纳米硅胶体铅酸蓄电池

摘要：从原理上分析了纳米气相二氧化硅胶体铅酸蓄电池的特性，介绍了一种研究成果，应用于铅蓄电池的硅胶体的制造原理和方法。主要是利用表面化学的基本原理和电化学动力学催化的基本方法，应用纳米气相Si02溶胶的半导体掺杂电化学界面催化理论和纳米气相二氧化硅的表面改性理论，对纳米气相二氧化硅的表面改性，应用湿法改性：用有机改性，填加偶联剂和高分子表面活性剂和分散剂，如茶黄酸甲醛缩合物、聚丙稀酸、乙二醇、丙稀酸等。用无机改性，填加硼、磷、锡、硒等元素的化合物，都能达到改性的目的。使铅酸蓄电池具有克服了三种早期容量损失达到长寿命、大容量等优良的特性。
关键词：胶体铅蓄电池；半导体掺杂；二氧化硅表面改性；界面催化化学

0 引言
本文介绍了纳米硅胶体应用于铅酸蓄电池。无机纳米硅胶体(Gelled)是一种分散体系，是物质存在的一个特殊状态，而不是一种特殊的物质。笔者认为当前胶体铅酸蓄电池的技术原理定位不准确，是电化学热力学问题还是电化学动力学问题，若按胶体电解质铅酸蓄电池定位的技术路线，基本原理就解释不通，因其不参加成流化学反应。正确的是用表面化学的基本原理电化学动力学的方法去解释。无机纳米硅胶体铅酸蓄电池用纯度高的纳米气相二氧化硅(Furned SiO2)，胶体SiO2是作为纳米材料半导体掺杂、表面改性催化剂的理论来分析，若按照电化学催化理论，则SiO2作为催化剂载体，吸附催化金属粒子共同催化。各种粒子通过各种形式的键合锚定在载体的表面，表面经过改性的纳米颗粒载体的巨大表面积和微颗粒表面掺杂电子轨道的重迭激活载体强烈影响着催化剂的活性。而SiO2、Si(OH)、H2SiO3等在铅酸蓄电池中不按电化学热力学规律法拉第电解定律参与成流反应：双流反应中没有SiO2、H2SiO3等化合物的参加，所以它不是反应物，见反应方程式：
Pb+2H2S04+PbO2==2PbSO4+2H2O。
pH值对硅溶胶的胶凝时间影响最大，当硅溶胶pH值在7附近时胶凝最快，当pH值为2～4时比表面积和孔容最大，经试验也得到证实。而在显著的酸性、碱性范围内，胶凝时间大为延长，pH=2左右时为等电点，溶胶凝胶最慢。凝胶中若含有电解质，凝胶可以导电，参与半导体电子与电解液的电荷的传递作用。当凝胶度很大时，离子迁移速度减小，电导值将下降。

1 纳米硅胶体在铅蓄电池制造中的应用
目前国内外毫无例外的采用纳米气相SiO2(Fureed SiO2)俗称白炭黑，用其制作的胶体铅酸蓄电池性能优良，主要是气相二氧化硅纯净度好，颗粒度也很容易调整，所以活性好。经过具体试验，用常规的VRLA蓄电池的结构，用普通的AGM玻璃纤维隔板，AGM隔板也是SiO2为主要成分与极性分子H2O水化和硫酸反应也做催化载体。富液式结构，少量气相二氧化硅添加量和其他微量活性添加剂。就能得到高性能的电流输出，深循环条件下的优良性能，高的功率密度、高的充电效率(99．5％)，耐过充、充电重复性好，充电稳定性好(抗热失控)，作为电源系统中的蓄电池，要求其寿命期间免维护，长寿命，宽的工作温度，瓦时价格低，优异体积比能量，重量比能量，自放电率低。若按半荷电制式工作(Partial-stage of charge)以40％～60％的荷电在寿命期间能量输出增加三倍。在寿命试验中随着循环次数的增加其容量要比普通VRLA液式蓄电池衰减的慢。掺杂纳米胶体活性添加剂的铅酸蓄电池是进入新世纪的重大技术进展，随着纳米技术和高分子合成技术的进展，表面活性剂和硅、硼、钛、铝等聚合偶联剂综合合成技术的提高，纳米无机硅胶体铅酸蓄电池的综合技术水平还会有突破性的进展。这种铅酸蓄电池最适合应用在再生能源风能、太阳能发电储能系统，电力合闸直流电源系统，通信备用电源系统，军事、公安、商检、海关、高等院校、科研院所等机关事业单位，医院、银行、宾馆、饭店、商场等需要备用电源的部门。

2 无机纳米SiO2胶体半导体掺杂的电化学催化理论
在研究催化作用时，众所周知的过度金属是主要的金属催化剂和化学元素周期表中P区右上角非金属元素。这些非金属元素也是很重要的半导体电子催化元素。
位于化学元素周期表p区斜对角线的元素单质大都具有半导体性质。在形成半导体元素单质中硅、硼、磷和锗、硒被公认是最好的。半导体的能带理论已很成熟，导电能力能受掺杂的控制和调整，这在电子学中得到了广泛的应用。除单质掺杂半导体外，还有半导体化合物掺杂，化学元素周期表第Ⅲ主族与第V主族元素形成的化合物与第Ⅱ副族与Ⅵ主族元素所形成的化合物等。Si与Pb元素同族，都是C(炭)族(C Si Ge Sn Pb)，硼族元素Al与Cd的外层电子比Si的外层电子少，要形成P型掺杂，提供空穴型或称为P型半导体，而氧族元素Sb、S元素等比Si外层外层电子多，形成N型掺杂，电子是多数载流子，或称这些半导体为N型半导体，其导电率比P型半导体高，利用了半导体及其化合物对于纯度非常敏感这一原理，由于现代学科的互相渗透，其在电化学动力学即半导体电化学催化领域得到了出奇的应用。在半导体电极上的电化学反应涉及溶液中粒子和半导体电荷载流子之间的电荷传递。电荷传递反应动力学中体系的始态和终态能级相同时，发生电子传递的可能性最大。在表面态不存在的情况下电荷传递在溶液和能带中的能级之间直接进行。电流的大小取决于半导体中的能级和溶液中能级之间的重叠，重叠越多电流越大。