关于纳米硅溶胶的研究与论述

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关于“纳米硅溶胶”的研究与论述

巫庭生

前言:百年以前,法国普兰特先生发明了硫酸电池,大大方便了世界工业革命。可是,百年来,地球受到硫酸电池造成的环境污染也让人类很伤脑筋。七十年代初,我在军工七五五厂,被厂里派往西北各导弹基地及矿山巡查,了解用我厂制造的碱性电池的使用情况。在矿山,发现矿工的衣服经常被硫酸电池溢出的酸液烧焦衣服,甚至有的矿工后屁股被烧伤。当时,出于一种无产阶级感情的激发,脑子立即萌生出一种要解决硫酸固化的念头……

通过十几年的艰辛研制,终于在九二年三月四日国家科委成果办在北京隆重发布,推广发明产品LN型—“硫酸凝固剂”。国际命名为“硅溶胶”,由于此新材料达到1—100纳米的技术范围,我们故命名为“纳米硅溶胶”。

“纳米硅溶胶”的诞生,给电池制作的厂家生产系列胶体电池提供了最佳电解质,也给硫酸电池带来了更新换代的必然,同时,也解决了百年来地球村受硫酸电池严重污染的痛苦。

用“纳米硅溶胶”制造出的胶体电池具有如下八大优点:

(一)寿命长:由于胶体电池电解质属高分子结构,凝胶以后,酸液上下均匀,不易产生极板硫酸化,铅粉也不易脱落,因此,寿命

比普通铅酸电池延长一倍以上。

(二)胶体电池属环保电池,其特点是充电时不易产生酸雾,不溢酸,不漏酸,不污染环境。

(三)胶体电池可以充电保存(自放电极微小),电池在库内存放二年装车即可启动,同时入库存二年后还可以100%充进电。(四)高低温性能好,低温-40℃至高温80℃内仍能正常使用,低温-20℃电池容量仍有80%以上。

(五)可高倍率放电,大电流充放电,快速充电,同时。胶体电池可以断路27天不损害,普通铅酸电池断路二小时即报废。

(六)胶体电池充电接受能力比普通铅酸电池快50%,最符合太阳能电池充电储存。

(七)胶体电池容量不易衰减,(其峰值比普通铅酸电池长3 倍),电动摩托车行驶8个月后,电池充电后还能保持100%充足电。(八)防震性能好,由于胶体电池内的凝胶粘结住正负极板和隔板,使铅粉不易脱落,因此电池寿命肯定比普通铅酸电池好。

关键词:纳米硅溶胶、凝胶、触变原理、电性能、胶体电池、气硅、两种材料的区分(硅胶和气胶)、电解质的应用和分析。

一、对纳米硅溶胶材料的认知

首先,我们应该知道,什么是纳米?科学家告诉我们,纳米是长度单位,原称“毫微米”。就是10的负九次方(即10亿分之一米)。纳米科学与技术称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。从具体的物质说来,人们往往用“细如发丝”来形容纤细的东西,其实人的头发丝一般直径为20-50um,并不细。单个细菌用肉眼看不出来,用显微镜测出直径5 um也不算细。极而言之,最

小的物质单位是原子,一纳米大体相当于4个原子的直径。而这么细的长度单位,实际就是“超细技术”。

我们要研究的是纳米材料,如何应用到电池内部制作“纳米电池”。在纳米尺度下,物质中电子的波性“量子力学性质”和原子的相互作用将受到尺寸大小的影响。如能得到纳米尺度的结构,就可能控制材料的基本性质和熔点、磁性、电容甚至颜色,而不改变物质的化学成分。例如,用超微粒子(即从煤灰里提取出来的玻璃微珠)加进橡胶制作汽车轮胎,其硬度会更高,且不脆裂;因这种无机的超微粒微珠加入橡胶后,将粘在聚合物分子的端点上,而构成新的物质。如要加工电池壳,做出的电池壳体透气性和强度会更好,特别是它能和胶网相联,可大大提高胶体电池使用寿命。

二、纳米硅溶胶的制作方法

纳米硅溶胶是高科技产品。这种新型产品在国际国内的生产方法可分为四种:一、沉淀法;二、冷冻法;三、超滤法;四、离子交换法。

国际七十多年来,一直在摸索提高胶体电解质的质量水平。回忆在五十年代时期,国际国内制作“纳米硅溶胶”采用了原始的“沉淀法”,制作出的产品灌装电池,电池内阻大,自放电大,充电接受能力低,寿命也短。第二阶段在六十年代国际国内改为冷冻法或超滤法,生产出的硅溶胶产品灌装的胶体电池,在电性能上虽有改进和提升,但还是达不到电性能要求。到了七十年代,上海中硅胶体电池研究所采用了自研的设备,应用超滤和离子交换法,共八道自动化生产流水线,终于在九十年代生产出合格的“纳米硅溶胶”。

纳米硅溶胶的问世,给全国铅酸电池厂带来了福音,它被广泛应用于邮电、通讯、汽车、坦克、电动汽车、UPS电源、太阳能电池等领域。一种新型材料的诞生,它可使一个行业达到一种质的飞跃,也使我国的硫酸电池换代,大大降低了国家受硫酸电池污染的困扰。

三、硅溶胶和气相二氧化硅

目前,我国胶体电池应用“硅溶胶”和气硅作为电解质,制作出各种类型的胶体电池。

硅胶和气硅同属硅石制作出来的二氧化硅,但是材料的质量和纯度大不相同。因为,它是两种不同路线制作生产出来的二氧化硅。前者是液硅,后者是粉末状(气硅)。我举个例子:气硅粒径300毫微米,硅溶胶的粒径2~10毫微米,两种材料不是一个等级。最重要的是,蓄电池极板孔率只有16个毫微米,隔板孔率也只有16个毫微米,如果气硅粒径在300个毫微米,怎么会做好胶体电池呢?另者,气硅在灌装小密电池时,配比好再进电池里,硅含量高,灌装有困难,硅含量低,电池电解质会水化分层;电池失水严重。所以,气相二氧化硅制作胶体电池是不合理的,是失败的,制造不出好的,长寿命的胶体电池。

四、硅溶胶新材料的特性

化学上定义分散质粒子介于1~100 nm的分散体系为胶体。固定铅酸蓄电池电解液的胶凝剂通常有硅酸、硅酸盐及有机硅等。对于硅溶胶来说,它是一种彼此连接的三维网络结构,一般要通过两步才能形成胶体。第一步是可逆阶段:以“弱”氢键合通过硅酸根离子(SiO4)作桥梁,把电液中(低pH值)的带正电荷的SiO2粒子联系起来,发生聚集作用;

第二步是不可逆阶段:SiO2粒子间硅氧键(Si—O—Si)桥的形成,发生非常强大的分子间键合。通常完成第二阶段的胶体才可用于蓄电池。五、成胶影响因素

影响成胶的因素有很多,其中最主要的是温度、pH值、盐的浓度与类别、SiO2粒度与含量

1、温度:可以按照阿仑尼乌斯(Arrhenius)关系式,每升高10 ℃

成胶速率成倍增加。

2、PH值:

PH值主要影响表面电荷及ξ(Zeta)电位。二氧化硅的零点电荷大约在pH=2,在高PH值(pH>2)时,因在SiO2粒子表面存在(—SiO—)基团而表面呈负电荷,在低PH值(pH<2),(甲)硅(烷)醇(—SiOH2—)基团的离子化作用,而使表面带正电荷,在PH值低于2时,电池电液硫酸中的H,对形成硅氧烷键具有催化作用。

3、盐的浓度与类别:

SiO2碱反应生成硅酸与硫酸盐,盐的浓度高,会减少ξ(Zeta)电位,会降低相邻球型SiO2粒子间相互排斥作用的势能。因此这就增大了凝胶的强度。盐的离子可作为SiO2粒子间的桥梁,减少成胶的难度(即容易成胶),在铅酸电池电液(低pH值)里形成带正电荷的SiO2粒子的硫酸盐离子胶体。但必须注意硫酸盐的浓度范围应控制在1.0 wt%~2.5 wt%,这样对电池在深度放电后的恢复有帮助。另外,在完全放电状态下可以长期放置,硫酸盐可以降低PbSO4的溶解度(即所谓“同名离子”效应)。

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