Результат интеллектуальной деятельности: ЭЛЕКТРОЛИТ ДЛЯ СВИНЦОВЫХ КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Изобретение относится к химическим источникам тока, в частности к составам электролитов, применяемым в свинцовых кислотных аккумуляторах, и может быть использовано при изготовлении аккумуляторных батарей для электромобилей, автомобилей с комбинированной энергоустановкой, а также для автомобилей с традиционным бензиновым двигателем.

Основным недостатком свинцово-кислотного аккумулятора является изменение в течение времени его электрических и эксплуатационных характеристик из-за необратимых процессов износа. К процессами износа аккумулятора относятся:

- сульфатация электродных пластин, заключающаяся в образовании крупных кристаллитов сульфата свинца, препятствующих протеканию обратимых токообразующих процессов;

- коррозия электродов, представляющая собой электрохимические процессы окисления и растворения в электролите материала электродов;

- оползание и осыпание активной массы положительных электродов из-за необратимых процессов разрыхления и нарушения однородности.

Для улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцово-кислотного аккумулятора вводят различные добавки в электролит или электроды аккумулятора.

Известен электролит для свинцовых кислотных аккумуляторов, включающий серную кислоту, нитрилотриметилфосфоновую кислоту, 1-оксиэтилендифосфоновую кислоту, сульфат кадмия и дистиллированную воду при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: серная кислота - 0,10-50,0, нитрилотриметилфосфоновая кислота - 0,001-0,1, 1-оксиэтилендифосфоновая кислота - 0,001-0,1, сульфат кадмия - 13-28, дистиллированная вода - остальное (RU, 2115198 C1, МПК Н01М 10/08, Н01М 10/22, 10.07.1998).

Наиболее близким аналогом предложенного технического решения является электролит для свинцовых кислотных аккумуляторов, включающий серную кислоту, дистиллированную воду и присадку, содержащую смесь фосфонкарбоновой кислоты с оксиалкилидендикарбоновой кислотой или с аминоалкилфосфоновой кислотой при весовом содержании смеси фосфоновых кислот, равном 0,004-0,015 мас. %, сульфат металла 10-18 мас. % (в пересчете на металл ⁿ⁺) и фторсодержащие поверхностно-активные вещества (на основе перфтороксаалкилсульфокислот или перфтороксаалкилкарбокислот) в количестве 0,01-0,1 мас. % по отношению к весу всей смеси при рН состава не более 0,8 (RU, 2267191 C1, МПК Н01М 10/08, 27.12.2005).

Недостатком известных электролитов является то, что они незначительно увеличивают ресурс и срок службы аккумуляторов. Кроме того, достаточно высокая концентрация серной кислоты (до 50 мас. %) и наличие сульфата кадмия в составах усиливают электрохимическую коррозию свинца решеток и токоотводов.

Техническим результатом изобретения является улучшение электрических и эксплуатационных характеристик свинцового аккумулятора, а также повышение срока его службы.

Данный результат достигается тем, что электролит для свинцовых кислотных аккумуляторов, включающий серную кислоту, фосфорсодержащее соединение, фторсодержащие поверхностно-активные вещества и дистиллированную воду, дополнительно содержит хитозан, в качестве фосфорсодержащего соединения содержит борат метилфосфита, а в качестве фторсодержащих поверхностно-активных веществ - фторангидриды перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 800-1000 при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Отличительной особенностью предложенного технического решения является то, что введение в состав электролита хитозана, фторангидридов перфторполиэфирокислот с молекулярной массой 800-1000 (ФПЭК) и бората метилфосфита при заявленном соотношении компонентов позволяет получить синергетический эффект улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцового аккумулятора и повысить срок его службы в 1,5 раза.

Введение указанных ингредиентов при иных массных соотношениях не позволяет получить синергетический эффект улучшения электрических и эксплуатационных характеристик свинцового аккумулятора.

Борат метилфосфита синтезирован в результате реакции взаимодействия 2 молей борной кислоты (H₃BO₃) с 3 молями диметилфосфита (C₂H₇PO₃) при температуре 120°С в течение 2 ч с постоянной отгонкой метилового спирта. Экспериментально установлена его способность предотвращать кислотную коррозию свинца в присутствии ФПЭК.

ФПЭК (ТУ 1229-027-27992970-01) представляют собой продукт окисления гексафторпропилена кислородом при температуре (-30)-(-65)°С в присутствии фтора при объемном соотношении фтора и кислорода (0,1-1,1):(98,9-99,9).

ФПЭК обладают высокой стабильностью в агрессивных средах, способностью значительно снижать вязкость и поверхностное натяжение водных растворов при различных, в том числе низких (до -40°С), температурах,

Хитозан (ТУ 9289-067-00472124-03) является аминополисахаридом. Его получают реакцией деацетилирования при обработке тонко измельченного хитина 30-50%-ным водным раствором NaOH при температуре 110-140°С в течение 4-6 ч. Полученный продукт сушат и измельчают. Имеет молекулярную массу 100-120 кДа, степень деацетилирования - 87-91%, рН 1% раствора хитозана в 2% уксусной кислоте - 3,6-3,8.

Хитозан - высокомолекулярное соединение, являющееся полиэлектролитом, поэтому он не увеличивает внутреннее сопротивление аккумулятора. Эффект действия хитозана основан на его коагулирующих свойствах и повышении вязкости электролита, что удерживает порошкообразные активные массы и продукты реакции на поверхности электродов, препятствуя их оползанию, осыпанию и вымыванию. Адсорбируясь на поверхности и остриях кристаллов сульфата свинца, хитозан тормозит их рост.

Технология приготовления электролита заключается в следующем.

В емкость с мешалкой подают расчетные количества дистиллированной воды по ГОСТ 6709-72 и бората метилфосфита, после перемешивания в течение 10-15 мин вводят серную кислоту аккумуляторную по ГОСТ 667-73, после перемешивания в течение 15-20 мин последовательно подают хитозан и ФПЭК. Полученный состав перемешивают в течение 20-30 мин.

Составы образцов предложенного электролита представлены в табл. 1. Примеры 4 и 5 являются контрольными.

Плотность полученных электролитов составляет 1,27-1,30 г/см³.

Для проведения сравнительных испытаний был приготовлен электролит по прототипу, содержащий 0,02 об. % присадки, состоящей из смеси глицинбисметилфосфоновой и нитрилотриметилфосфоновой кислот при весовом содержании смеси 0,01 мас. % и их соотношении 1:2, 15,0 мас. % восьмиводного сернокислого кадмия (в пересчете на металл) и фтор-ПАВ на основе перфтороксаалкилкарбокислот в количестве 0,05 мас. % по отношению к весу всей смеси при рН состава 0,8.

Образцы предложенного электролита по примерам и электролит по прототипу были залиты в свинцовые стартерные аккумуляторные батареи из 6 аккумуляторов с номинальным напряжением 80 В, номинальной емкостью 250 А·ч и максимальным током зарядки 50 А.

Испытания аккумуляторных батарей на сохранность заряда, выносливость (коррозионные и циклированием), а также сопротивление вибрации проводили по ГОСТ Ρ 53165-2008 «Батареи аккумуляторные свинцовые стартерные для автотракторной техники. Общие технические условия». Стандарт распространяется на свинцовые стартерные аккумуляторные батареи, используемые для пуска двигателей внутреннего сгорания, освещения и питания электрического оборудования на автотракторной технике (автомобилях, автобусах, тракторах и др.).

Результаты испытаний представлены в табл. 2.

Использование предложенного электролита в свинцовых кислотных аккумуляторах позволит улучшить их электрические и эксплуатационные характеристики, а также повысить срок службы аккумуляторов в 1,5 раза.