什么是纳米硅胶体铅酸蓄电池？
摘要：从原理上剖析了纳米气相二氧化硅胶体铅酸蓄电池的特性，介绍了一种研讨成果，使用于铅蓄电池的硅胶体的制造原理和办法。首要是使用外表化学的根本原理和电化学动力学催化的根本办法，使用纳米气相Si02溶胶的半导体掺杂电化学界面催化理论和纳米气相二氧化硅的外表改性理论，对纳米气相二氧化硅的外表改性，使用湿法改性：用有机改性，填加偶联剂和高分子外表活性剂和涣散剂，如茶黄酸甲醛缩合物、聚丙稀酸、乙二醇、丙稀酸等。用无机改性，填加硼、磷、锡、硒等元素的化合物，都能到达改性的意图。使铅酸蓄电池具有克服了三种前期容量丢失到达长寿数、大容量等优秀的特性。
关键词：胶体铅蓄电池；半导体掺杂；二氧化硅外表改性；界面催化化学
0 导言
本文介绍了纳米硅胶体使用于铅酸蓄电池。无机纳米硅胶体(Gelled)是一种涣散系统，是物质存在的一个特别状况，而不是一种特别的物质。笔者以为当时胶体铅酸蓄电池的技能原理定位不精确，是电化学热力学问题仍是电化学动力学问题，若按胶体电解质铅酸蓄电池定位的技能道路，根本原理就解说不通，因其不参与成流化学反响。正确的是用外表化学的根本原理电化学动力学的办法去解说。无机纳米硅胶体铅酸蓄电池用纯度高的纳米气相二氧化硅(Furned SiO2)，胶体SiO2是作为纳米资料半导体掺杂、外表改性催化剂的理论来剖析，若依照电化学催化理论，则SiO2作为催化剂载体，吸附催化金属粒子一起催化。各种粒子经过各种形式的键合锚定在载体的外表，外表经过改性的纳米颗粒载体的巨大外表积和微颗粒外表掺杂电子轨迹的重迭激活载体激烈影响着催化剂的活性。而SiO2、Si(OH)、H2SiO3等在铅酸蓄电池中不按电化学热力学规则法拉第电解规律参与成流反响：双流反响中没有SiO2、H2SiO3等化合物的参与，所以它不是反响物，见反响方程式：
Pb+2H2S04+PbO2==2PbSO4+2H2O。
pH值对硅溶胶的胶凝时刻影响最大，当硅溶胶pH值在7邻近时胶凝最快，当pH值为2～4时比外表积和孔容最大，经实验也得到证明。而在明显的酸性、碱性规模内，胶凝时刻大为延伸，pH=2左右时为等电点，溶胶凝胶最慢。凝胶中若含有电解质，凝胶能够导电，参与半导体电子与电解液的电荷的传递效果。当凝胶度很大时，离子搬迁速度减小，电导值将下降。
1 纳米硅胶体在铅蓄电池制造中的使用
现在国表里毫无例外的选用纳米气相SiO2(Fureed SiO2)俗称白炭黑，用其制造的胶体铅酸蓄电池功能优秀，首要是气相二氧化硅纯净度好，颗粒度也很简略调整，所以活性好。经过详细实验，用惯例的VRLA蓄电池的结构，用一般的AGM玻璃纤维隔板，AGM隔板也是SiO2为首要成分与极性分子H2O水化和硫酸反响也做催化载体。富液式结构，少数气相二氧化硅添加量和其他微量活性添加剂。就能得到高功能的电流输出，深循环条件下的优秀功能，高的功率密度、高的充电功率(99．5％)，耐过充、充电重复性好，充电稳定性好(抗热失控)，作为电源系统中的蓄电池，要求其寿数期间免保护，长寿数，宽的作业温度，瓦时价格低，优异体积比能量，分量比能量，自放电率低。若按半荷电制式作业(ParTIal-stage of charge)以40％～60％的荷电在寿数期间能量输出添加三倍。在寿数实验中跟着循环次数的添加其容量要比一般VRLA液式蓄电池衰减的慢。掺杂纳米胶体活性添加剂的铅酸蓄电池是进入新世纪的严重技能发展，跟着纳米技能和高分子组成技能的发展，外表活性剂和硅、硼、钛、铝等聚合偶联剂归纳组成技能的进步，纳米无机硅胶体铅酸蓄电池的归纳技能水平还会有突破性的发展。这种铅酸蓄电池最适合使用在再生能源风能、太阳能发电储能系统，电力合闸直流电源系统，通讯备用电源系统，军事、公安、商检、海关、高等院校、科研院所等机关事业单位，医院、银行、宾馆、饭馆、商场等需求备用电源的部分。
2 无机纳米SiO2胶体半导体掺杂的电化学催化理论
在研讨催化效果时，众所周知的过度金属是首要的金属催化剂和化学元素周期表中P区右上角非金属元素。这些非金属元素也是很重要的半导体电子催化元素。
坐落化学元素周期表p区斜对角线的元素单质大都具有半导体性质。在构成半导体元素单质中硅、硼、磷和锗、硒被公认是最好的。半导体的能带理论已很老练，导电才能能受掺杂的操控和调整，这在电子学中得到了广泛的使用。除单质掺杂半导体外，还有半导体化合物掺杂，化学元素周期表第Ⅲ主族与第V主族元素构成的化合物与第Ⅱ副族与Ⅵ主族元素所构成的化合物等。Si与Pb元素本家，都是C(炭)族(C Si Ge Sn Pb)，硼族元素Al与Cd的外层电子比Si的外层电子少，要构成P型掺杂，供给空穴型或称为P型半导体，而氧族元素Sb、S元素等比Si外层外层电子多，构成N型掺杂，电子是大都载流子，或称这些半导体为N型半导体，其导电率比P型半导体高，使用了半导体及其化合物关于纯度十分灵敏这一原理，因为现代学科的相互浸透，其在电化学动力学即半导体电化学催化范畴得到了出奇的使用。在半导体电极上的电化学反响触及溶液中粒子和半导体电荷载流子之间的电荷传递。电荷传递反响动力学中系统的始态和终态能级相一起，发作电子传递的可能性最大。在外表态不存在的情况下电荷传递在溶液和能带中的能级之间直接进行。电流的巨细取决于半导体中的能级和溶液中能级之间的堆叠，堆叠越多电流越大。
3 纳米二氧化硅粉体SiO2的外表改性
1)二氧化硅粉体选配和改性化学品的选择选气相二氧化硅(Fumed SiO2)，又称白碳黑，国产气相二氧化硅、德国德固萨公司A一200或德国威克公司N一20，比外表积200m2／g，粒径12～100nm。加量粉水比为0．5％～2％Wt。白碳黑SiO2羟基含量球状粒子S—SiO2含36%；多孔状粒子P—SiO2含量48％。
几种物质的等电点pH值：
SiO2 1.8、TIO2 4.7、SnO2 4.5、A1（OH）3 35.0、MgO 12.0
2)填加有机化学资料改性剂
(1)改性机理及其使用的有机化学资料改性有机化学资料首要是硅烷偶联剂和一些高分子活性剂。偶联剂是两性结构的化学物质，偶联剂的一部分基团可与颗粒外表的各种官能团发作反响构成强有力的化学键合，另一部分基团可与有机高聚物基料发作化学反响或物理环绕，按其化学结构可分为硅烷偶联剂、钛酸酯类偶联剂、铝酸酯类偶联剂、锆酸酯类偶联剂等。偶联剂适用于有机高聚物和无机颗粒填料的系统，偶联剂外表改性的无机颗粒填料的系统，使颗粒外表有机化，然后改进复合资料的归纳功能。硅烷偶联剂是其间一种具有特别结构的低分子有机硅化合物，其通式为RSiX3，R代表与聚合物分子有亲和才能和反响才能的活性基团，X代表能够水解的烷氧基。依据分子结构中R基的不同硅烷类偶联剂可分为氨基硅烷、环氧基硅烷乙烯基硅烷等。使用偶联剂还需求配合用无机或有机外表改性剂、高分子涣散剂外表活性剂等填加剂，如。磷酸酯、硼酸酯、萘黄酸甲醛缩合物、聚丙稀酸、乙二醇、丙稀酸等。
(2)可选用同性无机粒子的硅烷偶联剂常用的硅烷偶联剂有氨基、环氧基、甲基(Me)、丙烯基、三甲基、甲基、乙烯基(Vi)偶联剂等。
氨基：选用A—1100氨丙基三乙氧基硅烷沸点220℃
1 500—2000分子式NH2(CH2)3Si(OCH2CH3)3
A一2120氨乙基一氨丙基甲基二甲氧基硅烷SCA602沸点85℃
分子式NH2(CH2)2NH(CH2)3SiCH2(OCH3)2
甲基丙烯基A—174甲基丙基酰氧基丙基三甲氧基硅烷沸点255℃
分子式CH2=C(CH3)CO2(CH2)3Si(OCH3)3乙烯基A一172乙烯基一三(乙一甲氧基乙氧基)硅烷沸点285℃
分子式CH2=CH—Si(OCH2CH2OCH3)3
甲基A—1630甲基三甲氧基硅烷沸点101℃
分子式CH3Si(OCH3)3
A一162甲基三乙氧基硅烷143℃
分子式CH3Si(OCH2CH3)3
上面介绍的硅烷偶联剂中甲基硅烷A一174、氨基A—1100最常用
(3)硅烷偶联剂的使用办法
将硅烷偶联剂与去离子水配成水溶液，即使其水解，水解的时刻依偶联剂的种类和溶液的pH值的不同而异。从几分钟至几十分钟制造的水溶液的pH值一般操控在3～5，能够用硼酸和磷酸调理。若pH值<3或>5将会促进聚合物的生成，SiO2的等电点pH值=1．8。一般不会短时刻内凝结，不能将制造好的已水解的偶联剂溶液久放，不然自行缩聚而失效。用量选定为无机粉体的质量的0．1％～1．5％Wt，操作温度50℃～100℃，不能使偶联剂欢腾。复合填料配方时水中涣散体能够加铝酸酯偶联剂、磷酸硼、乙二醇、季戊四醇、丙烯酸、甲基丙烯酸、醋酸乙烯、萘磺酸甲醛缩合物等阴离子外表活性剂，阳离子外表活性剂因对介质的pH值灵敏，又加之价格昂贵所以不多用。(各类活性涣散剂有必要澄清化学品的效果，不可加絮凝剂)。特别注意填料的次序，其他添加剂都在主添加剂硅烷偶联剂之后参与。
3)填加无机化学资料改性剂
经过无机电解质的效果，被改性物质添加颗粒外表的外表积和吸附才能，填加无机改性剂的种类比较多、磷酸盐、硼酸盐、四氟硼酸锂、四氟磷酸锂、六氟磷酸锂、磷酸酯等。
无机改性剂还可填加磷酸硼，也能够自拼装。磷酸酯是界于无机和有机之间的效果，是改性和催化效果很好的涣散剂，在适量加有SiO2水溶液中各填加1％的P2O5和B2O3后高速拌和60分钟用1 500瓦转数2 500转／分的颗粒改性高速拌和机。能够自拼装组成硅烷磷酸硼。
4)改性硅溶胶用调理剂
能够填加有机低分子化合物和水溶性高分子如醇类或乙酸类。乙二醇、聚乙二醇、乙醇、丙三醇、醋酸等复合填料配方时水中涣散体还能够加钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂、磷酸硼、乙二醇、季戊四醇、丙烯酸、甲基丙烯酸、醋酸乙烯、萘磺酸甲醛缩合物等阴离子外表活性剂。外表改性用水溶性高分子首要是组成水溶性高分子的聚合物，例如：聚丙烯酸及其盐类、聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等。还能够填加不饱和有机酸及有机低聚物，常用的不饱和有机酸：丙烯酸、甲基丙烯酸、丁烯酸、乙酸乙烯、乙酸丙烯等。
4 纳米无机SiO2粉体外表改性设备
现在纳米微颗粒外表改性硅胶体通常在湿性状况下最优选的办法。湿法外表改性设备简略易行，常用的机械高速拌和设备，但此办法要求高的工艺改性设备首要选用可控温拌和反响釜或反响罐，这种设备的筒体一般作成带夹套的表里两层夹套内通加热介质如蒸汽、导热油等，也有简略的用电加热，颗粒被部分浸湿后用机械的力气可使剩下的聚团碎解。浸湿进程中的拌和能添加聚团的碎解程度，然后也就加快了整个的涣散进程，加快了纳米微粒外表的化学反响。这是用机械的办法到达纳米微外表化学反响的意图。这种反响设备也能够用控温拌和桶或用克己高速拌和机，其功率一般要在l 500～3 000瓦，转速应在3 000～5 000转／每分钟规模，拌和30分钟左右，机械高速拌和设备是经过激烈的机械拌和办法，引起液流强湍流运动，使聚会的颗粒碎解悬浮，高速拌和完毕后温升不能超过100℃，依据参与反响的偶联剂、涣散剂、外表活性剂等化合物分化的温度点而定。反响釜有温控套，温度过高简略使偶联剂欢腾而失效丢失。拌和设备是改性设备的首要部件，拌和筒内的物料凭借拌和器的拌和，到达充沛混合和反响。改性设备也有用大功率超声设备，功率1 000～5 000瓦，频率20～30kHz本文将拌和设备与改性设备合一使用。(end)
