氣相二氧化硅在膠體蓄電池中的應(yīng)用

1 前言

    氣相法二氧化硅是一種高純度白色無味的納米粉體材料，具有增稠、抗結(jié)塊、控制體系流變和觸變等作用，除傳統(tǒng)的應(yīng)用外，近幾年在膠體蓄電池中得到了廣泛的應(yīng)用。膠體蓄電池是在傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電池，又稱 “免維護蓄電池”，具備不污染環(huán)境、自放電小、耐震動性能好耐超高溫、耐超低溫、電池性能穩(wěn)定等優(yōu)點。

2 氣相法二氧化硅的結(jié)構(gòu)及性能

    氣相法二氧化硅是硅的鹵化物在氫氧火焰中高溫水解生成的納米級白色粉末，俗稱氣相法白碳黑，它是一種無定形二氧化硅產(chǎn)品，原生粒徑在7～40nm 之間，聚集體粒徑約為200—500納米，比表面積100～400m2/g，純度高，SiO2含量不小于99.8%，氯含量低。表面未處理的氣相二氧化硅聚集體是含有多種硅羥基，一是孤立的、未受干擾的自由羥基；二是連生、彼此形成氫鍵的鍵合硅羥基。表面未處理的氣相法白炭黑聚集體是含有多個-OH的集合體，它們在液體體系中極易形成均勻的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(氫鍵)。這種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(氫鍵)有外力(剪切力、電場力等)時會破壞，介質(zhì)變稀，粘度下降，外力一旦消失，三維結(jié)構(gòu)(氫鍵)會自行恢復(fù)，粘度上升，即這種觸變性是可逆的。

    氣相二氧化硅在膠體蓄電池中主要是利用其優(yōu)異的增稠觸變性能. 膠體電解質(zhì) 由氣相二氧化硅和一定濃度的硫酸溶液按一定的比例配置而成，這種電解液中的硫酸和水被 “存貯”在硅凝膠網(wǎng)絡(luò)中，呈 “軟固態(tài)狀凝膠”，靜止不動時顯固態(tài)狀。當(dāng)電池被充電時，由于電解質(zhì)中的硫酸濃度增加使之 “增稠”并伴有裂隙產(chǎn)生，充電后期的 “電解水”反應(yīng)使正極產(chǎn)生的氧氣通過這無數(shù)的裂隙被負極所吸收，并進一步還原成水，從而實現(xiàn)蓄電池密封循環(huán)反應(yīng)。放電時電解質(zhì)中的硫酸濃度降低使之 “變稀”，又成為灌注電池前的稀膠狀態(tài)。因此，膠體電池具有 “免維護” 的作用。

    我國過去一直采用硅酸鹽類和硅溶膠作為基本原材料配制膠體電解質(zhì)，以硅酸鹽類 (結(jié)構(gòu)式可以表示為A-O&#8226;XSiO (A表示金屬離子)材料制成的膠體鉛酸蓄電池容易水化，膠體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，其使用壽命比普通鉛酸蓄電池更短，幾乎沒有使用價值以硅溶膠 (化學(xué)結(jié)構(gòu)式為SiO&#8226;XH 0)作為基本原材料配制膠體電解質(zhì)，它在硫酸溶液中(pH<2)，其內(nèi)部進行羥聯(lián)反應(yīng)形成雙硅酸、三硅酸……多硅酸一直聚合下去，粒子可以進一步長大，粒子之間可相互凝結(jié)成十分開放而連續(xù)的凝聚結(jié)構(gòu)，但是此類膠體為非彈性凝膠有離漿的顯著特性，往往按溶膠一凝膠一濃縮凝膠一致密凝膠轉(zhuǎn)化，從而最終失去包含水的作用。相比之下，氣相二氧化硅純度非產(chǎn)高，生產(chǎn)過程中經(jīng)過脫酸及脫氯，不存在雜質(zhì)影響蓄電池的性能，同時凝膠力強，表面活性高，目前成為了膠體電解質(zhì)研究熱門方向。

3 膠體電解質(zhì)的主要添加劑

    在制備膠體電解質(zhì)的過程中，還需要加入一些膠體穩(wěn)定劑，通常是一些水溶性的高分子材料，如聚乙烯醇、糊精、甘油、聚乙二醇、聚丙稀酰胺、脂肪醇聚氧乙烯醚等，它們和氣相二氧化硅起 “協(xié)同作用”，有助于改變膠體粒子的表面帶電狀態(tài)，阻止膠粒聚集，延緩膠凝過程，對膠體電解質(zhì)體系起到穩(wěn)定的作用。另外，膠體電解中還要加入一些無機電解質(zhì)，如氨水、磷酸、氫氧化鉀、氫氧化鋰等，也能在一定程度上提高膠體電解質(zhì)的電氣性能，增大其容量。

4 膠體電解質(zhì)的配制

    硫酸的稀釋：使用電阻率>1×10 Q的高純水或去離子水將密度為 1.84g/cm3的濃度 (符合GB4554-84標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)純或分析純)稀釋至所需密度的稀硫酸，其成分及雜質(zhì)含量應(yīng)符合鉛酸電池和純水國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)，然后將溶液靜置，使其穩(wěn) 定降至室溫待用。膠體的配制：根據(jù)膠體電解質(zhì)中硫酸及二氧化硅含量的要求計算硫酸密度及配制時膠酸比，根據(jù)配制比例先降所需量的硅膠溶液迅速倒入硫酸中，將混合液用高速攪拌機(1800r/min以上)攪拌 l～2分鐘，使其充分攪拌均勻。

5 結(jié)論

    氣相二氧化硅具有比表面積大、純度高，良好的觸變性能等特性，已越來越受到人們的重視。隨著應(yīng)用技術(shù)的突破和價格的降低 ，在膠體蓄電池中必將得到更廣泛的應(yīng)用。