Tài liệu Công nghệ sản xuất ắc quy chì acid kín khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP. HCM SEMINAR MÔN HỌC “NĂNG LƯỢNG BỀN VỮNG” Đề tài: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT ẮC QUY CHÌ ACID KÍN KHÍ Mục lục 1. Tổng quan về ắc quy chì acid kín khí...............................................................................................1 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển ắc quy chì kín khí...............................................................1 1.2. phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động...............................................................................1 1.2.1. phân loại.............................................................................................................................1 1.2.2. cấu tạo.................................................................................................................................2 1.2.2.1. Ắc quy kín khí màng ngăn hấp phụ sợi thủy tinh....................................................2 1.2.2.2. Ắc quy gel kín khí......................................................................................................3 1.2.3. 2. Nguyên lý hoạt động..........................................................................................................3 Công nghệ chế tạo ắc quy chì acid kín khí.......................................................................................5 2.1. [2] 2.2. Sơ đồ tóm tắt quy trình sản xuất ắc quy chì kín khí công ắc quy Tia Sáng..........................6 2.3. Công nghệ sản xuất màng ngăn sợ thủy tinh...........................................................................6 2.4. Công nghệ sản xuất điện cực.....................................................................................................8 Tóm tắt sơ lược quy trình sản xuất chung của ắc quy chì acid kín khí...............................5 2.4.1. Tóm tắt phương pháp........................................................................................................8 2.4.2. Công nghệ trộn cao chì......................................................................................................8 2.4.3. Chế độ ủ sấy lá cực sau khi trát cao.................................................................................8 2.4.4. Công nghệ hóa thành.........................................................................................................9 3. Ưu điểm của ắc quy chì kín khí........................................................................................................9 4. ứng dụng của ắc quy chì kín khí.......................................................................................................9 Tài liệu tham khảo:..................................................................................................................................11 1. Tổng quan về ắc quy chì acid kín khí Ắc quy chì kín khí một dạng sản phẩm của ắc quy chì acid, nhưng được cải tiến về mặt kĩ thuật để hạn chế những nhược điểm của ắc quy chì acid thông thường. Nhằm nâng cao hiệu suất của ắc quy, tuổi thọ,công suất,… và đặc biệt là hạn chế tối đa sự thoát khí H2 và O2 , sự rò rỉ của chất điện li ra môi trường bên ngoài trong quá trình hoạt động. 1.1. Lịch sử hình thành và phát triển ắc quy chì kín khí Năm 1859 ắc quy chì acid Gaston Plate là ắc quy đầu tiên có thể được sạc bằng cách đảo ngược dòng điện đi qua nó, mô hình này gồm 2 diện cực chì được ngăn cách bởi một tấm cao su hình xoắn ốc, được sử dụng để cung cấp điện chiếu sáng đèn cho toa xe lủa khi dừng tại trạm Năm 1881 Camile Alphonse Faure cải tiến ắc quy chì acid với điện cực được tạo thành một mạng lưới chì, và mạ gắn lên đó một lớp oxit chì. Nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc của điện cực với dung dịch điện li. Năm 1938 cơ chế tái tổ hợp khí với khí oxy tạo ra được tái tổ hợp bởi điện cực cadminum. Công nghệ ứng dụng cho việc thêm chức năng tái tổ hợp khí cho pin Ni/Cd vào năm 1950, phát triển thành công pin Ni/Cd kín khí. Từ năm 1960 việc nghiên cứu cơ bản và phát tiến tới thực hiện các kết hợp thiết bị tái tổ hợp khí lên hệ thống ắc quy chì acid được thực hiện. Từ năm 1970 trở đi các phiên bản ắc quy chì kín khí lần lượt ra đời và ngày càng được cải tiến về chức năng. 1.2. phân loại, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 1.2.1. phân loại. Dựa vào các cải tiến kĩ thuật khác nhau của công nghệ kín khí người ta phân ắc quy chì kín khí thành 2 loại: Acquy kín khí màng ngăn hấp phụ sợi thủy tinh (AGM VRLA – Absorbent Glass Mat/ Valve Regulated Lead Acid): sử dụng màn ngăn sợi thủy tinh để bao quanh điện cực âm, điện cực dương,và hấp thụ chất điện ly bên trong tế bào, Màng ngăn này tương đối mỏng manh, có độ xốp, độ hấp phụ cao, và trở kháng tương đối thấp. Nó được nén giữa 2 điện cực, đảm bảo tiếp xúc tốt với bề mặt điện cực vì 1 màng ngăn này chính là nguồn cung cấp chất điện ly cho các phản ứng ở điện cực. Màng ngăn sợi thủy tinh không hấp thụ hoàn toàn chất điện ly mà có khoảng 210% khoảng không gian trống cho phép các phân tử khí oxi từ cực dương khuyếch tán tới cực âm thực hiện quá trình tái tổ hợp khí oxi tạo thành nước hạn chế sự mất hơi nước. Acquy AGM Gel (AGM GEL): sử dụng màng ngăn xốp polyethylen để ngăn cách giữa các điện cực. Màng ngăn này không hấp thụ các chất điện ly mà được gel hóa bởi chất điện ly gel, chúng vẫn được đặt giữa các điện cực và ngăn các điện cực tiếp xúc với nhau. Màng ngăn này tương đối bền, chất điện ly gel hóa có trở kháng tương đối cao, được đưa thêm vào nhằm giảm điện áp trong quá trình xả tốc độ cao. Tế bào điện hóa vẫn chứa dung dịch điện ly acid sulfuric nhưng phía trên điện cực được phủ một lớp gel, có tác dụng làm giảm tiến độ ăn mòn trong quá trình vận hành của acquy và cũng giúp ngăn chặn rất hiệu quả quá trình bay hơi của dung dịch điện ly. Trong lớp gel vẫn có những khoảng trống để vân chuyển các phân tử khí oxi từ cực dương đến cực âm để tái tổ hợp tạo thành nước. 1.2.2. cấu tạo 1.2.2.1. Ắc quy kín khí màng ngăn hấp phụ sợi thủy tinh 2 Ắc quy chì kín 3 1.2.2.2. Ắc quy gel kín khí 1.2.3. Nguyên lý hoạt động Ắcquy chì kín khí là một dạng sản phẩm của ắc quy chì acid nên nguyên lý hoạt về cơ bản sẽ tương tự như ắc quy chì acid thông thường: Quá trình xả: điện cực dương (PbO 2) và điện cực âm (Pb) tham gia phản ứng điện hóa và tạo ra sulfat ( PbSO 4), chất điện phân mất đi nhiều acid hòa tan tạo thành chủ yếu là nước, lớp chì sulfat tạo thành sẽ bám trở lại vào điện cực khi điện cực bị che phủ hoàn toàn bới lớp chì sulfat ắc quy sẽ ngừng quá trình xả. Quá trình xả tạo ra dòng electron từ cực âm qua dây dẫn và các dụng cụ đến cực dương của ắc quy. Phản ứng điện cực Cực âm Pb(s) + H2SO4(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e− Cực dương 4 PbO2(s) + H2SO4(aq) + 2H+(aq) + 2e− → PbSO4(s) + 2H2O(l) Phản ứng tổng cộng Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4(aq) → 2PbSO4(s) + 2H2O (l) Quá trình nạp: Trong quá trình sạc, lớp chì sulfat (PbSO 4) bị điện phân, cực âm hình thành cực chì, cực dương sẽ hình thành cực chì oxit, trong chất điện phân. Quá trình sạc được điều khiển bởi các electron buộc phải di chuyển từ cực dương đến cực âm của ắc quy. Phản ứng điện cực Cực âm PbSO4(s) + 2H+(aq) + 2e− → Pb(s) + H2SO4(aq) Cực dương PbSO4(s) + 2H2O(l) → PbO2(s) + H2SO4(aq) + 2H+(aq) + 2e− Phản ứng tổng cộng 2PbSO4(s)+ 2H2O(l)  PbO2(s) + Pb(s) +2H2SO4(aq) [1] ”Trong quá trình sạc khi hydro và oxi được sinh ra do quá trình điện phân nước ở cực dương: 4OH- - 4e  O2 + H2O ở cực âm: 4H+ + 4e  2H2 Khí hydro và oxi tạo ra: - Làm mất nước và thay đổi nồng độ dung dịch điện ly - Giảm độ bền cơ học của điện cực - Giảm hiệu suất của quá trình nạp - Gây ô nhiễm môi trường và hư hỏng các thiết bị, vì quá trình thoát khí mang theo hơi acid. 5 Sự thoát khi phụ thuộc vào bản chất của điện cực ( quá thế thoát khí trên điện cực). Sự thoát khí hydro phụ thuộc vào độ tinh khiết của chì, điện cực thông thường được làm bằng hợp kim chì ăntimon (Pb-Sb) đề đúc sườn cực. Do quá thế của hydro trên ăntimon nhỏ hơn chì nê ion H + dễ bị khử ở cực âm tạo thành khí hydro. Để tăng quá thế hydro người ta nghiên cứu đúc sườn điện cực bằng hợp kim có hàm lượng ăntimon thấp hoặc thay thế bằng hợp kim Pb-Ca, Pb-Sn, Pb-SnCd,… [1] Song song với quá trình sạc ở các điện cực là quá trình tái tổ hợp khí oxy như sau: Cực dương: H2O  O2 + 4H+ + 4e (1) khí oxi tạo ra sẽ tiến tới bề mặt điện cực âm thông qua màng ngăn. Và xảy ra phản ứng ở điện cực âm với lớp chì xốp. phương trình phản ứng: 2Pb + O2  2PbO (2) PbO tạo thành phản ứng với dung dịch điện ly acid sulfuric tạo thành PbSO 4 và H2O. Phương trình phản ứng: 2PbO + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O (3) H2O tạo thành tiếp tục bị điện phân tạo ra oxi theo phương trình (1). PbSO 4 bị điện phân tạo ra Pb và H2SO4 tiếp tục tham gia vào các phản ứng trên, các phản ứng này luôn diễn ra ở trạng thái cân bằng với nhau nên hạn chế sự thoát khí oxi. Phương trình phản ứng tổn cộng của quá trình tái tổ hợp khí oxi: O2 + 4H+ +4e  H2O”. 2. Công nghệ chế tạo ắc quy chì acid kín khí 2.1. [2] Tóm tắt sơ lược quy trình sản xuất chung của ắc quy chì acid kín khí Chì tinh khiết (⩾ 99,98% Pb) được nghiền thành bột trong hệ thống máy nghiền  bột chì được phối trộn với phụ gia dung dịch acid sulfuric và nước cất để tạo thành cao chì trong máy trộn cao  khi cao chì đạt được độ dẻo cần thiết sẽ được trát lên sườn cực ( lưới hợp kim Pb-Ca)  là cực sau khi trát cao được ủ, và sấy trong mấy ủ, sấy lá cực sau khi ủ sấy được lắp vào thung chứa dung dịch acid 6 sulfuric và tiến thành điện phân để tạo thành điện cực dương (PbO 2) và điện cực âm (Pb xốp) bằng dòng điện một chiều điện cực sau khi được tạo thành sẽ được rửa sạch acid và sấy khô bằng máy sấy khí trơ điện cực sau đó được đem đi gia công ( cắt, mài) để tạo thành các lá cực đơn hoàn chỉnh  lá cực đơn đạt yêu cầu sẽ được lắp ráp với các màng ngăn (sợi thủy tinh hoặc màng ngăn cố định gel) và cá phụ kiện khác của ắc quy như ( vỏ, tâm nối các điện cực song song,…) để tạo thành ắc quy thành phẩm.” 2.2. Sơ đồ tóm tắt quy trình sản xuất ắc quy chì kín khí công ắc quy Tia Sáng 7 2.3. Công nghệ sản xuất màng n 2.3. Công nghệ sản xuất màng ngăn sợ thủy tinh. 8 Màng phân các sợi thủy tinh có tác dụng ngăn không cho 2 điện cực tiếp xúc với nhau, hấp phụ dung dịch điện ly, cung cấp môi trường hoạt động cho các phản ứng điện cực. Tính chất của màng ngăn phụ thuộc vào các yếu tố: - Kích thước lổ mao quản - Hình dạng cảu lỗ mao quản. - Phân bố của lỗ mao quản. Màng ngăn sợi thủy tinh được tạo ra bằng cách dệt các sợi thủy tinh có độ dài và đường kính xác định để tạo thành màng ngăn mỏng. Các yếu tố này có thể được kiểm soát bởi đường kính và chiều dài của sợi thủy tinh. Về mặt lý thuyết tính chất màng ngăn sợi thủy tinh sẽ tuân theo các phương trình sau: Phương trình tính khả năng hấp phụ của dung dịch điện li Với l là khả năng hấp phụ của dung dịch điện li, r là đường kính trung bình của lỗ của vật liệu thủy tinh, γ là sức căng bề mặt.� là góc tiếp xúc. ƞ hệ số độ nhớt. t là thời gian, �p là sự chênh lệch áp suất giữa 2 đầu mao mạch. Ảnh hưởng của tốc độ di chuyển chất điện li thông qua các lớp sợi dệt ( giống như giấy lọc trong sắc kí giấy) phương trinh washburn theo Nakagaki và Osagawa được thay đổi: Với h là khoảng cách ngày càng tăng của các ion trong dung dịch điện, ƞ độ nhớt dung dịch điện li, f là mức độ quanh co của mao mạch, α là dung dịch điện li hấp thụ bới các sợi (trường hợp sợi thủy tinh α =0), τ là đường kính trung bình của lỗ mao quản trong vật liệu phân cách sợi thủy tinh, ρ mật độ điện tích, g là hệ số hấp dẫn. 2.4. Công nghệ sản xuất điện cực 2.4.1. Tóm tắt phương pháp 9 Bột chì đạt tiêu chuẩn về độ mịn, độ tinh khiết, độ oxi hóa và tỷ trọng được trôn với phụ gia ( barisulfat, ligin, carbon,…), nước cất và dung dịch acid sulfuric bằng máy trộn cao đến khi cao chì đạt độ dẻo cần thiết sẽ được chuyển đến máy trát cao để trát lên sườn cực (Pb-Ca) đã được đúc sẵn. Lá cực trát xong được xấy sơ bộ trong thiết bị ủ xấy tự động, sau đó được hóa thành bằng dòng điện một chiều trong dung dịch acid sulfuric loãng để tạo điện cực âm (Pb xốp) và cực dương (PbO 2) . Lá cực sau khi hóa thành được sấy khô bằng máy sấy khí trơ, sau đó được đem kiểm tra phân tích hàm lượng PbO2 cực dương, và PbO ở cực âm và đem lắp vào bình ắc quy. 2.4.2. Công nghệ trộn cao chì Quá trình trộn cao chì, hiệu suất cũng như chất lượng của cao chì bị ảnh hưởng bởi các yếu tố: độ oxi hóa, độ mịn của bột chì, thành phần và khối lượng phụ gia, lượng nước, lượng acid, thứ tự các bước tiến hành, thời gian cũng như nhiệt độ của quá trình trộn. Sau đây là số liệu tham khảo về công nghệ trộn cao chì của công ty ắc quy Tia Sáng. Bột chì có độ oxi hóa 77±3%PbO, kích thước hạt trung bình 3μm,tủ trọng bột 1,35±0,1 g/cm3, lượng bột chì 600-800kg/ mẻ trộn. Trộn theo phương pháp trộn ướt với lượng nước chiếm 10-11% so với lượng bột chì, nhiệt độ khống chế trong quá trình trộn <50oC, độ dẻo từ 252-253 máy trộn làm việc ổn định an toàn, cao chì đạt tỷ trọng phù hợp. 2.4.3. Chế độ ủ sấy lá cực sau khi trát cao Là chì sau khi trát được sấy nhanh để chóng dính sau đó chuyển sang hệ thống ủ sấy tự động với độ ẩm cao và nhiệt độ phù hợp, nhằm thực hiện phản ứng: 2Pb + O2 2PbO + Q Quá trình ủ được đặt trong phòng kín có gia nhiệt và thổi hơi nước bão hòa vào việc điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm thích hợp sẽ tiết kiệm năng lượng và thời gian ủ. Quá trình sấy được thực hiện tiếp theo quá trình ủ để làm chặt và khô là cực tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hóa thành. Yêu cầu của quá trình này là [PbO]>95%, [H2O]<1%, lá cực không rạn nứt. Sau đây là số liệu tham khảo của quá trình ủ và sấy của công ty ắc quy Tia Sáng: 10 Quá trình ủ: nhiệt độ 45oC, độ ẩm > 95%, thời gian ủ 24 giờ với là cực ắc quy khởi động ( độ dày ≤1,5mm) và 26 giờ với điện cực ắc quy cố định ( độ dày ≤3mm) Quá trình sấy với nhiệt độ 70oC, độ ẩm <65% thời gian sấy là 24 giờ với ắc quy khởi động ( độ dày ≤1,5mm) và 26 giờ với điện cực ắc quy cố định (độ dày≤3mm). 2.4.4. Công nghệ hóa thành Hóa thành theo bậc giúp giảm lượng điện năng tiêu thụ và thời gian hóa thành một cách đáng kể, do phương pháp hóa thành nhiều bậc giảm dần sẽ giảm thoát khí và nhiệt độ, nâng cao hiệu suất sử dụng dòng điện. Số bước hóa thành càng tăng thì lượng điện năng tiêu thụ và thời gian càng giảm, tùy theo loại điện cực mà có quá trình hóa thành có số bậc giảm khác nhau. 3. Ưu điểm của ắc quy chì kín khí Điện thế làm việc cao và ổn định Dễ chế tạo, nguyên liệu dễ kiếm, rẻ tiền Dung lượng có thể chế tạo lớn (1500Ah/ắc quy đơn) Sử dụng, bảo quản dễ dàng Khả năng thu hồi và tái sinh cao(>95%) Hạn chế tối đa sự thoát khí và bảo dưỡng, an toàn cho môi trường và thiết bị kết nối. Có thể dử dụng ở nhiều vị trí khác nhau, hạn chế tối đa sự rò rỉ của điện dịch acid. 4. ứng dụng của ắc quy chì kín khí Với những ưu điểm vượt trội so với ắc quy thông thường, ắc quy chì acid kín khí ngày càng ứng dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: - Trong lĩnh vực chiếu sáng - Trong viễn thông, thiệt bị UPS 11 - Trong công nghiệp vận hành các xe điện, robot. - Dùng để kich hoạt động cơ, xe máy, ô tô… - Dùng trong y tế để cung cấp nguồn điện đột xuất - Lưu trử điện năng. - Thiết bị an ninh - …. 12 Tài liệu tham khảo: Báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học đề tài ”nghiên cứu cải tiến công nghệ sản xuất ắc quy điện khô nhằm nân cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm nguyên vật liệu” Báo cáo kết quả nghiên cứu khoa học đề tài “Nghiên cứu tính ổn định và nâng cao chất lượng ắc quy chì acid kín khí khong bảo dưỡng sử dụng cho công nghiệp và dân dụng” Báo cáo bạch công ty cổ phần ắc quy Tia Sáng Technological progress II-I sealed lead/acid batteriesJ. Yamash,ita**, H. NaJcashima and Y. Kasai Yuasa Batteq Co, Lid . 6-6 Josaz-Cho. Tahatsukz, Osaha S69 (Japan) C&D technologies VLRA batteries ang their aplication Lead alloys for maintenance-free and sealed lead/acid batteries Cui Ronglong and Wu Shousong Chongqing WANLI Stomge Battery Co., Ltd., Kuzhuba Chongqing China Lead–acid battery, VRLA battery From Wikipedia, the free encyclopedia [1] trích dẫn ” Nghiên cứu tính ổn định và nâng cao chất lượng ắc quy chì acid kín khí khong bảo dưỡng sử dụng cho công nghiệp và dân dụng” [2] trích dẫn ”nghiên cứu cải tiến công nghệ sản xuất ắc quy điện khô nhằm nân cao chất lượng sản phẩm và tiết kiệm nguyên vật liệu” 13