体中，搁置1～2h，然后抽真空至气压达到-0.08mpa，搁置10min，完成电解液的加注。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.(1)本发明将烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，搅拌后密封，静置，得到吸水树脂，该吸水树脂含有亲水基团和交联高分子结构，高分子链互相靠拢缠绕在一起，形成网状结构，整体结构紧固、稳定；亲水基团能够吸收大量水分子，水分子通过毛细作用渗透到树脂内部，变成胶体，在电池极片中间形成“水库”，对电解液中的水份和反应过程中产生的水份起到保存、保护的作用；
23.(2)本发明中将吸水树脂打散后置于氢氧化钾溶液中浸泡，吸水树脂可吸收自身重量数十倍的氢氧化钾溶液，得到镍氢电池胶体电解液，将该胶体电解液注入镍氢电池体中后，其中的吸水树脂与镍氢电池正负极片接触，由于亲水基团的存在，极片与胶体电解液之间存在液态电解液膜，因此充放电时内部氢氧根、氢离子可通过极片和胶体电解液之间的固液界面越迁、扩散，依附高分子链移动，水分在树脂内部不易被电解，从而避免充放电过程中水电解造成的电解液损失，解决电解液干涸问题，增加电池的循环寿命；
24.(3)本发明提供的镍氢电池胶体电解液利用胶体电解液的不流动性，可以有效限制电解液中的杂质在游离状态下造成的自放电现象，延长镍氢电池的使用寿命；
25.(4)本发明提供的镍氢电池胶体电解液的制备方法，简单易行，成本低，可以在实际生产中应用。
附图说明
26.图1是本发明实施例1～5和对比例1中电池进行300次循环测试后的电池容量损失比较图；
27.图2是本发明实施例1～5和对比例1中电池充电并搁置28天后的自放电率比较图。
具体实施方式
28.以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
29.实施例1
30.(1)称取500g乙烯酸加入500g蒸馏水中混合，配制成质量分数为50％的乙烯酸溶液；称取氢氧化钾150g加入850g蒸馏水，配制成质量分数为15％的氢氧化钾溶液；称取20g nn-亚甲基双丙烯酰胺加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液；称取20g过硫酸铵加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的过硫酸铵溶液。
31.(2)将乙烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，以80r/min的速度搅拌3s，然后以保鲜膜密封，放置于60℃的水浴锅内静置1h，得到胶状的吸水树脂；最后利用高速粉粹机将吸水树脂打散成粉末状态，置于6mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡24h，得到镍氢电池胶体电解液。
32.(3)将180g镍氢电池胶体电解液注入40ah的方形镍氢电池体中，搁置2h，然后转入抽真空装置抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出，完成电解液的加注。
33.实施例2
34.(1)称取500g乙烯酸加入500g蒸馏水中混合，配制成质量分数为50％的乙烯酸溶液；称取氢氧化钾150g加入850g蒸馏水，配制成质量分数为15％的氢氧化钾溶液；称取20g nn-亚甲基双丙烯酰胺加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液；称取20g过硫酸铵加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的过硫酸铵溶液。
35.(2)将乙烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，以80r/min的速度搅拌3s，然后以保鲜膜密封，放置于60℃的水浴锅内静置2h，得到胶状的吸水树脂；最后利用高速粉粹机将吸水树脂打散成粉末状态，置于6mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡36h，得到镍氢电池胶体电解液。
36.(3)将180g镍氢电池胶体电解液注入40ah的方形镍氢电池体中，搁置2h，然后转入抽真空装置抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出，完成电解液的加注。
37.实施例3
38.(1)称取500g乙烯酸加入500g蒸馏水中混合，配制成质量分数为50％的乙烯酸溶液；称取氢氧化钾150g加入850g蒸馏水，配制成质量分数为15％的氢氧化钾溶液；称取20g nn-亚甲基双丙烯酰胺加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液；称取20g过硫酸铵加入980g蒸馏水，配制成质量分数为2％的过硫酸铵溶液。
39.(2)将乙烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，以80r/min的速度搅拌3s，然后以保鲜膜密封，放置于60℃的水浴锅内静置2h，得到胶状的吸水树脂；最后利用高速粉粹机将吸水树脂打散成粉末状态，置于6mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡48h，得到镍氢电池胶体电解液。
40.(3)将180g镍氢电池胶体电解液注入40ah的方形镍氢电池体中，搁置2h，然后转入抽真空装置抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出，完成电解液的加注。
41.实施例4
42.(1)称取490g乙烯酸加入490g蒸馏水中混合，配制成质量分数为50％的乙烯酸溶液；称取氢氧化钾141.5g加入801.5g蒸馏水，配制成质量分数为15％的氢氧化钾溶液；称取20g nn-亚甲基双丙烯酰胺加入666g蒸馏水，配制成质量分数为3％的nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液；称取20g过硫酸铵加入666g蒸馏水，配制成质量分数为3％的过硫酸铵溶液。
43.(2)将乙烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，以70r/min的速度搅拌3s，然后以保鲜膜密封，放置于60℃的水浴锅内静置1.5h，得到胶状的吸水树脂；最后利用高速粉粹机将吸水树脂打散成粉末状态，置于3mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡40h，得到镍氢电池胶体电解液。
44.(3)将180g镍氢电池胶体电解液注入40ah的方形镍氢电池体中，搁置1.5h，然后转入抽真空装置抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出，完成电解液的加注。
45.实施例5
46.(1)称取992g乙烯酸加入992g蒸馏水中混合，配制成质量分数为50％的乙烯酸溶液；称取氢氧化钾292g加入1655g蒸馏水，配制成质量分数为15％的氢氧化钾溶液；称取40g nn-亚甲基双丙烯酰胺加入960g蒸馏水，配制成质量分数为4％的nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液；称取40g过硫酸铵加入960g蒸馏水，配制成质量分数为4％的过硫酸铵溶液。
47.(2)将乙烯酸溶液和氢氧化钾溶液混合进行中和反应；中和反应完成后冷却至室温，先加入nn-亚甲基双丙烯酰胺溶液，然后加入过硫酸铵溶液，以70r/min的速度搅拌3s，然后以保鲜膜密封，放置于60℃的水浴锅内静置1.5h，得到胶状的吸水树脂；最后利用高速粉粹机将吸水树脂打散成粉末状态，置于8mol/l的氢氧化钾溶液中浸泡40h，得到镍氢电池胶体电解液。
48.(3)将180g镍氢电池胶体电解液注入40ah的方形镍氢电池体中，搁置1h，然后转入抽真空装置抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出，完成电解液的加注。
49.对比例1
50.(1)选取氢氧化钾称取342g；选取纯度为90％的工业级氢氧化钠称取22g，然后加入纯水至体积为1l，配制成5.5mol/l的氢氧化钾水溶液和0.5mol/l的氢氧化钠水溶液的混合液，另外在每升上述混合液中加入10g浓度为99％的工业级氢氧化锂，得到电解液。
51.(2)将180g电解液注入到40ah方形镍氢电池中，转入抽真空装置进行抽真空，真空气压设置为0.08mpa，当气压达到-0.08mpa后搁置10min，取出。
52.性能对比
53.1、对实施例1～5和对比例1中的电池进行化成，化成结束后称重，再进行1c电流的充放电循环寿命试验，称量100、200、300次循环后电池重量，考察电解液损失情况，测试结果如下表1。
54.表1
[0055][0056]
从表1可以看出，应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池，在经过300次充放电循环寿命测试后，镍氢电池中电解液损失量远低于使用常规电解液的损失量，说明应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池，可有效降低充放电过程中电解液的损失，从而降低电池的维护成本，延长电池的使用寿命。
[0057]
2、对实施例1～5和对比例1中的电池进行300次循环测试，考察电池容量损失情况。测试结果如图1。
[0058]
从图1可以看出，应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池，在经过300次充放电循环寿命测试后，使用胶体电解液的镍氢电池容量损失低于常规电解液电池，说明应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池，可有效降低充放电过程中因微短路造成的容量损失，延长电池的使用寿命。
[0059]
3、对实施例1～5和对比例1中的电池进行自放电测试，电池以1c电流充电1h，0.1c电流充电1h后，在25℃环境中开路搁置28天，搁置后以1c电流放电至1v，计算电池自放电率，考察电池自放电情况。测试结果如图2。
[0060]
从图2可以看出，应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池自放电率低于常规电解液电池，说明应用本发明所述的胶体电解液的镍氢电池，可有效降低电池自放电。
[0061]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。