硝基碳在高功率電池上的應用研究

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，經恒流放電和恒功率放電的多參數測試，明顯改善了電池的放電參數

關鍵詞：硝基碳 高功率

1、引言

鉛酸蓄電池與其他化學機理的蓄電池相比最大的優勢是經濟實惠但其充放電性能比任何電池都差。因此其應用范圍受到限制。其中鉛膏利用率低的問題一直是鉛酸蓄電池的軟肋。各國專家學者廣開思路，想盡辦法提高鉛膏利用率。而普遍公認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加強筋等物理方法。但其帶來的負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、板柵發軟、成型合格率下降、鉛爐溫度高造成的鈣元素燒損、電池的析氫作用降低、密封反應效率下降、失水率增加。其次是板柵耐腐蝕性能下降，循環衰減加速，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退池率上升，浮充壽命短的缺點。

本文采用特殊工藝制作的超級導電炭（暫命名為硝基炭）添加到負極鉛膏中改善負極鉛膏的電化學性能，在克服結構改進缺陷情況下也達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、實驗對比參考電池的選型和性能參數

電池型號 6FM18-BT

電池外型尺寸 長181mm, 寬76mm 高167mm

極板型號 F4.5 極板厚度 正板2.8mm, 負板1.7mm

極組配置 4正5負 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，負膏7.66克

單格加酸量200ml ,總加酸量1200ml

電池內化成加酸視比重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%。半自動精密注液機真空注液。注液后立即置于水槽中，戴上酸液循環壺，并在2小時內完成一組電池的連接，進入充電狀態。

內化成工藝如下：0.7安充電3小時---1.1安充電20小時---0.9安充電6小時---靜置1小時---7.2安放電2小時---2.7安充電4小時---2安充電6小時---1安充電12小時，在充電末期的2小時內抽出多于的酸液。戴好安全閥帽。靜置2小時---1.8安放電10小時考核容量。記錄每只電池的放電終止電壓不低于10.8伏。若有不合格電池應做好標識，待后統一處理。補充電：2.7安充電3小時---1.8安充電4小時---0.9安充電8小時轉浮充電，單體浮充電壓按13.5伏充電2小時，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伏的電池要做好標識，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中的作用機理分析:鉛酸蓄電池不僅是通過化學反應儲存和釋放電能，同時也是一種電容，其大量的電荷存在于正極活性物質和負極活性物質的微孔表面。因此活性物質的比表面積越大，其儲存電荷越多。在同樣多活性物質的情況下其“電容電池”的容量越大。但太疏松的鉛膏微觀結構不利于電池的循環壽命。在多次的深循環后出現正極活性物質泥化、脫粉。而對于負極則相反。其使用過程中是內縮的，微孔越多越不會出現硫酸鹽化現象。因此在負極添加劑中增添微觀視比重輕、比表面積達到分子。而且這種分子會在初充電的過程中分離掉部分原子基團留出分子級別的空穴位。對于“電容電池”的荷電容量增加和防止負極內縮產生的活性下降、硫酸鹽化都有積極的作用。硝基炭的添加可以與鉛形成絡合微網相態，改變鉛活性物質的電化學行為，位孔內的電解液促進了化學反應中硫酸根離子更快捷的到達活性物質表面。具有超級電容的作用和大電流放電的供液時差。硝基炭添加形成的導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微觀結構的沖擊，降低了整只電池的內阻。

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、用具的準備：試劑級濃硝酸（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，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。在燒杯內邊上插好水銀溫度計，量程范圍應大于120℃。隨時可以監控燒杯內溶液的溫度。緩慢將濃硝酸沿玻璃棒引流到燒杯的正中央沁入水中。此時溫度顯示上升很快，，當溫度升高到90℃時，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，而溫度測試點在燒杯邊上，存在測溫顯示滯后的現象，所以停加濃硝酸后溫度還會繼續上升到95℃或更高，可根據溫度上升的速度加快脫脂纖維的加入和加速攪拌，重點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。可用備用的電爐加溫到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20分鐘。如果溫度已經下降到90℃以下，可用電爐加熱升溫到90℃。停掉電爐，任其反應20分鐘。觀察脫脂纖維已經處于微黃色到焦黃色之間說明硝基化反應是適當的。色澤太淺是硝化不夠，可加溫促進硝基化的進行。若色澤太深是加硝酸太急，或加脫脂纖維太慢，可加速攪拌，比要時可補加純水降溫。

20分鐘的硝基化反應完成后可加入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。從環保考慮，濾液應重復利用。二次使用時可用電爐先預熱到50℃以上才按上述的方法注入濃硝酸。若硝基化反應完成的程度不夠時可輔助電爐加熱。同時掌握硝化液的含酸量。

硝基化反應時，操作者需戴好口罩及防酸手套。注意人身安全。

濾出物經涼干及低溫干燥，檢測其水份含量。在加入配方的添加劑時應剔除所含的水份，以保證實驗的嚴謹真實。

3.4制作實驗電池：將硝基炭按不大于1%的3個不同比例添加到原工藝配方的添加料中，進行小批量的和膏。和制的鉛膏視比重要達到原生產工藝要求的參數。每個配比所做試樣電池不能少于3只電池的涂膏量略有富余。試驗極板進入生產固化房按生產工藝進行高溫高濕固化和高溫低濕干燥。制作的樣品電池依據配入量不同分別標識A1，A2，A3，B1，B2，B3，C1，C2，C3，按原生產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小時率容量考核。在這個過程中沒出現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，做了5分鐘放電至20小時率的對比數值如下表：

4、結論:

4.1、特殊工藝制作的硝基炭做為負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、濃硝酸在工業上的規模使用對操作員工有較高的素質要求，真正應用于規模化生產還要有專用設備來制備量產的硝基炭添加劑。