阅读说明：本技术 一种铅酸蓄电池离子液体电解液及其制备方法 (Lead-acid storage battery ionic liquid electrolyte and preparation method thereof ) 是由 罗江水 尤金海 易滢婷 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及铅酸蓄电池技术领域,具体公开了一种铅酸蓄电池离子液体电解液及其制备方法,包括稀硫酸溶液和离子液体,所述稀硫酸溶液的密度为1.300g/cm～(3)～1.400g/cm～(3),稀硫酸溶液的含量为5～30％,离子液体的含量为70～95％。本发明将离子液体稀释硫酸溶液作为铅蓄电池的新型电解液。经过稀释的硫酸能避免电解液对电池零部件的过度腐蚀。此外由于提高了电化学窗口,降低了水含量,且离子液体较强的亲水性,能避免充电过程中水的电解及蒸发造成的水分缺失,提高了铅酸蓄电池的使用寿命和安全性。(The invention relates to the technical field of lead-acid storage batteries, and particularly discloses an ionic liquid electrolyte for a lead-acid storage battery and a preparation method thereof, wherein the ionic liquid electrolyte comprises a dilute sulfuric acid solution and an ionic liquid, and the density of the dilute sulfuric acid solution is 1.300g/cm 3 ～1.400g/cm 3 The content of the dilute sulfuric acid solution is 5-30%, and the content of the ionic liquid is 70-95%. The invention uses the ionic liquid diluted sulfuric acid solution as the novel electrolyte of the lead storage battery. The diluted sulfuric acid can avoid excessive corrosion of the electrolyte to the battery parts. In addition, because the electrochemical window is improved, the water content is reduced, and the ionic liquid has stronger hydrophilicity, the water loss caused by the electrolysis and evaporation of water in the charging process can be avoided, and the service life and the safety of the lead-acid storage battery are improved.)

一种铅酸蓄电池离子液体电解液及其制备方法

技术领域

本发明涉及铅酸蓄电池技术领域，特别涉及一种铅酸蓄电池离子液体电解液及其制备方法。

背景技术

21世纪以来，全球经济的飞速发展对化石能源的供应需求急剧上涨，而化石能源不可再生、日益匮乏的现状及造成的环境污染使得新型储能技术取得了长足的发展。铅酸电池因其原料丰富、制造工艺成熟、成品价格低廉、性能安全可靠等显著优势，在通信、交通、电力等各个领域内都得到广泛应用。

目前，在汽车起动、电动助力车、通信基站、工业叉车等诸多领域，铅酸电池始终仍然占据行业主导地位。但是，铅酸电池目前仍存在循环寿命短、活性物质易脱落等问题，影响了其尺寸的发展和使用。其次，铅酸电池充电后期负极析氢以及自放电导致电解液失水，负极极化电位与比表面积降低，电池内阻及离子扩散阻力增大，电池析氧剧烈，进而加速电池失效。此外，铅酸电池也存在汇流排和负极极耳腐蚀造成的负极活性物质脱落以及负极早期容量衰减等问题。而铅酸电池作为启动电池对低温和高温性能以及循环寿命也要求较高。以上缺点和要求对铅酸电池提出了新的挑战。

针对这些问题，科研人员进行了大量的有益的研究工作，提出了相应的解决方法，主要包括：(1)负极添加剂，如碳材料、导电聚合物、无机及金属氧化物材料等；(2)电解液添加剂，如硫酸盐、无机添加剂、气相二氧化硅和有机添加剂等；(3)新型铅酸电池，如卷绕式电池、超级电池、双极性电池等。

电解液作为铅酸蓄电池核心组成，具有非常重要的作用。传统铅酸蓄电池电解液极易在充电过程中发生水分解及水蒸发，导致电池使用过程需不断补充水分，并且电池零部件受电解液腐蚀，限制了其应用；尽管传统阀控式铅酸蓄电池能减少失水，但在长期的使用中仍需要补充一定的水分，开发出能避免腐蚀电池零部件，并且不需要补充水分的新型电解液迫在眉睫。

发明内容

本发明提供了一种铅酸蓄电池离子液体电解液及其制备方法，以解决现有的铅酸蓄电池在使用过程中需要不断补充水分，且电池零部件受电解液腐蚀的问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种铅酸蓄电池离子液体电解液，包括稀硫酸溶液和离子液体，所述稀硫酸溶液的密度为1.300g/cm³～1.400g/cm³，稀硫酸溶液的含量为5～30％，离子液体的含量为70～95％。

本技术方案的技术原理和效果在于：

1、本发明的铅酸蓄电池新型电解液具有(1)离子液体中的阴离子和阳离子的组合可以提供H⁺和SO₄ ^2-，会使得整个电解液里面H⁺和SO₄ ^2-的浓度特别高使得其倍率特性会超过传统的铅酸电池；(2)电导率高，少量水溶于离子液体，导致水的分解电压大大提高，铅酸电池实际运行过程不会发生水的电解，避免水消耗；(3)蒸汽压非常小，不挥发，不可燃，使用温度范围广，可以在0℃以下甚至100℃以上工作，可以循环使用，避免环境的污染和具有较高的安全性；(4)通过阴阳离子的设计可调节其不同离子液体组成。

进一步，所述离子液体为非质子型离子液体、质子型离子液体或两性离子液体中的一种或混合物。

进一步，所述非质子型离子液体的阳离子结构为以下结构式中的一种：

其中R1、R2、R3、R4、R5为烷基；非质子型离子液体的阴离子为HSO₄ ^-，其H⁺由HSO₄ ^-提供。

进一步，所述质子型离子液体的阳离子结构为以下结构式中的一种：

其中R1、R2、R3、R4、R5为烷基或H，质子型离子液体中阴离子为HSO₄ ^-或SO₄ ^2-，H⁺从阳离子和阴离子中获得。

进一步，所述两性离子液体的阳离子结构为以下结构式中的一种：

其中R1、R2为烷基或H；两性离子液体中阴离子为HSO₄ ^-或SO₄ ^2-，H⁺从阳离子或阴离子中获得。

公开了一种铅酸蓄电池离子液体电解液的制备方法，向离子液体中加入稀硫酸，搅拌混合均匀得到离子液体电解液。

有益效果：这样的制备方法简单易行，在常温下即可制备得到，易于规模化生产并可有效解决了传统铅酸蓄电池中水分解以及电池零部件腐蚀等问题，大大提高了其实用性和安全性。

进一步，采用所述离子液体电解液制成的铅酸蓄电池。

进一步，所述铅酸蓄电池的隔膜为高分子材料隔板或玻璃纤维隔板。

进一步，电解液中还包括咪唑类添加剂。

有益效果：微量的咪唑类添加剂能够降低电解液的粘度。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1：

一种铅酸蓄电池离子液体电解液，包括稀硫酸溶液和离子液体，本实施例1中稀硫酸溶液的密度为1.300g/cm³，稀硫酸溶液的含量(重量)为5％，离子液体的含量为95％，另外为了降低电解液的粘度，加入了少量苯并咪唑，本实施例中离子液体具体为：N-乙基吡啶硫酸氢盐。

制备方法为：向950g离子液体中加入50g密度为1.300g/cm³的稀硫酸，然后充分搅拌均匀得到电解液。

实施例2～20：

与实施例1的区别在于，实施例2～20的离子液体以及稀硫酸配比不同，具体见下表1所示：

其中实施例17为1,3-二甲基咪唑硫酸氢盐与N-乙基哌啶硫酸氢盐两种离子液体的组合，且各自的体积分数为50％；

实施例18为1,3-二甲基咪唑硫酸氢盐与2-磺酸乙胺硫酸氢盐的组合，且各自的体积分数为50％；

实施例19为N-乙基哌啶硫酸氢盐与2-磺酸乙胺硫酸氢盐的组合，各自的体积分数为50％；

实施例20中包括三种离子液体分别为：体积分数为40％的1,3-二甲基咪唑硫酸氢盐、40％的N-乙基哌啶硫酸氢盐和20％的2-磺酸乙胺硫酸氢盐。

表1为实施例1～20的配比表(表中“--”表示不含有)

对比例1：

与实施例1的区别在于，对比例1中稀硫酸的密度为1.20g/cm³。

对比例2：

与实施例1的区别在于，对比例2中稀硫酸的密度为1.40g/cm³。

对比例3：

与实施例1的区别在于，对比例3中稀硫酸的含量为2％，即离子液体的含量为98％。

对比例4：

与实施例1的区别在于，对比例4中稀硫酸的含量为50％，即离子液体的含量为50％。

实验：

将实施例1～20以及对比例1～4制备的电解液用于形成简易的铅酸蓄电池，其中负极材料为Pb，正极材料为PbO₂。

铅酸蓄电池的充放电机理为：

①放电时：

负极反应：Pb-2e^-+SO₄ ^2-＝PbSO₄

正极反应：PbO₂+2e^-+4H⁺+SO₄ ^2-＝PbSO₄+2H₂O

总反应：Pb+PbO₂+4H⁺+2SO₄ ^2-＝2PbSO₄+2H₂O

②充电时：

负极反应：PbSO₄+2e^-＝Pb+SO₄ ^2-

正极反应：PbSO₄+2H₂O＝PbO₂+2e^-+4H⁺+SO₄ ^2-

总反应：2PbSO₄+2H₂O＝Pb+PbO₂+2e^-+4H⁺+SO₄ ^2-

由于，本发明中水在稀硫酸溶液中的分解电压为1.23V，而水在离子液体中的分解电压要高于3V，因此实施例1～20的分解电压均超过了3V，而水的分解电压越高，铅酸蓄电池在实际运行过程中越不容易发生水解，这样其电解液中的水分消耗就越少。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体材料及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。