木质素系膨胀剂的溶解状态对铅酸蓄电池性能的影响及机理研究

发布时间：2020-07-31 21:03

【摘要】：铅酸蓄电池自1859年由普朗特发明至今,在汽车和工业领域中的应用已经非常广泛。随着人们对汽车电池要求的进一步提升,循环寿命和适用范围已经成为制约铅酸蓄电池发展的关键因素。木质素系膨胀剂作为提升电池初始容量和低温性能的重要添加剂,应用上目前仍存在原料依赖进口、作用机理不明、产品质量检测复杂等问题。为解决上述问题,本研究从木质素系膨胀剂的溶解状态出发,探索了膨胀剂的溶解状态与电池性能之间的关联,研究了膨胀剂与铅离子及铅板之间的作用方式,补充了木质素系膨胀剂在铅酸蓄电池中的作用机理,为工业选用木质素系膨胀剂提供了新思路。本研究主要选取三种商用木质素系膨胀剂LC-V,LS-H和LS-U为原料,通过烷基桥联反应对其进行改性,得到分子量增大且溶解性能下降的产品。通过合膏、涂板、固化、化成等步骤制作实验富液电池,研究了木质素系膨胀剂对水混铅膏的黏度、固化铅板的形貌以及实验电池性能的影响。水混铅膏黏度的研究结果表明,水溶性木质素系膨胀剂可降低水混铅膏的黏度,且随着磺化度的增加,膨胀剂对水混铅膏黏度降低的效果增强,在添加量0.04 wt.%-0.30 wt.%(相对于铅粉的质量)的范围内,水混铅膏的黏度随水溶性木质素添加量的增加而降低。对比烷基桥联改性前后样品对电池性能的影响,表明样品改性后可增加铅板中三碱式硫酸铅的含量,提升常温条件下的动、静态充电接受能力,减弱电池20小时率容量和在-18℃条件下的低温放电性能。从木质素系膨胀剂的溶解状态出发,通过研究水溶性木质素对铅离子的结合能力及其在铅板上的吸附情况,探索了水溶性木质素在铅酸蓄电池中的作用机理。结果表明,水溶性木质素的亲水基团如羧基、羟基、磺酸基等均有利于木质素与铅离子的结合,并且结合程度随浓度的增加、温度的升高以及pH的升高而增强。在硫酸和水溶剂体系中,水溶性木质素均可吸附在铅板表面,抑制铅板的氧化还原过程。在铅酸蓄电池的放电过程中,水溶性木质素可通过在硫酸电解液中与铅离子结合,解除负极表面的产物抑制进而达到促进放电的效果。但水溶性木质素可部分吸附在铅板表面,增加充电的内阻,抑制铅板的氧化还原过程。利用CTAB沉淀法,探索了不同pH条件下木质素磺酸盐和磺化碱木质素中磺酸基、羧基和酚羟基的电离情况,结果表明磺酸基在pH 1.0-2.0之间均可完全电离,且在此pH范围内羧基和酚羟基未发生电离。通过对比样品在硫酸和水中的溶解情况可区分木质素磺酸盐和木质素羧酸盐,通过对比样品在水和乙醇中的溶解状态可区分水溶性木质素及碱木质素类。依据木质素样品在不同溶剂中溶解状态的差异,可指导木质素的快速筛选和甄别。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM912;TQ317
【图文】：

示意图,铅酸蓄电池,基本结构,示意图

华南理工大学硕士学位论文铅酸蓄电池的原材料回收再利用也是目前的研究热点[4,5]。经研收率极高，其污染只存在于生产和回收加工过程，如果严格控环境污染问题，铅酸蓄电池也可称得上是“绿色电池”。蓄电池的工作原理及制作过程电池的结构主要由正极板、负极板、电解液、隔板、安全阀、成，整体示意图如图 1-1 所示。

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反应方程式：上反应式可以看出，放电过程中负极活性物质消耗硫酸根离子，故负液 pH 降低，正极活性物质消耗氢离子，故正极板孔隙中的电解液程均需要电解液中的硫酸根和氢离子参与，故铅酸蓄电池的充放电效子浓度的关联较高。此外，除了以上正负电极发生的主要化学反应外反应也分别会在正、负极上发生。副反应主要是进行的电解水的反应需定期对电解液进行维护。蓄电池的制作过程可分为五大块，分别是合膏、涂板、固化、组装和的正负极铅膏的原材料虽然都是氧化铅粉，但不同的制作程序以及不使不同的正负极活性物质的形成，图 1-2 则为笔者实验室采用的负极作流程图。

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研究进展世界上最丰富的可再生资源，其三个主要成分是纤物质中，纤维素是含量最高的生物大分子，其次是质素是目前地球上最大的酚香化合物存储库，并且生产的 5000 万至 7 亿吨的木质素中仅有 1-2%用于烧的方式被浪费。因此，挖掘并利用木质素的潜力要的意义。述上储量最丰富的天然芳香族化合物。在植物细胞中维素和半纤维素紧紧缠绕在一起，在支撑细胞强度起着至关重要的作用。

【参考文献】