采用特殊工艺方法制备的硝基碳制成高功率电池 明显改善了电池的放电参数

硝基碳在高功率电池上的应用研究

摘要：市场要求铅酸蓄电池的性能越来越高。许多厂家都从各个角度、采用不同的方法提高放电性能；提高铅膏利用率。本文采用在配方上加入特殊工艺方法制备的硝基碳制成高功率电池，经恒流放电和恒功率放电的多参数测试，明显改善了电池的放电参数

关键词： 硝基碳  高功率

1、引言

铅酸蓄电池与其他化学机理的蓄电池相比最大的优势是经济实惠但其充放电性能比任何电池都差。因此其应用范围受到限制。其中铅膏利用率低的问题一直是铅酸蓄电池的软肋。各国专家学者广开思路，想尽办法提高铅膏利用率。而普遍公认有效的方法是减薄极板厚度、减少筋条间距，采用竖筋放射状分布及增设加强筋等物理方法。但其带来的负面影响也是显而易见的。首先是薄型极板对铸片岗位员工技能要求很高，板栅断筋、气孔、板栅发软、成型合格率下降、铅炉温度高造成的钙元素烧损、电池的析氢作用降低、密封反应效率下降、失水率增加。其次是板栅耐腐蚀性能下降，循环衰减加速，使用寿命受到影响。做成小容量电池用于儿童玩具等用途尚能满足客户需求，但在中密电池、固定型电池及UPS备用电源的使用上明显出现退池率上升，浮充寿命短的缺点。

本文采用特殊工艺制作的超级导电炭（暂命名为硝基炭）添加到负极铅膏中改善负极铅膏的电化学性能，在克服结构改进缺陷情况下也达到了提高电池放电性能的作用。特别是大电流放电性能和高功率放电性能上的改善尤为有效。

2、实验对比参考电池的选型和性能参数

电池型号    6FM18-BT

电池外型尺寸  长181mm, 宽76mm  高167mm

极板型号    F4.5  极板厚度  正板2.8mm, 负板1.7mm

极组配置   4正5负   隔板：AGM隔板，压缩比1:1.2

每AH耗铅膏量（干膏）正膏10.8克/单格，负膏7.66克

单格加酸量200ml ,总加酸量1200ml

电池内化成加酸视比重1.245g/cm3  配1%无水硫酸钠,0.2%硫酸亚锡

配方材料：红丹，短纤维，异性石墨，硫酸钡，硬脂酸钡，三氧化二铋，三氧化二锑，硫酸亚锡，乙炔黑，木素磺酸钠，高纯腐殖酸等，加入量占铅粉量的5.4%·~5.6%。半自动精密注液机真空注液。注液后立即置于水槽中，戴上酸液循环壶，并在2小时内完成一组电池的连接，进入充电状态。

内化成工艺如下：0.7安充电3小时---1.1安充电20小时---0.9安充电6小时---静置1小时---7.2安放电2小时---2.7安充电4小时---2安充电6小时---1安充电12小时，在充电末期的2小时内抽出多于的酸液。戴好安全阀帽。静置2小时---1.8安放电10小时考核容量。记录每只电池的放电终止电压不低于10.8伏。若有不合格电池应做好标识，待后统一处理。补充电：2.7安充电3小时---1.8安充电4小时---0.9安充电8小时转浮充电，单体浮充电压按13.5伏充电2小时，后期测量并记录单体电池的浮充电压。对于浮充电压高于13.80伏或低于13.26伏的电池要做好标识，集中处理。

抽取6只电池分别做恒流放电测试，列表如下：

时间	5分钟	10分钟	15分钟	1小时	3小时	5小时	20小时
终止电压
1.60	64.8	42	30.9	11.79	5.34	3.27	0.975
1.70	55.8	38.4	29.1	11.31	4.65	3.12	0.924
1.75	54.6	37.5	28.2	10.8	4.5	3.06	0.9
1.80	48.9	35.7	25.5	10.05	4.32	2.88	0.876

 

抽取一只电池做充电接受能力的测试：将电池放电至10小时率容量的50%，在0℃条件下以14.4伏电压恒压充电。测试10分钟时的电流大小。得到3.92安。

抽取另一只做超大电流放电：10倍率放电至6伏，维持了51秒。

3、硝基炭的制作：

硝基炭在铅膏活性物质中的作用机理分析:铅酸蓄电池不仅是通过化学反应储存和释放电能，同时也是一种电容，其大量的电荷存在于正极活性物质和负极活性物质的微孔表面。因此活性物质的比表面积越大，其储存电荷越多。在同样多活性物质的情况下其“电容电池”的容量越大。但太疏松的铅膏微观结构不利于电池的循环寿命。在多次的深循环后出现正极活性物质泥化、脱粉。而对于负极则相反。其使用过程中是内缩的，微孔越多越不会出现硫酸盐化现象。因此在负极添加剂中增添微观视比重轻、比表面积达到分子。而且这种分子会在初充电的过程中分离掉部分原子基团留出分子级别的空穴位。对于“电容电池”的荷电容量增加和防止负极内缩产生的活性下降、硫酸盐化都有积极的作用。硝基炭的添加可以与铅形成络合微网相态，改变铅活性物质的电化学行为，位孔内的电解液促进了化学反应中硫酸根离子更快捷的到达活性物质表面。具有超级电容的作用和大电流放电的供液时差。硝基炭添加形成的导电通道还有平衡充放电电流的作用，降低了大电流充电是对活性物质微观结构的冲击，降低了整只电池的内阻。

3.1硝基化基体材料的选择：选取天然棉花脱脂成为脱脂纤维，手工撕碎。作为基体用材。一次用100克。

3.2其他原材料、用具的准备：试剂级浓硝酸（含量65%）500毫升瓶装。1000毫升纯净水。2000毫升平底开口烧杯备用，水银温度计，引流玻璃棒，玻璃或陶瓷制成的抽真空滤酸瓶，真空泵。

3.3制作过程：先将500ml纯净水注入2000ml烧杯中，放入20克左右撕碎的脱脂棉纤维。在烧杯内边上插好水银温度计，量程范围应大于120℃。随时可以监控烧杯内溶液的温度。缓慢将浓硝酸沿玻璃棒引流到烧杯的正中央沁入水中。此时温度显示上升很快，，当温度升高到90℃时，暂停加浓硝酸，而是边加入撕碎的脱脂纤维，边缓慢搅拌。因注入的浓硝酸在烧杯中心的下层，而温度测试点在烧杯边上，存在测温显示滞后的现象，所以停加浓硝酸后温度还会继续上升到95℃或更高，可根据温度上升的速度加快脱脂纤维的加入和加速搅拌，重点要防止脱脂纤维被炭化成黑色。如果温度没有升高到95℃或温度回落太快，脱脂纤维还呈白色。可用备用的电炉加温到95℃，看得到脱脂纤维边微黄到焦黄色之间。温度也汇落到了90℃以下。再次将硝酸瓶中剩余的浓硝酸沿玻璃棒加入2000ml的烧杯中，温度将会再次升高到90℃以上。将余下的脱脂纤维全都加入烧杯中，如果温度还能保持在90℃以上，则任其反应20分钟。如果温度已经下降到90℃以下，可用电炉加热升温到90℃。停掉电炉，任其反应20分钟。观察脱脂纤维已经处于微黄色到焦黄色之间说明硝基化反应是适当的。色泽太浅是硝化不够，可加温促进硝基化的进行。若色泽太深是加硝酸太急，或加脱脂纤维太慢，可加速搅拌，比要时可补加纯水降温。

20分钟的硝基化反应完成后可加入100ml~200ml的纯净水使其温度下降到50℃。加盖防尘。静置到次日。

次日，吸去上层的清液，用抽滤瓶过滤已硝基化的脱脂纤维，成硝基炭添加料。从环保考虑，滤液应重复利用。二次使用时可用电炉先预热到50℃以上才按上述的方法注入浓硝酸。若硝基化反应完成的程度不够时可辅助电炉加热。同时掌握硝化液的含酸量。

硝基化反应时，操作者需戴好口罩及防酸手套。注意人身安全。

滤出物经凉干及低温干燥，检测其水份含量。在加入配方的添加剂时应剔除所含的水份，以保证实验的严谨真实。

3.4制作实验电池：将硝基炭按不大于1%的3个不同比例添加到原工艺配方的添加料中，进行小批量的和膏。和制的铅膏视比重要达到原生产工艺要求的参数。每个配比所做试样电池不能少于3只电池的涂膏量略有富余。试验极板进入生产固化房按生产工艺进行高温高湿固化和高温低湿干燥。制作的样品电池依据配入量不同分别标识A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3，按原生产工艺和同系列品种电池一起注电解液，一同化成充电。一同做10小时率容量考核。在这个过程中没出现故障电池和不合格电池。

各类型样品电池均抽一只做充电接受能力的测试。得到I10min分别是4.13A,4.17A,4.16A。

完全充电后做10倍率大电流放电至6伏的时间分别是78秒，82秒，81秒。说明加入硝基炭后的全部样品电池的充电接受能力和大电流放电性能都明显提高了。为测试起在不同电流和不同功率放电下的高功率性能，对比普通电池的同等参数，做了5分钟放电至20小时率的对比数值如下表：

时间	5分钟	10分钟	15分钟	1小时	3小时	5小时	20小时
终止电压
1.60	77.1	48	36.2	12.5	5.50	3.34	0.973
1.70	66.3	43.9	34.01	12.0	4.93	3.20	0.925
1.75	65.0	42.5	32.91	11.4	4.77	3.13	0.900
1.80	58.2	40.6	29.9	10.7	4.58	2.94	0.875

 

4、结论:

4.1、特殊工艺制作的硝基炭做为负极添加剂用于高功率系列电池中，对大电流放电性能有明显提高。

4.2、浓硝酸在工业上的规模使用对操作员工有较高的素质要求，真正应用于规模化生产还要有专用设备来制备量产的硝基炭添加剂。