淺談氣相二氧化硅在蓄電池行業(yè)的應(yīng)用（一）
鉛酸蓄電池是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，也是與工業(yè)、交通、通信、金融、國(guó)防軍工、航海航天、新能源儲(chǔ)能等和人民日常生活等方面息息相關(guān)的一個(gè)行業(yè)。
根據(jù)2020年的數(shù)據(jù)，鉛酸蓄電池行業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到1980億，并且中國(guó)是全球最大的鉛酸蓄電池對(duì)外貿(mào)易國(guó)，產(chǎn)品遍布美國(guó)、歐洲、非洲及中東等國(guó)家和地區(qū)[1]。
今天主要介紹的是鉛酸蓄電池的中的一類——膠體電池。
膠體鉛酸蓄電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)，用膠體電解液代換了硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通電池有所改善。
膠體鉛酸蓄電池采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無游離液體存在，在同等體積下電解質(zhì)容量大、熱容量大、熱消散能力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對(duì)極板的腐蝕作用弱；濃度均勻，不存在電解液分層現(xiàn)象。
更重要的是，膠體蓄電池不需要補(bǔ)充水，并且壽命長(zhǎng)。
作為膠體鉛酸蓄電池最重要的組成部分之一的膠體電解液，會(huì)使用到大量的氣相二氧化硅。
氣相二氧化硅的生膠原理
二氧化硅通過氫鍵聚集成大分子團(tuán)，流體的黏度逐漸增加從而轉(zhuǎn)變成膠，最終形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的膠體，電解液被包圍在網(wǎng)中間。
形成的膠體有很強(qiáng)的觸變性，在外力作用下，大分子團(tuán)會(huì)被剪切成小分子團(tuán)，黏度下降；當(dāng)膠液靜置時(shí)，顆粒之間通過氫鍵聚合，黏度上升，重新形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
這種觸變性對(duì)硅凝膠進(jìn)入電池的過程非常重要，使得由氣象二氧化硅制作的膠體電池有了優(yōu)異的電氣性能。
膠體電池內(nèi)的氣體再化合
當(dāng)電流通過一個(gè)充滿電的傳統(tǒng)鉛酸電池時(shí)，水的電解作用從負(fù)極產(chǎn)生氫，從正極產(chǎn)生氧。這意味著水從電池中流失，所以傳統(tǒng)的蓄電池需要定期補(bǔ)充水。
然而，由于氧氣和氫氣不是同時(shí)釋放的（因?yàn)檎龢O的充電效率不如負(fù)極），氧氣產(chǎn)生時(shí)，負(fù)極上還存在著大量的高活性海綿狀鉛。
膠體電池在充電過程中，電解液硫酸的濃度升高，電解質(zhì)凝膠收縮，并隨之形成如毛細(xì)血管一樣的裂紋，這為氧氣擴(kuò)散到負(fù)極打開了通道。
氧氣在負(fù)極上與氫離子反應(yīng)發(fā)生電化學(xué)還原，最終產(chǎn)物是水，這樣水就不會(huì)從電池中流失。
通過對(duì)電池組件的精心設(shè)計(jì)和選擇，使氣體再化合效率達(dá)到95%甚至更高[2]。
如何選擇合適的氣相二氧化硅
氣相二氧化硅粒徑越小，比表面積越大，越容易凝聚，凝聚速度越快，形成的凝膠強(qiáng)度大，彈性和觸變性能越好。但是如果粒徑過小，凝膠速度過快，觸變性會(huì)變差，容易水化分層[3]。
相反，氣相二氧化硅粒徑越大，表面活性小，形成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，被破壞后會(huì)慢慢恢復(fù)，所以凝膠的觸變性較好；但粒徑不宜過大，粒徑過大時(shí)結(jié)構(gòu)形成緩慢甚至不凝膠[4]。所以選用粒徑在10~40nm的氣相二氧化硅為最佳[5]。
其次，選擇的氣相二氧化硅中，如果二氧化硅含量較低，不能形成結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，或者結(jié)構(gòu)不牢固，不能將硫酸和水分子包裹在其中，切稀后難復(fù)凝，因此需要選用高純度的氣相二氧化硅。
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