太阳能风能储能高聚能胶体电池

1 国内外情况分析及研究的必要性

国外的胶体蓄电池，在技术方面德国阳光蓄电池公司和哈根公司为代表，德国阳光公司胶体蓄电池技术特点是，使用的凝胶剂以气相二氧化硅为主，在工艺方面它将电池所需要的硫酸以硫酸铅的形式储存在极板的活性物质中，该胶体电解质中含有水和少量的磷酸。

哈根公司则以硫酸钠或硫酸氢钠作为胶凝剂，胶体电解质中同样不含硫酸，而硫酸以硫酸钠或硫酸氢钠的形式存在。该胶体粘度很低，容易灌装电池；胶体在电池中使用前不充电时不凝胶，随充电的进行逐渐至完全凝胶。

德国胶体蓄电池技术成功的解决了胶体灌装和凝胶水化两大难题，开发了阀控式密封免维护胶体蓄电池。它不但完全不漏液，可以任意取向使用；而且消除了电解液分层和水化；使用寿命大幅度延长，且性能也优于同型号电池，这种胶体蓄电池的市场占有率较高。

截止到现在，国内的胶体蓄电池分为气相二氧化硅和硅酸钠胶体电池，气相二氧化硅胶体蓄电池因凝胶剂配方的研究无较大的突破，胶体电阻大。硅酸钠胶体蓄电池因胶体水化、漏液等退货率很高，市场占有率很低，这种胶体蓄电池的改进势在必行。国内的胶体蓄电池在技术上要赶超世界先进水平，学习德国胶体蓄电池的基本技术，但不是引进技术生产，而是自主创新，走自己的路，将胶体蓄电池综合性能赶上国外先进水平，胶体性能超过国外先进水平，造价远低于国外同型号产品，生产性价比高的胶体蓄电池是蓄电池行业的主题。

2 研究方法

研究方法之一：以纳米级二氧化硅（SiO2）为主要原料与硫酸反应，快速形成一种聚合性胶体结构，加入硅酸钠（Na2SiO3），使Na+沉淀到负极板表面增加导电性，从而提高蓄电池的充电接受能力，同时增加活性物质量、增加容量，加入柠檬酸三钠（NaC6H5O7）防止纳米级二氧化硅（SiO2）及其它物质沉淀，同时保持水份参与凝胶。

研究方法之二：研究蓄电池内化成工艺，此工艺在蓄电池内化充电过程中，适时地放电，迅速有效地抵消各种极化电压，加速蓄电池内化活性物质的转化过程，提高充电速度。此种蓄电池内化成工艺，不仅简化了极板水洗、干燥和电池补充电以及槽式化成的装片、焊接、取片等工序。而且缩短了蓄电池化成时间，节约能源，总化成时间在21小时左右完成（现有内化成工艺总化成时间约100小时），充电电量为3.0～3.5 C20，（现有的内化生产工艺充电电量为4.5～5.0C20）。

3 技术分析

为了充分应对全球气候变暖的威胁，世界各国均在研究和开发清洁能源。相比于其它类型的能源，风能和太阳能具有永不枯竭、无污染等特点，发展前景广阔。进入21世纪后，我国也大力发展风能、太阳能等各种清洁能源，尤其从2004年开始，中国风力发电装机容量快速增长，到2011年底，全国风电总装机总量已经增至2515万千瓦。

目前国内太阳能、风能储能用蓄电池大多是现有的密封型铅酸蓄电池，该蓄电池在技术性能上很难满足太阳能、风能储能使用，特别是深度放电和耐温变方面，使得用在储能方面的现有蓄电池失效报废率高。以上问题已经成为现有储能电池应用中最常见的问题。

本研究的核心技术是对储能铅酸电池的使用特点进行研究和设计，高聚能胶体蓄电池即是研究开发的新型的适用于太阳能、风能储能用的储能蓄电池，本太阳能风能储能高聚能胶体电池，电解质为创新开发的高份子聚合硅胶体电解质，该系列电池具有超长的使用寿命，放电能力强，免维护运行，安全环保，无污染，高聚能胶体蓄电池将是太阳能、风能储能用最优越的储能蓄电池。该电池创新性强，生产配方、工艺设计合理。关键技术具有独创性，且符合环保要求。试制产品经国家蓄电池监督检验中心检测和用户使用，表明其比能量、深放电循环寿命等技术水平超过国际先进水平，达到了储能用蓄电池的技术指标，具有较高的经济社会效益和良好的推广应用前景。

4 采用的关键技术与创新点

4.1 关键技术

化学上定义分散质粒子介于1-100nm的分散体系为胶体，对于胶体电解质来说的胶体，它是一种彼此连接的三维网络结构，一般胶体的形成要通过两个步骤。第一步是可逆阶段：以“弱”氢键合通过硅酸根离子（SiO4）作桥梁，把电液中（低PH值）的带正电荷的SiO2粒子联系起来，发生聚集作用；第二步是不可逆阶段，SiO2粒子间硅氧键（Si-O-Si）桥的形成，发生非常强大的分子间键合。通常完成第二阶段的胶体才可用于蓄电池。以上第二阶段SiO2粒子间硅氧键桥的形成，分子间键合的强弱，决定所使用的胶凝剂，目前胶体常用的胶凝剂有硅酸，硅酸盐及有机硅等。

经研究使用SiO2作原料生产胶体，SiO2粒径在7-45nm范围，表面积300-600m2/g，与KOH、LiOH、NaOH作成钾水玻璃、锂水玻璃、钠水玻璃，再分别与硫酸水溶液反应制成硅胶，这种胶有很高的初始粘度，触变性强，但其与VRLA蓄电池配合存在灌酸困难，在通过AGM隔板时，阻力较大，很难将电液渗透到极板中部，造成中部电解质不足，易发生枝晶短路问题，严重时产生热失控。此种成胶原理是德国阳光公司的技术，现普通在行业中使用，但此胶体技术无法与电池技术结合完善，那所谓的胶体技术只是理论，而不能转化为成果。目前亟待开发的胶体电池应是胶体技术与AGM隔板、PE隔板相适应的新型胶体。因此根据内化成、VRLA电池、AGM隔板、PE隔板实际情况设计和研发更适合太阳能、风能储能用胶体电池是我们研究的主要课题。

本太阳能风能储能高聚能胶体电池使用所配制的胶体，使用我们自行研发的胶体，更适应太阳能风能储能电池使用，具有凝胶不水化、电池电阻低的特点。该胶体由纳米级二氧化硅（SiO2）、柠檬酸三钠（NaC6H5O7）、硅酸钠（Na2SiO3）组成，以0.3%～0.6%的纳米级二氧化硅（SiO2）为主要胶凝成份，吸附稀硫酸、水，不仅如此，此电解质还改善蓄电池放电产物使其在生成PbSO4的同时生成PbSiO3，使PbSO4结晶中含有PbSiO3（容易溶解），加入的0.02%-0.7%的硅酸钠（Na2SiO3，使Na+沉淀到负极板表面增加导电性，从而提高蓄电池的充电接受能力，同时增加活性物质量、增加容量，胶体电解质中加入的0.01%-0.3%的柠檬酸三钠（NaC6H5O7）具有防止纳米级二氧化硅（SiO2）及其它物质沉淀的作用，同时还有保持水份参与凝胶的作用。

4.2 创新点

1）采用高分子聚合硅胶体电解质，高分子聚合硅胶体电解质的以下配方及配方比例为项目的创新点：0.3%～0.6%的纳米级二氧化硅（SiO2）；0.02%-0.7%的硅酸钠（Na2SiO3）；0.01%-0.3%的柠檬酸三钠（NaC6H5O7）。

由于此胶体的内阻小，充放电时温升极小，所以具有环保性能、大电流放电特性。小电流敏感性、快速充电特性、低温特性和耐温特性、使用寿命等综合性能价格比均优于目前国内外普遍使用的各种类型的铅酸蓄电池。

2）采用无酸雾内化成工艺；经过一系列的试验，该公司已找出了触变性聚合硅胶体电解质在胶体和溶液之间的临界点，因而可以轻而易举地将电解质以液态的形式灌注到电池槽，然后再化成，经过化成的电解质呈胶体状态，克服了传统化成工艺的空洞、酸雾外逸、气泡等种种缺陷，保证产品的比能量大。

该创新的蓄电池内化成完全模拟生极板的充放电特性导出的多级充放电工艺。初充电时，在第一阶段充分考虑生极板内生成硫酸铅的化学反应，以电流逐渐递增的方式对蓄电池生极板充电，使碱式硫酸铅耗尽，在中间阶段的3个小时时间段内，以高大电流充电，因此阶段槽压最高，正极电势变正约0.2V。当充电到某一定值后，再调整充电电流进行最后一阶段的充电，此阶段以递减电流充电。第二阶段至最后1小时充电前均进行去极化的1分钟放电，在充电过程中，使蓄电池的充电电流始终不超过蓄电池极板可接受的电流，蓄电池内部就不会有硫酸雾产生和排出。而常规充电一般采用三充两放的方法，在充电过程初期，没有考虑生极板的化学反应，使得充电电流不能被生极板完全接受，因而充电时间大大延长；内化成工艺的创新使蓄电池总化成时间缩短为（20±1）小时，充电电量为3.0～3.5C20，（现有的内化生产工艺一般需用100小时左右，充电电量为5.0～7.0C20）。

4.3 先进性

与国内外同类产品比较：质量比能量特性、大电流放电特性、快速充电特性、低温启动特性、耐温特性、深放电循环寿命、环保性能均由于采用各种类型的全密封免维护铅酸蓄电池而得到提高。

1）环保性能：高聚能胶体蓄电池采用触变性聚合硅胶体作为电解质，采用创新的密封内化成技术，生产全过程不产生腐蚀性气体，实现了制造过程无害化。这种电解液对人体无任何伤害，对厂房、建筑、设备、植物等无任何腐蚀和污染。废弃的高聚能胶体蓄电池对土地、河流、地下水也不存在污染问题。经华南理工大学有关部门，在废旧高聚能胶体蓄电池闲散的胶体中抽样检验结果，酸根的残留量仅为铅酸蓄电池的1/10，含氧、硅离子高达95%以上，能改善土壤的物理结构，是真正的环保型电池。

2）优异的质量比能量特性：高聚能胶体蓄电池质量比能量经检测为65Wh/kg。体积比能量为126Wh/L。而现有铅酸蓄电池的质量比能量小于37Wh/kg。用我们研究开发的高聚能胶体蓄电池取代现有铅酸蓄电池的优点：可节省制造成本；体积小，可提高燃油经济性；同时减轻了维修保养的工作量；也可以在恶劣的高低温工作环境下工作；在太阳能、风能储能使用上有着实际应用的现实和特殊意义。

3）现有铅酸蓄电池的质量比能量小于37Wh/kg，美国汽车工业协会制定的2015年蓄电池先进目标为50Wh/kg。而高聚能胶体蓄电池的质量比能量高达70Wh/kg，但其价格只是前者的1/3左右。

4）研究高聚能胶体蓄电池的另一个特性是蓄电池电阻极小，蓄电池工作时的离子迁移速度加强，在太阳能、风能储能使用过程中可充分适应深度放电，无最低放电电压限制，可在任何时间充电，节省电能，且电力充沛，给使用者带来极大的方便。高聚能胶体蓄电池的活性物质性能十分稳定，受外界触发变性又活泼，所以高聚能胶体蓄电池具有良好的电恢复功能，具有低温启动特性和宽松的耐温特性；与国内同类产品比较具有更大的优越性，可广泛用于太阳能、风能储能。

5）生产成本低。该产品是传统铅酸蓄电池的换代产品。其优越的性能价格比，将会有着广阔的应用前景。

5 结论

《太阳能风能储能高聚能胶体电池》技术在工艺技术等方面创新突出，有效解决了蓄电池比能低、循环寿命短的问题，完全适用太阳能风能储能要求。因其环保和高容量性能、优越的循环耐久能力，生产成本低、技术可靠、环境影响因素小，在蓄电池行业内推广应用的价值极高。此项目形成产业化并向社会推广应用后，社会效益和经济效益显著。