專利名稱：鉛蓄電池硅凝膠劑的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鉛蓄電池硅凝膠體電解質(zhì)所用硅凝膠劑的制備方法。
鉛蓄電池是汽車、拖拉機(jī)上電源之一，主要作用是在發(fā)動機(jī)起動時(shí)給它提供大電流，它也可與計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、太陽能系統(tǒng)等配套使用，但使用壽命低，維護(hù)麻煩。在七十年代，硅凝膠電解質(zhì)電池問世，使鉛蓄電池技術(shù)向前推進(jìn)了一大步。硅凝膠電解質(zhì)的最大優(yōu)點(diǎn)是使蓄電池電解質(zhì)具有觸變性，而該觸變性主要是由二氧化硅凝膠的觸變性而來，與二氧化硅細(xì)粒的環(huán)狀結(jié)構(gòu)有關(guān)。在二氧化硅細(xì)粒的每一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)上由17個Si-O四面體形成一個十六圓環(huán)，環(huán)外圍有游離的頂點(diǎn)氧，被生成的羥基保護(hù)起來，以阻止硅-氧進(jìn)一步鍵合，當(dāng)它靜止時(shí)，環(huán)間靠羥基生成氫鍵彼此聯(lián)結(jié)，構(gòu)成鏈狀、網(wǎng)狀細(xì)小微粒，當(dāng)各環(huán)彼此相聯(lián)組成錐網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)時(shí)，將大量“自由水”包裹在網(wǎng)狀空隙中，形成疏松而不穩(wěn)定的空架結(jié)構(gòu)，呈凝膠狀。但是氫鍵鍵能較小，稍加剪切應(yīng)力就能破壞這種結(jié)構(gòu)，從而使被裹的“自由水”得到釋放，而硅膠流動性又重新恢復(fù)，這就是硅凝膠電解質(zhì)的觸變性，硅凝膠電解質(zhì)與酸-水電解質(zhì)的主要區(qū)別在于該觸變性能，正是由于存在觸變性能，才使硅凝膠電解質(zhì)鉛-酸蓄電池具有一系列優(yōu)點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)中將硅凝膠劑如硅酸鈉(水玻璃)或無定形SiO2粉末與硫酸混合起來使用，往往由于觸變性不佳或雜質(zhì)多而不能令人滿意?！睹旱V安全》1980年報(bào)導(dǎo)了使用經(jīng)離子交換處理后的純凈硅酸鈉溶液與硫酸混合制成硅凝膠電解質(zhì);英國專利2088623使用無定形SiO2粉末同時(shí)加入丙三醇作為穩(wěn)定劑;在WO 86/07496中介紹了在第二部分的硅凝膠電解質(zhì)中含有硅酸，其SiO2顆粒為0.01～0.1微米并加入H3PO4作為穩(wěn)定劑，以上所報(bào)導(dǎo)的鉛蓄電池電解質(zhì)都由于加入了硅凝膠劑而使蓄電池壽命提高，但是還存在有缺點(diǎn)諸如蓄電池容量較低，低溫起動能力較差。
本發(fā)明目的在于改進(jìn)從工業(yè)硅酸鈉制備硅凝膠劑的工藝方法，通過改變的工藝方法來改善Na2O和SiO2的含量以及它們在由SiO2環(huán)彼此相聯(lián)而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的狀態(tài)，從而改進(jìn)硅凝膠體電解質(zhì)的觸變性能，提高鉛蓄電池的容量和低溫起動能力。
本發(fā)明的目的是這樣達(dá)到的在操作中控制原料的純度，在操作中控制溶解稀釋比例、PH值、比重和溶液濃縮比及加入穩(wěn)定劑來改善硅凝膠的觸變性能，從而改善硅凝膠電解質(zhì)觸變性能。
本發(fā)明方法的工藝流程見附

圖1。
將工業(yè)硅酸鈉用純度為5～15兆歐的高純水溶解稀釋后，先經(jīng)陽離子交換樹脂處理，再經(jīng)陰離子交換樹脂處理，在其中加入分析純級的硅酸鈉(Na2SiO2·9H2O)使溶液PH值提高到12～14，隨后在搪瓷罐內(nèi)濃縮，即得到本發(fā)明硅凝膠劑。
現(xiàn)在對本發(fā)明方法詳細(xì)說明如下所用原料為國標(biāo)工業(yè)硅酸鈉(水玻璃)，其比重為1.376～1.386，含Na2O重量比為8.52～9.09%，SiO2重量比為27.2～29.1%，模數(shù)為1∶3.3±0.1，NaCl重量比≤1.5%，F(xiàn)e重量比≤0.04%，水不溶物重量比≤0.1%。用純度為5～15兆歐的高純水以10～12∶1的重量比例將上述工業(yè)硅酸鈉溶解稀釋，使其達(dá)到比重為1.03～1.06，這個比重?cái)?shù)字是以后溶液濃縮比例的基礎(chǔ)，稀釋后使沉淀24小時(shí)，以便使某些不溶物沉淀下來，隨后使該溶液通過充滿陽離子交換樹脂的交換柱，由于在陽離子交換樹脂分子網(wǎng)絡(luò)中酸性基團(tuán)的作用，使溶液純化并使其pH值達(dá)到2～3，再使此溶液通過充滿陰離子樹脂的交換柱，由于在陰離子交換樹脂分子網(wǎng)絡(luò)中堿性基團(tuán)的作用，使溶液純化并使其pH值提高到8～9，然后在其中加入含適量分析級硅酸鈉(Na2SiO3·9H2O)溶液作為穩(wěn)定劑，使溶液的pH值提高到12～14，最后進(jìn)行濃縮操作，濃縮重量比例為4∶1～3∶1，得到比重為1.075～1.99、pH值為12～14的硅凝膠劑。
根據(jù)發(fā)明人多年的研究經(jīng)驗(yàn)，用本發(fā)明工藝方法所得硅凝膠劑所以能夠使它與適量硫酸混合后的電解質(zhì)獲得最佳觸變性?，主要蕪?qiáng)刂屏巳芤旱拇慷齲納屏薔a2O在硅凝膠電解質(zhì)中的含量和狀態(tài)。在現(xiàn)有技術(shù)中只提到SiO2對硅凝膠電解質(zhì)觸變性能的貢獻(xiàn)，一般都說明SiO2含量范圍或SiO2顆粒大小，但未見有關(guān)于Na2O對硅凝膠電解質(zhì)觸變性能所起作用、Na2O在硅凝膠電解質(zhì)中含量范圍的報(bào)導(dǎo)。本發(fā)明方法中用離子交換樹脂的目的不僅是凈化硅酸鈉溶液，主要靠該處理來控制SiO2和Na2O在該溶液中的含量，先用陽離子交換樹脂再用陰離子交換樹脂處理的次序也不能改變。加入分析純硅酸鈉溶液作為穩(wěn)定劑將溶液的PH值提高到12～14，特別是濃縮操作，其目的都是提高或調(diào)整Na2O在硅酸鈉溶液中的含量和改善SiO2和Na2O的狀態(tài)，特別是Na2O改善了由SiO2環(huán)彼此相聯(lián)而成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而觸變性能得到改善。還由于Na2O的增加及狀態(tài)的改善，能進(jìn)一步提高蓄電池正極活性物質(zhì)在硅凝膠電解質(zhì)中的利用率，從而蓄電池的容量增加。
用本發(fā)明方法制備的硅凝膠劑比重為1.75～1.99，pH值為12～14，含SiO2的重量比為11.7～15%，Na2O的重量比為0.26～0.35%，F(xiàn)e的重量比≤0.00038%。用在本發(fā)明硅凝膠劑比重范圍內(nèi)的各種比重的本發(fā)明硅凝膠劑可與不同比重的適量硫酸混合，但最后混合電解質(zhì)的比重應(yīng)為1.23～1.25，才能使鉛蓄電池獲得最佳性能。
以下介紹本發(fā)明方法一個實(shí)施例取國標(biāo)工業(yè)硅酸鈉(水玻璃)，以11∶1的重量比例用純度為10兆歐的高純水將其溶液稀釋，稀釋到比重為1.04，經(jīng)沉淀24小時(shí)后，使溶液通過陽離子交換樹脂的交換柱處理，pH值為3，再通過陰離子交換樹脂交換柱處理，pH值為8.5，在其中加入適量的分析純硅酸鈉溶液，使其pH值達(dá)到13，然后以3∶1的重量比例進(jìn)行濃縮，得到pH值為13、含SiO2重量比為13%，Na2O重量比為0.30%，比重為1.085的硅凝膠劑。使用此硅凝膠劑與比重為1.50的硫酸以3∶7的重量比例混合，配成比重為1.24的硅凝膠電解質(zhì)，混合時(shí)硫酸的溫度為23℃，在使用該電解質(zhì)前，先將鉛蓄電池充足電后，把其中的酸倒出，然后將所配的硅凝膠電解質(zhì)倒入，作成鉛蓄電池，所說的鉛蓄電池經(jīng)沈陽蓄電池研究所測試(按GB 5008.1-85起動用鉛蓄電池國家標(biāo)準(zhǔn))，其容量達(dá)到101.40%，而國家指標(biāo)為≥100%;低溫起動能力達(dá)到1.43伏，而國家指標(biāo)為≥1.40伏。
本發(fā)明硅凝膠劑的制備方法簡單，質(zhì)量容易控制，造價(jià)低廉，與硫酸配制成的電解質(zhì)有最佳的硅凝膠觸變性能，自放電顯著減少，電池壽命、電池容量和低溫起動能力均顯著提高，可向蓄電池內(nèi)一次性加入，直到蓄電池報(bào)廢也無須調(diào)整酸的比重，使用方便。
權(quán)利要求
1.鉛蓄電池硅凝膠劑的制備方法，使用工業(yè)硅酸鈉的水溶液，先通過陽離子交換樹脂，使pH值達(dá)到2-3，再通過陰離子交換樹脂處理，使pH值達(dá)到8～9，其特征在于，所說的工業(yè)硅酸鈉水溶液是因純度為5～15兆歐高純水對工業(yè)硅酸鈉的重量比例為10～12∶1的比例溶解和稀釋的，在所說的pH值為8～9的溶液中加入適量含分析純Na2SiO3的溶液作穩(wěn)定劑，使溶液pH值達(dá)到12～14，隨后以4∶1～3∶1的重量比例進(jìn)行濃縮，得到比重為1.075～1.99的鉛蓄電池硅凝膠劑。
2.按照權(quán)利要求1所說的方法，其特征在于制備含SiO2重量比為11.7～15%，Na2O重量比為0.26～0.35%，F(xiàn)e重量比≤0.00038%，pH值12～14，比重為1.075～1.99的鉛蓄電池硅凝膠劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及鉛蓄電池凝膠電解質(zhì)所用硅凝膠劑的制備方法。本發(fā)明方法使用純度為5～15兆歐的。高純水對工業(yè)硅酸鈉以10～12∶1的重量比例進(jìn)行溶解稀釋，使該溶液先通過陽離子交換樹脂處理，再經(jīng)陰離子交換樹脂處理，加入適量的分析純Na
文檔編號H01M10/10GK1036479SQ8810167
公開日1989年10月18日 申請日期1988年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1988年4月5日
發(fā)明者李小科 申請人:河南省濟(jì)源縣高氯產(chǎn)品工業(yè)公司