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气相二氧化硅对铅酸蓄电池的重要性

2022-05-20 来源:大庆机械信息网

气相二氧化硅对铅酸蓄电池的重要性

现代生活离不开电池,可以说电池技术改变了整个世界。其中,铅酸蓄电池已历经160余年而不衰,并且牢牢占据二次电池的大半壁江山,是世界上产量最大、使用范围最广的一种化学电源。

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铅酸电池之所以达到这样的市场占有率,除了其技术成熟、廉格低价、安全性高等传统的突出优点外,也与它在竞争中发展的许多新技术密切相关中国机械网okmao.com。比如说胶体蓄电池就是在传统的铅酸蓄电池基础上发展起来的一种新型电池,又称“免维护蓄电池”,具备不污染环境、自放电小、耐震动性能好、耐超高温、耐超低温、电池性能稳定等优点。

气相二氧化硅

在胶体蓄电池中,有一种添加剂被大量使用,那就是“气相二氧化硅”。气相二氧化硅是一种白色无味的超细粉体材料,具有增稠、抗结块、控制体系流变和触变等作用,是一种应用相当广泛的无机粉体材料,那它在胶体蓄电池中具体起到些什么作用呢?

关于胶体蓄电池

早在1957年,德国的Sonennschein公司就首度将气相二氧化硅添加到H2SO4中,发明了让电解质固定的胶体密封铅酸蓄电池,并在1996年时真正实现了胶体电池的产业化。

胶体铅酸蓄电池与液态电解质的普通铅酸蓄电池相比,用胶体电解液代换了硫酸电解液,内部无游离液体存在,在同等体积下电解质容量大,热容量大,热消散能力强,能避免一般蓄电池易产生热失控现象;电解质浓度低,对极板的腐蚀作用弱;浓度均匀,不存在电解液分层现象,在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。

随着开发工作的进一步深入,技术水平的逐渐提高,生产工艺的日渐成熟,预计在未来的5年内胶体电池的份额将占到整个蓄电池的30%,而且还将以每年15%的速度递增,这在一定程度也拉动了对气相二氧化硅的需求。

二氧化硅在胶体蓄电池中的作用

气相二氧化硅以SiCl4为原料,将SiCl4与一定量的H2和O2(或空气)在1800℃的条件下进行气相水解,生成纳米级的气相SiO2原生粒子,俗称气相法白炭黑。

气相二氧化硅生产示意图

高表面能的原生粒子SiO2可通过氢键、静电相互作用与≡Si-O-Si≡键发生桥联作用进行聚集,高温条件下原生粒子相互碰撞、粘附和熔结形成相对稳定且尺寸为100~500nm的聚集体,最终气相SiO2的形貌、性能以及其应用中表现出来的性质就由这些聚集体结构来决定;这些聚集体分散到水中,又通过分子间氢键、静电相互作用和极性作用形成疏松的、尺寸大于1μm的不太稳定的附聚集体,也就是凝胶过程,如下图所示。这些附聚体经过剪切、分散,SiO2粒子能够被破坏并回到聚集体状态,这个过程就是气相SiO2的触变特性。

气相二氧化硅凝胶后的结构示意图

气相二氧化硅在胶体蓄电池中主要就是利用它这种优异的增稠触变性能,示意图如下。胶体电解质由气相二氧化硅和一定浓度的硫酸溶液按一定的比例配置而成,这种电解液中的硫酸和水被“存贮”在硅凝胶网络中,呈“软固态状凝胶”,静止不动时显固状态。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。

气相二氧化硅增稠触变示意图

总之,铅酸蓄电池市场依然广阔,随着应用技术的突破和价格的降低,气相二氧化硅必能凭借上述优势在胶体蓄电池中得到更广泛的应用。

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