СИЛИКАТНЫЙ РАСТВОР С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ НАТРИЯ, ПРИГОТОВЛЕННЫЙ ПО ТЕХНОЛОГИИ НАМАГНИЧИВАНИЯ, КАК ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ СВИНЦОВЫХ КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2005 года по МПК H01M10/10 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится в целом к силикатному электролиту для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, а в частности - к силикатному раствору с низким содержанием натрия как к электролиту для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, для приготовления которого используется технология намагничивания, и к применениям этого электролита.

Предпосылки создания предлагаемого изобретения

Обычно в свинцовых кислотных аккумуляторных батареях в качестве электролита используется концентрированная серная кислота, растворенная в дистиллированной воде. При производстве свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, в связи с трудностями, возникающими при обращении с кислотным электролитом, при сборке и применении таких свинцовых кислотных аккумуляторов, а также при изъятии их из применения неизбежно возникает загрязнение окружающей среды. Кроме того, при использовании свинцовых кислотных аккумуляторных батарей общего назначения, полость которых имеет сообщение с атмосферой, происходит испарение кислотного электролита, что вызывает коррозию частей самой аккумуляторной батареи и представляет опасность при эксплуатации и транспортировке.

Для преодоления этих недостатков некоторое время назад был изобретен гелеобразный электролит, такой гелеобразный электролит, обладающий высокой емкостью, описан, в частности, в патенте ZL90102355. Этот гелеобразный электролит содержит гель кремниевой кислоты (силикагель) и серную кислоту, главным компонентом силикагеля является комплексное соединение SiO₂·хН₂O, в котором отношение масс серной кислоты и двуокиси кремния (SiO₂) составляет 4,5:10,5. Хотя аккумуляторные батареи с таким гелеобразным электролитом обладают высокой емкостью и имеют другие преимущества по сравнению с аккумуляторными батареями, в которых используется электролит на основе серной кислоты, все же, в гелеобразном электролите этого типа используется большое количество серной кислоты, и аккумуляторным батареям с таким электролитом также присущи недостатки, связанные с загрязнением окружающей среды, безопасностью транспортировки и эксплуатации. Кроме того, емкость аккумуляторных батарей с гелеобразным электролитом составляет только 70% или даже меньше от емкости аккумуляторных батарей, в которых в качестве электролита используется серная кислота. Поэтому удельная энергия таких аккумуляторных батарей относительно невысока, их внутреннее сопротивление велико, они легче теряют воду, в результате чего гель становится все тверже и тверже, что приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик и сокращению срока службы такой аккумуляторной батареи.

До создания предлагаемого изобретения его автор предлагал комплексный силикатный электролит, не содержащий натрия (PCT/CN99/00116). Этот электролит состоит из органического кремнеуглеводорода и серной кислоты, взятых в определенном массовом соотношении. С помощью этого электролита удается преодолеть главные недостатки электролитов, приготовляемых на основе серной кислоты. Однако в результате длительной практики автор предлагаемого изобретения установил, что из-за того, что силикат натрия используется как гель, возникают трудности при заполнении аккумуляторных батарей гелем. В некоторых случаях не удается осуществить заполнение аккумуляторной батареи за один раз. Это усложняет процесс заполнения аккумуляторной батареи электролитом. Присутствия натрия в таком электролите избежать невозможно, и как только концентрация натрия в силикатном электролите превысит 0,1%, вязкость этого электролита значительно возрастает, и он становится кашицеобразным. В процессе работы электролит теряет воду, что ведет к его затвердеванию и растрескиванию. При этом эксплуатационные характеристики аккумуляторной батареи заметно ухудшаются, она становится склонной к ускоренному саморазряду, ее внутреннее сопротивление повышается, а срок службы сокращается.

Краткое описание изобретения

Цель предлагаемого изобретения состоит в преодолении таких недостатков известных свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, в которых используется электролит, приготовленный на основе серной кислоты, как загрязнение окружающей среды и опасность для здоровья человека, и в решении таких проблем, связанных с использованием гелеобразного электролита, предлагавшегося ранее автором предлагаемого изобретения, как трудность заполнения аккумуляторной батареи электролитом, сложность технологии и, особенно, затвердевание и растрескивание электролита; кроме того, при использовании электролита по предлагаемому изобретению обеспечивается преодоление таких недостатков гелеобразного электролита, как низкая текучесть и высокое внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Настоящим изобретением предлагается силикатный электролит с низким содержанием натрия, приготовляемый по технологии намагничивания, при этом аккумуляторные батареи, в которых используется такой электролит, имеют удельную энергию, сравнимую с удельной энергией свинцовых кислотных аккумуляторных батарей общего назначения; удельная мощность аккумуляторной батареи, в которой используется электролит по предлагаемому изобретению, составляет 53 Вт/кг, такая батарея имеет долгий срок службы и широкий рабочий температурный диапазон.

Предлагаемое изобретение может быть реализовано следующим образом: силикатный электролит с низким содержанием натрия приготовляется посредством технологии намагничивания, процесс приготовления такого силикатного электролита с низким содержанием натрия включает следующие операции.

1. Берут гель кремниевой кислоты (силикагель), содержащий от 40% до 60% по массе двуокиси кремния (SiO₂), при этом такой золь берется в количестве от 5 до 15 массовых единиц.

2. Добавляют в силикагель воду с одновременным перемешиванием смеси, при этом вода берется в количестве от 15 до 25 массовых единиц. Для измерения концентрации следует использовать ареометр Боме (Байте), воду добавляют, пока концентрация смеси по ареометру Боме не достигнет значения в диапазоне от 0,65 градуса Боме до 0,85 градуса Боме; используемая для этой цели вода должна быть дистиллированной или деионизированной.

3. В полученную смесь добавляют неорганическую кислоту, пока рН не достигнет значения в диапазоне 1-4. Используемая для этой цели неорганическая кислота выбирается из следующего перечня: соляная кислота, щавелевая кислота, серная кислота.

4. Помещают смесь, полученную на стадии 3, в магнитное поле с плотностью магнитного потока в диапазоне от 0,1 Тл (1000 гаусс) до 0,6 Тл (6000 гаусс) на период времени от 5 минут до 10 минут для намагничивания; при этом применяемое магнитное поле создают в трубе круглого сечения, выполненной из магнитного материала, или же это магнитное поле, создаваемое переменным или постоянным электрическим током.

5. Перемешивают намагниченную смесь, полученную на стадии 4, при этом перемешивать можно вручную или с применением механических средств. Скорость вращения перемешивающего средства (мешалки) при этом - от 700 оборотов в минуту до 1400 оборотов в минуту. Продолжительность перемешивания составляет от 5 минут до 10 минут - пока динамическая вязкость перемешиваемой смеси не понизится до значения 0,002 Па·с (0,02 пуаз).

В результате вышеописанных операций обеспечивается получение силикатного электролита с низким содержанием натрия для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей.

Чистота реагентов, используемых при вышеописанных операциях, должна удовлетворять по меньшей мере требованиям химической чистоты, обычно используется степень чистоты, требуемая для химических реактивов. В качестве магнитного материала, используемого для изготовления трубы круглого сечения, в которой обеспечивается магнитное поле с индукцией в диапазоне 0,1 Тл (1000 гаусс) до 0,6 Тл (6000 гаусс), может быть использован сплав NdFeB, феррит или другие магнитные материалы.

Электролит по предлагаемому изобретению может быть использован как в свинцовых кислотных аккумуляторных батареях общего назначения, так и в свинцовых кислотных аккумуляторных батареях специального назначения, например, применяемых в подводных аппаратах.

Предлагаемое изобретение обладает следующими преимуществами.

1. Помимо того, что изменяется состав электролита, особенно, благодаря обработке посредством намагничивания, динамическая вязкость электролита менее 0,002 Па·с (0,002 пуаз). Электролит становится жидким и обладает хорошей текучестью. Он лишен таких недостатков существующего силикатного гелеобразного электролита, как высокая вязкость и трудность процесса заполнения аккумуляторной батареи электролитом, а особенно - затвердевание и растрескивание электролита в процессе эксплуатации батареи.

2. Удельная мощность аккумуляторной батареи, в которой используется такой жидкий силикатный электролит с низким содержанием натрия, возрастает от 30-40 Вт/кг до 53 Вт/кг.

3. Внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей, в которых используется такой жидкий силикатный электролит с низким содержанием натрия, очень низко, а срок службы аккумуляторных батарей возрастает от обычных 350 циклов заряда и разряда до 400-1000 циклов и даже больше.

4. Аккумуляторные батареи, в которых используется такой жидкий силикатный электролит с низким содержанием натрия, могут эксплуатироваться в широком температурном диапазоне - от -50°С до +60°С.

5. Скоростная характеристика такого жидкого силикатного электролита с низким содержанием натрия существенно возросла и достигла значения в диапазоне от 25°С до 30°С (по сравнению с обычными 3-7°С).

6. Благодаря применению в качестве электролита жидкого силикатного раствора с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению во время приготовления и применения электролита не происходит испарения кислоты, полностью исключается загрязнение окружающей среды серной кислотой, не создается вреда человеческому здоровью и снимаются проблемы коррозии деталей, возникающей при испарении кислоты из банок аккумуляторной батареи, имеющих сообщение с атмосферным воздухом, и при утечке кислоты. Все это имеет положительное значение для общества и дает экономическую выгоду.

7. Свинцовые кислотные аккумуляторные батареи, в которых используется такой жидкий силикатный электролит с низким содержанием натрия, имеют пренебрежимо малый саморазряд, они хорошо выдерживают долговременное хранение, их срок хранения возрастает с обычных 8 месяцев до 18 месяцев.

8. Стандарт аккумуляторной батареи 100.

9. Силикатный раствор с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению может быть использован в качестве электролита или активационного раствора для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей общего назначения, или же в качестве электролита или активационного раствора для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей специального назначения, например для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, применяемых в подводных аппаратах.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана кривая напряжения разряда свинцовой кислотной аккумуляторной батареи, в которой в качестве электролита использован силикатный раствор с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению.

На фиг.2 показана кривая тока разряда свинцовой кислотной аккумуляторной батареи, в которой в качестве электролита использован силикатный раствор с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению.

Описание предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения

Пример 1

Процесс приготовления жидкого силикатного раствора с низким содержанием натрия для использования в качестве электролита для свинцовой кислотной аккумуляторной батареи напряжением 12 В, емкостью 100 Ампер-часов, [скоростная характеристика] 3°С (300 А), включает следующие операции:

(1) Берут 1,5 кг силикагеля (коммерческий продукт №S-40, чистота реактива), содержание двуокиси кремния (SiO₂) в котором находится в диапазоне от 40% до 60% по массе; это соответствует 5 массовым единицам.

(2) На этот силикагель капают дистиллированную или деионизированную воду и одновременно перемешивают получающуюся смесь, этот процесс осуществляют до тех пор, пока ареометр Боме не покажет значение 0,65 градуса Боме; всего для этого потребуется воды приблизительно 4 л.

(3) В полученный на предыдущей стадии раствор добавляют 98,3%-ную серную кислоту, плотность которой составляет 1,834 г/см³, эту операцию осуществляют до тех пор, пока значение показателя рН не достигнет 1,32; всего для этого потребуется приблизительно 2 л серной кислоты.

(4) Силикатную смесь, полученную в результате осуществления предыдущих операций, подвергают намагничиванию, для чего помещают ее в центральную область магнитного поля с плотностью магнитного потока в диапазоне от 0,3 Тл (3000 гаусс) до 0,4 Тл (4000 гаусс) на период времени 8 минут для получения намагниченной смеси, при этом магнитное поле создается в трубе круглого сечения диаметром 800 мм и высотой 600 мм, выполненной из сплава NdFeB.

(5) Полученную на предыдущей стадии намагниченную силикатную смесь подвергают механическому перемешиванию со скоростью вращения мешалки от 700 оборотов в минуту до 1400 оборотов в минуту в течение приблизительно 10 минут до тех пор, пока динамическая вязкость этой смеси не станет меньше чем 0,002 Па·с (0,02 пуаз).

В результате выполнения вышеперечисленных операций получается жидкий силикатный раствор с низким содержанием натрия, который может быть использован в качестве электролита для свинцовой кислотной аккумуляторной батареи напряжением 12 В, емкостью 100 ампер-часов.

При использовании электролита, полученного как описано выше, свинцовая кислотная аккумуляторная батарея показала стандартное оцененное значение 100, ее удельная мощность возросла до 53 Вт/кг, срок службы таких свинцовых кислотных аккумуляторных батарей увеличился до более чем 400 циклов заряда-разряда, такая аккумуляторная батарея может нормально эксплуатироваться в температурном диапазоне от -50°С до +60°С, ее скоростная характеристика существенно возросла с обычных 3-7°С до 30°С. Саморазряд таких аккумуляторных батарей пренебрежимо мал, и они могут работать даже после хранения в течение 18 месяцев. Кривая напряжения разряда свинцовой кислотной аккумуляторной батареи, в которой в качестве электролита использован силикатный раствор с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению, показана на фиг.1, а кривая тока разряда свинцовой кислотной аккумуляторной батареи, в которой в качестве электролита использован силикатный раствор с низким содержанием натрия по предлагаемому изобретению, показана на фиг.2.

Пример 2

Процесс приготовления жидкого силикатного раствора с низким содержанием натрия для использования в качестве электролита для свинцовой кислотной аккумуляторной батареи напряжением 12 В, емкостью 12 ампер-часов, включает следующие операции:

(1) Берут 1,5 кг силикагеля (коммерческий продукт №S-40, чистота реактива), содержание двуокиси кремния (SiO₂) в котором составляет 60% по массе; это соответствует 5 массовым единицам.

(2) На этот силикагель капают дистиллированную или деионизированную воду и одновременно перемешивают получающуюся смесь, этот процесс осуществляют до тех пор, пока ареометр Боме не покажет значение 0,65 градуса Боме; всего для этого потребуется воды приблизительно 15 л.

(3) В полученный на предыдущей стадии раствор добавляют 98,3%-ную серную кислоту, плотность которой составляет 1,834 г/см³, эту операцию осуществляют до тех пор, пока значение показателя рН не достигнет 1,31; всего для этого потребуется приблизительно 2 л серной кислоты.

(4) Силикатную смесь, полученную в результате осуществления предыдущих операций, подвергают намагничиванию, для чего помещают ее в центральную область магнитного поля с плотностью магнитного потока в диапазоне от 0,4 Тл (4000 гаусс) до 0,5 Тл (5000 гаусс) на период времени 6 минут для получения намагниченной смеси, при этом магнитное поле создается в трубе круглого сечения диаметром 800 мм и высотой 800 мм, выполненной из сплава NdFeB.

(5) Полученную на предыдущей стадии намагниченную силикатную смесь подвергают механическому перемешиванию со скоростью вращения от 700 оборотов в минуту до 1400 оборотов в минуту в течение 6 минут до тех пор, пока динамическая вязкость этой смеси не станет меньше чем 0,002 Па·с (0,02 пуаз).

В результате выполнения вышеперечисленных операций получается жидкий силикатный раствор с низким содержанием натрия, который может быть использован в качестве электролита для свинцовой кислотной аккумуляторной батареи напряжением 12 В, емкостью 12 ампер-часов.

При использовании электролита, полученного как описано выше, свинцовая кислотная аккумуляторная батарея показала стандартное оцененное значение 100, ее удельная мощность возросла до 53 Вт/кг, срок службы таких свинцовых кислотных аккумуляторных батарей увеличился до более чем 1000 циклов заряда-разряда, такая аккумуляторная батарея может нормально эксплуатироваться в температурном диапазоне от -50°С до +60°С, ее скоростная характеристика существенно возросла с обычных 3-7°С до более, чем 30°С. Саморазряд таких аккумуляторных батарей пренебрежимо мал, и они могут работать даже после хранения в течение 18 месяцев.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к жидкому силикатному электролиту с низким содержанием натрия для свинцовых кислотных батарей, приготовляемому с использованием технологии намагничивания, и к применению такого электролита. Процесс приготовления электролита по данному изобретению включает стадии: добавление золя кремниевой кислоты, взятого в количестве 5-15 массовых частей, содержащего двуокись кремния (SiO₂) в количестве 40%-60% по массе, к воде, взятой в количестве 15-20 частей по массе, с одновременным перемешиванием смеси до достижения ее концентрации по ареометру Боме в диапазоне 0,65-0,85 градуса Боме; добавление неорганической кислоты в полученную смесь до достижения рН в диапазоне 1-4; помещение полученной смеси в магнитное поле с плотностью магнитного потока в диапазоне 0,1 Тл (1000 гаусс) - 0,6 Тл (6000 гаусс) на период времени 5-10 минут; и перемешивание (после выведения из зоны действия магнитного поля) намагниченной смеси до достижения динамической вязкости менее 0,02 мПа·с с получением жидкого силикатного электролита с низким содержанием натрия. Аккумуляторная батарея, в которой в качестве электролита используется жидкий силикатный электролит по данному изобретению, обладает удельной мощностью 53 Вт или более, срок ее службы увеличивается с 350 до 400 или более циклов заряд-разряд, она сохраняет работоспособность в условиях повышенных и пониженных температур, обеспечивается ее нормальная эксплуатация в температурном диапазоне от -50°С до +60°С, что является техническим результатом изобретения. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Жидкий силикатный раствор с низким содержанием натрия для использования в качестве электролита для свинцовых кислотных аккумуляторных батарей, приготовленный с использованием технологии намагничивания, при этом процесс его приготовления включает следующие операции:

(1) обеспечение силикагеля, содержание двуокиси кремния (SiO₂) в котором находится в диапазоне от 40 до 60% по массе, что соответствует количеству массовых единиц такого геля от 5 до 15,

(2) добавление в силикагель, взятый на стадии (1), воды с одновременным перемешиванием получающейся смеси, при этом количество массовых единиц воды составляет от 15 до 25, и продолжительность процесса добавления воды такова, что при его завершении плотность смеси по ареометру Боме составляет от 0,65 до 0,85 градуса Боме,

(3) добавление в раствор, полученный на стадии (2), неорганической кислоты для получения силикатной смеси, при этом продолжительность процесса добавления неорганической кислоты такова, что при его завершении значение показателя рН находится в диапазоне от 1 до 4,

(4) намагничивание силикатной смеси, полученной на стадии (3), путем помещения ее в магнитное поле с плотностью магнитного потока в диапазоне от 0,1 до 0,6 Тл (6000 гаусс) на период времени от 5 до 10 мин для получения намагниченной смеси,

(5) перемешивание намагниченной смеси, полученной на стадии (4), до достижения динамической вязкости меньше 0,002 Па·с (0,02 пуаз).