現(xiàn)代生活離不開電池，可以說電池技術(shù)改變了整個(gè)世界。其中，鉛酸蓄電池已歷經(jīng)160余年而不衰，并且牢牢占據(jù)二次電池的大半壁江山，是世界上產(chǎn)量最大、使用范圍最廣的一種化學(xué)電源。

鉛酸電池之所以達(dá)到這樣的市場占有率，除了其技術(shù)成熟、廉格低價(jià)、安全性高等傳統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)外，也與它在競爭中發(fā)展的許多新技術(shù)密切相關(guān)。比如說膠體蓄電池就是在傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型電池，又稱“免維護(hù)蓄電池”，具備不污染環(huán)境、自放電小、耐震動(dòng)性能好、耐超高溫、耐超低溫、電池性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

氣相二氧化硅

在膠體蓄電池中，有一種添加劑被大量使用，那就是“氣相二氧化硅”。氣相二氧化硅是一種白色無味的超細(xì)粉體材料，具有增稠、抗結(jié)塊、控制體系流變和觸變等作用，是一種應(yīng)用相當(dāng)廣泛的無機(jī)粉體材料，那它在膠體蓄電池中具體起到些什么作用呢？

關(guān)于膠體蓄電池

早在1957年，德國的Sonennschein公司就首度將氣相二氧化硅添加到H₂SO₄中，發(fā)明了讓電解質(zhì)固定的膠體密封鉛酸蓄電池，并在1996年時(shí)真正實(shí)現(xiàn)了膠體電池的產(chǎn)業(yè)化。

膠體鉛酸蓄電池與液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池相比，用膠體電解液代換了硫酸電解液，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，對極板的腐蝕作用弱；濃度均勻，不存在電解液分層現(xiàn)象，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。

隨著開發(fā)工作的進(jìn)一步深入，技術(shù)水平的逐漸提高，生產(chǎn)工藝的日漸成熟，預(yù)計(jì)在未來的5年內(nèi)膠體電池的份額將占到整個(gè)蓄電池的30%，而且還將以每年15%的速度遞增，這在一定程度也拉動(dòng)了對氣相二氧化硅的需求。

二氧化硅在膠體蓄電池中的作用

氣相二氧化硅以SiCl₄為原料，將SiCl₄與一定量的H₂和O₂（或空氣）在1800℃的條件下進(jìn)行氣相水解，生成納米級的氣相SiO2原生粒子，俗稱氣相法白炭黑。

氣相二氧化硅生產(chǎn)示意圖

高表面能的原生粒子SiO₂可通過氫鍵、靜電相互作用與≡Si-O-Si≡鍵發(fā)生橋聯(lián)作用進(jìn)行聚集，高溫條件下原生粒子相互碰撞、粘附和熔結(jié)形成相對穩(wěn)定且尺寸為100~500 nm的聚集體，最終氣相SiO₂的形貌、性能以及其應(yīng)用中表現(xiàn)出來的性質(zhì)就由這些聚集體結(jié)構(gòu)來決定；這些聚集體分散到水中，又通過分子間氫鍵、靜電相互作用和極性作用形成疏松的、尺寸大于1μm的不太穩(wěn)定的附聚集體，也就是凝膠過程，如下圖所示。這些附聚體經(jīng)過剪切、分散，SiO₂粒子能夠被破壞并回到聚集體狀態(tài)，這個(gè)過程就是氣相SiO₂的觸變特性。

氣相二氧化硅凝膠后的結(jié)構(gòu)示意圖

氣相二氧化硅在膠體蓄電池中主要就是利用它這種優(yōu)異的增稠觸變性能，示意圖如下。膠體電解質(zhì)由氣相二氧化硅和一定濃度的硫酸溶液按一定的比例配置而成，這種電解液中的硫酸和水被“存貯”在硅凝膠網(wǎng)絡(luò)中，呈“軟固態(tài)狀凝膠”，靜止不動(dòng)時(shí)顯固狀態(tài)。當(dāng)電池被充電時(shí)，由于電解質(zhì)中的硫酸濃度增加使之“增稠”并伴有裂隙產(chǎn)生，充電后期的“電解水”反應(yīng)使正極產(chǎn)生的氧氣通過這無數(shù)的裂隙被負(fù)極所吸收，并進(jìn)一步還原成水，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池密封循環(huán)反應(yīng)。放電時(shí)電解質(zhì)中的硫酸濃度降低使之“變稀”，又成為灌注電池前的稀膠狀態(tài)。因此，膠體電池具有“免維護(hù)”的作用。

氣相二氧化硅增稠觸變示意圖

總之，鉛酸蓄電池市場依然廣闊，隨著應(yīng)用技術(shù)的突破和價(jià)格的降低，氣相二氧化硅必能憑借上述優(yōu)勢在膠體蓄電池中得到更廣泛的應(yīng)用。

資料來源：

氣相二氧化硅在膠體蓄電池中的應(yīng)用，龍成坤，劉莉，段先健，王躍林。

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