硝基碳在高功率電池上的應(yīng)用研究

摘要：市場要求鉛酸蓄電池的性能越來越高。許多廠家都從各個(gè)角度、采用不同的方法提高放電性能；提高鉛膏利用率。本文采用在配方上加入特殊工藝方法制備的硝基碳制成高功率電池，經(jīng)恒流放電和恒功率放電的多參數(shù)測試，明顯改善了電池的放電參數(shù)

關(guān)鍵詞：硝基碳 高功率

1、引言

鉛酸蓄電池與其他化學(xué)機(jī)理的蓄電池相比最大的優(yōu)勢是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠但其充放電性能比任何電池都差。因此其應(yīng)用范圍受到限制。其中鉛膏利用率低的問題一直是鉛酸蓄電池的軟肋。各國專家學(xué)者廣開思路，想盡辦法提高鉛膏利用率。而普遍公認(rèn)有效的方法是減薄極板厚度、減少筋條間距，采用豎筋放射狀分布及增設(shè)加強(qiáng)筋等物理方法。但其帶來的負(fù)面影響也是顯而易見的。首先是薄型極板對鑄片崗位員工技能要求很高，板柵斷筋、氣孔、板柵發(fā)軟、成型合格率下降、鉛爐溫度高造成的鈣元素?zé)龘p、電池的析氫作用降低、密封反應(yīng)效率下降、失水率增加。其次是板柵耐腐蝕性能下降，循環(huán)衰減加速，使用壽命受到影響。做成小容量電池用于兒童玩具等用途尚能滿足客戶需求，但在中密電池、固定型電池及UPS備用電源的使用上明顯出現(xiàn)退池率上升，浮充壽命短的缺點(diǎn)。

本文采用特殊工藝制作的超級(jí)導(dǎo)電炭（暫命名為硝基炭）添加到負(fù)極鉛膏中改善負(fù)極鉛膏的電化學(xué)性能，在克服結(jié)構(gòu)改進(jìn)缺陷情況下也達(dá)到了提高電池放電性能的作用。特別是大電流放電性能和高功率放電性能上的改善尤為有效。

2、實(shí)驗(yàn)對比參考電池的選型和性能參數(shù)

電池型號(hào) 6FM18-BT

電池外型尺寸 長181mm, 寬76mm 高167mm

極板型號(hào) F4.5 極板厚度 正板2.8mm, 負(fù)板1.7mm

極組配置 4正5負(fù) 隔板：AGM隔板，壓縮比1:1.2

每AH耗鉛膏量（干膏）正膏10.8克/單格，負(fù)膏7.66克

單格加酸量200ml ,總加酸量1200ml

電池內(nèi)化成加酸視比重1.245g/cm3 配1%無水硫酸鈉,0.2%硫酸亞錫

配方材料：紅丹，短纖維，異性石墨，硫酸鋇，硬脂酸鋇，三氧化二鉍，三氧化二銻，硫酸亞錫，乙炔黑，木素磺酸鈉，高純腐殖酸等，加入量占鉛粉量的5.4%·~5.6%。半自動(dòng)精密注液機(jī)真空注液。注液后立即置于水槽中，戴上酸液循環(huán)壺，并在2小時(shí)內(nèi)完成一組電池的連接，進(jìn)入充電狀態(tài)。

內(nèi)化成工藝如下：0.7安充電3小時(shí)---1.1安充電20小時(shí)---0.9安充電6小時(shí)---靜置1小時(shí)---7.2安放電2小時(shí)---2.7安充電4小時(shí)---2安充電6小時(shí)---1安充電12小時(shí)，在充電末期的2小時(shí)內(nèi)抽出多于的酸液。戴好安全閥帽。靜置2小時(shí)---1.8安放電10小時(shí)考核容量。記錄每只電池的放電終止電壓不低于10.8伏。若有不合格電池應(yīng)做好標(biāo)識(shí)，待后統(tǒng)一處理。補(bǔ)充電：2.7安充電3小時(shí)---1.8安充電4小時(shí)---0.9安充電8小時(shí)轉(zhuǎn)浮充電，單體浮充電壓按13.5伏充電2小時(shí)，后期測量并記錄單體電池的浮充電壓。對于浮充電壓高于13.80伏或低于13.26伏的電池要做好標(biāo)識(shí)，集中處理。

抽取6只電池分別做恒流放電測試，列表如下：

抽取一只電池做充電接受能力的測試：將電池放電至10小時(shí)率容量的50%，在0℃條件下以14.4伏電壓恒壓充電。測試10分鐘時(shí)的電流大小。得到3.92安。

抽取另一只做超大電流放電：10倍率放電至6伏，維持了51秒。

3、硝基炭的制作：

硝基炭在鉛膏活性物質(zhì)中的作用機(jī)理分析:鉛酸蓄電池不僅是通過化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)存和釋放電能，同時(shí)也是一種電容，其大量的電荷存在于正極活性物質(zhì)和負(fù)極活性物質(zhì)的微孔表面。因此活性物質(zhì)的比表面積越大，其儲(chǔ)存電荷越多。在同樣多活性物質(zhì)的情況下其“電容電池”的容量越大。但太疏松的鉛膏微觀結(jié)構(gòu)不利于電池的循環(huán)壽命。在多次的深循環(huán)后出現(xiàn)正極活性物質(zhì)泥化、脫粉。而對于負(fù)極則相反。其使用過程中是內(nèi)縮的，微孔越多越不會(huì)出現(xiàn)硫酸鹽化現(xiàn)象。因此在負(fù)極添加劑中增添微觀視比重輕、比表面積達(dá)到分子。而且這種分子會(huì)在初充電的過程中分離掉部分原子基團(tuán)留出分子級(jí)別的空穴位。對于“電容電池”的荷電容量增加和防止負(fù)極內(nèi)縮產(chǎn)生的活性下降、硫酸鹽化都有積極的作用。硝基炭的添加可以與鉛形成絡(luò)合微網(wǎng)相態(tài)，改變鉛活性物質(zhì)的電化學(xué)行為，位孔內(nèi)的電解液促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)中硫酸根離子更快捷的到達(dá)活性物質(zhì)表面。具有超級(jí)電容的作用和大電流放電的供液時(shí)差。硝基炭添加形成的導(dǎo)電通道還有平衡充放電電流的作用，降低了大電流充電是對活性物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的沖擊，降低了整只電池的內(nèi)阻。

3.1硝基化基體材料的選擇：選取天然棉花脫脂成為脫脂纖維，手工撕碎。作為基體用材。一次用100克。

3.2其他原材料、用具的準(zhǔn)備：試劑級(jí)濃硝酸（含量65%）500毫升瓶裝。1000毫升純凈水。2000毫升平底開口燒杯備用，水銀溫度計(jì)，引流玻璃棒，玻璃或陶瓷制成的抽真空濾酸瓶，真空泵。

3.3制作過程：先將500ml純凈水注入2000ml燒杯中，放入20克左右撕碎的脫脂棉纖維。在燒杯內(nèi)邊上插好水銀溫度計(jì)，量程范圍應(yīng)大于120℃。隨時(shí)可以監(jiān)控?zé)瓋?nèi)溶液的溫度。緩慢將濃硝酸沿玻璃棒引流到燒杯的正中央沁入水中。此時(shí)溫度顯示上升很快，，當(dāng)溫度升高到90℃時(shí)，暫停加濃硝酸，而是邊加入撕碎的脫脂纖維，邊緩慢攪拌。因注入的濃硝酸在燒杯中心的下層，而溫度測試點(diǎn)在燒杯邊上，存在測溫顯示滯后的現(xiàn)象，所以停加濃硝酸后溫度還會(huì)繼續(xù)上升到95℃或更高，可根據(jù)溫度上升的速度加快脫脂纖維的加入和加速攪拌，重點(diǎn)要防止脫脂纖維被炭化成黑色。如果溫度沒有升高到95℃或溫度回落太快，脫脂纖維還呈白色?？捎脗溆玫碾姞t加溫到95℃，看得到脫脂纖維邊微黃到焦黃色之間。溫度也匯落到了90℃以下。再次將硝酸瓶中剩余的濃硝酸沿玻璃棒加入2000ml的燒杯中，溫度將會(huì)再次升高到90℃以上。將余下的脫脂纖維全都加入燒杯中，如果溫度還能保持在90℃以上，則任其反應(yīng)20分鐘。如果溫度已經(jīng)下降到90℃以下，可用電爐加熱升溫到90℃。停掉電爐，任其反應(yīng)20分鐘。觀察脫脂纖維已經(jīng)處于微黃色到焦黃色之間說明硝基化反應(yīng)是適當(dāng)?shù)?。色澤太淺是硝化不夠，可加溫促進(jìn)硝基化的進(jìn)行。若色澤太深是加硝酸太急，或加脫脂纖維太慢，可加速攪拌，比要時(shí)可補(bǔ)加純水降溫。

20分鐘的硝基化反應(yīng)完成后可加入100ml~200ml的純凈水使其溫度下降到50℃。加蓋防塵。靜置到次日。

次日，吸去上層的清液，用抽濾瓶過濾已硝基化的脫脂纖維，成硝基炭添加料。從環(huán)保考慮，濾液應(yīng)重復(fù)利用。二次使用時(shí)可用電爐先預(yù)熱到50℃以上才按上述的方法注入濃硝酸。若硝基化反應(yīng)完成的程度不夠時(shí)可輔助電爐加熱。同時(shí)掌握硝化液的含酸量。

硝基化反應(yīng)時(shí)，操作者需戴好口罩及防酸手套。注意人身安全。

濾出物經(jīng)涼干及低溫干燥，檢測其水份含量。在加入配方的添加劑時(shí)應(yīng)剔除所含的水份，以保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)真實(shí)。

3.4制作實(shí)驗(yàn)電池：將硝基炭按不大于1%的3個(gè)不同比例添加到原工藝配方的添加料中，進(jìn)行小批量的和膏。和制的鉛膏視比重要達(dá)到原生產(chǎn)工藝要求的參數(shù)。每個(gè)配比所做試樣電池不能少于3只電池的涂膏量略有富余。試驗(yàn)極板進(jìn)入生產(chǎn)固化房按生產(chǎn)工藝進(jìn)行高溫高濕固化和高溫低濕干燥。制作的樣品電池依據(jù)配入量不同分別標(biāo)識(shí)A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3，按原生產(chǎn)工藝和同系列品種電池一起注電解液，一同化成充電。一同做10小時(shí)率容量考核。在這個(gè)過程中沒出現(xiàn)故障電池和不合格電池。

各類型樣品電池均抽一只做充電接受能力的測試。得到I10min分別是4.13A,4.17A,4.16A。

完全充電后做10倍率大電流放電至6伏的時(shí)間分別是78秒，82秒，81秒。說明加入硝基炭后的全部樣品電池的充電接受能力和大電流放電性能都明顯提高了。為測試起在不同電流和不同功率放電下的高功率性能，對比普通電池的同等參數(shù)，做了5分鐘放電至20小時(shí)率的對比數(shù)值如下表：

4、結(jié)論:

4.1、特殊工藝制作的硝基炭做為負(fù)極添加劑用于高功率系列電池中，對大電流放電性能有明顯提高。

4.2、濃硝酸在工業(yè)上的規(guī)模使用對操作員工有較高的素質(zhì)要求，真正應(yīng)用于規(guī)?；a(chǎn)還要有專用設(shè)備來制備量產(chǎn)的硝基炭添加劑。