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 Tổng quan ắc quy chì acid kín khí .1 1.1 Lịch sử hình thành phát triển ắc quy chì kín khí .1 1.2 phân loại, cấu tạo nguyên lý hoạt động .1 1.2.1 phân loại 1.2.2 cấu tạo .2 1.2.2.1 Ắc quy kín khí màng ngăn hấp phụ sợi thủy tinh 1.2.2.2 Ắc quy gel kín khí 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 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 2.3 Công nghệ sản xuất màng ngăn sợ thủy tinh 2.4 Công nghệ sản xuất điện cực Tóm tắt sơ lược quy trình sản xuất chung ắc quy chì acid kín khí .5 2.4.1 Tóm tắt phương pháp 2.4.2 Công nghệ trộn cao chì 2.4.3 Chế độ ủ sấy cực sau trát cao .8 2.4.4 Công nghệ hóa thành .9 Ưu điểm ắc quy chì kín khí ứng dụng ắc quy chì kín khí .9 Tài liệu tham khảo: 11 Tổng quan ắc quy chì acid kín khí Ắc quy chì kín khí dạng sản phẩm ắc quy chì acid, cải tiến mặt kĩ thuật để hạn chế nhược điểm ắc quy chì acid thông thường Nhằm nâng cao hiệu suất ắc quy, tuổi thọ,công suất,… đặc biệt hạn chế tối đa thoát khí H2 O2 , rò rỉ chất điện li môi trường bên trình hoạt động 1.1 Lịch sử hình thành phát triển ắc quy chì kín khí Năm 1859 ắc quy chì acid Gaston Plate ắc quy sạc cách đảo ngược dòng điện qua nó, mô hình gồm diện cực chì ngăn cách cao su hình xoắn ốc, sử dụng để cung cấp điện chiếu sáng đèn cho toa xe lủa dừng trạm Năm 1881 Camile Alphonse Faure cải tiến ắc quy chì acid với điện cực tạo thành mạng lưới chì, mạ gắn lên lớp oxit chì Nhằm làm tăng diện tích tiếp xúc điện cực với dung dịch điện li Năm 1938 chế tái tổ hợp khí với khí oxy tạo tái tổ hợp điện cực cadminum Công nghệ ứng dụng cho việc thêm chức 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 phát tiến tới thực kết hợp thiết bị tái tổ hợp khí lên hệ thống ắc quy chì acid thực Từ năm 1970 trở phiên ắc quy chì kín khí đời ngày cải tiến chức 1.2 phân loại, cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2.1 phân loại Dựa vào cải tiến kĩ thuật khác công nghệ kín khí người ta phân ắc quy chì kín khí thành loại: Acquy kín khí màng ngăn hấp phụ sợi thủy tinh (AGM VRLA – Absorbent Glass Mat/ Valve Regulated Lead Acid): sử dụng ngăn sợi thủy tinh để bao quanh điện cực âm, điện cực dương,và hấp thụ chất điện ly bên tế bào, Màng ngăn tương đối mỏng manh, có độ xốp, độ hấp phụ cao, trở kháng tương đối thấp Nó nén điện cực, đảm bảo tiếp xúc tốt với bề mặt điện cực màng ngăn nguồn cung cấp chất điện ly cho phản ứng 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 phân tử khí oxi từ cực dương khuyếch tán tới cực âm thực trình tái tổ hợp khí oxi tạo thành nước hạn chế nước Acquy AGM Gel (AGM GEL): sử dụng màng ngăn xốp polyethylen để ngăn cách điện cực Màng ngăn không hấp thụ chất điện ly mà gel hóa chất điện ly gel, chúng đặt điện cực ngăn điện cực tiếp xúc với Màng ngăn tương đối bền, chất điện ly gel hóa có trở kháng tương đối cao, đưa thêm vào nhằm giảm điện áp trình xả tốc độ cao Tế bào điện hóa chứa dung dịch điện ly acid sulfuric phía điện cực phủ lớp gel, có tác dụng làm giảm tiến độ ăn mòn trình vận hành acquy giúp ngăn chặn hiệu trình bay dung dịch điện ly Trong lớp gel có khoảng trống để vân chuyển 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 Ắc quy chì kín 1.2.2.2 Ắc quy gel kín khí 1.2.3 Nguyên lý hoạt động Ắcquy chì kín khí dạng sản phẩm ắc quy chì acid nên nguyên lý hoạt tương tự ắc quy chì acid thông thường: Quá trình xả: điện cực dương (PbO 2) điện cực âm (Pb) tham gia phản ứng điện hóa tạo sulfat ( PbSO 4), chất điện phân nhiều acid hòa tan tạo thành chủ yếu nước, lớp chì sulfat tạo thành bám trở lại vào điện cực điện cực bị che phủ hoàn toàn bới lớp chì sulfat ắc quy ngừng trình xả Quá trình xả tạo dòng electron từ cực âm qua dây dẫn dụng cụ đến cực dương ắc quy Phản ứng điện cực Cực âm Pb(s) + H2SO4(aq) → PbSO4(s) + H+(aq) + 2e− Cực dương 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 trình sạc, lớp chì sulfat (PbSO 4) bị điện phân, cực âm hình thành cực chì, cực dương hình thành cực chì oxit, chất điện phân Quá trình sạc điều khiển electron buộc phải di chuyển từ cực dương đến cực âm 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 trình sạc hydro oxi sinh trình điện phân nước cực dương: 4OH- - 4e  O2 + H2O cực âm: 4H+ + 4e  2H2 Khí hydro oxi tạo ra: - Làm nước thay đổi nồng độ dung dịch điện ly - Giảm độ bền học điện cực - Giảm hiệu suất trình nạp - Gây ô nhiễm môi trường hư hỏng thiết bị, trình thoát khí mang theo acid Sự thoát phụ thuộc vào chất điện cực ( thoát khí điện cực) Sự thoát khí hydro phụ thuộc vào độ tinh khiết chì, điện cực thông thường làm hợp kim chì ăntimon (Pb-Sb) đề đúc sườn cực Do hydro ăntimon nhỏ chì nê ion H + dễ bị khử cực âm tạo thành khí hydro Để tăng hydro người ta nghiên cứu đúc sườn điện cực hợp kim có hàm lượng ăntimon thấp thay hợp kim Pb-Ca, Pb-Sn, Pb-SnCd,… [1] Song song với trình sạc điện cực trình tái tổ hợp khí oxy sau: Cực dương: H2O  O2 + 4H+ + 4e (1) khí oxi tạo tiến tới bề mặt điện cực âm thông qua màng ngăn Và xảy phản ứng 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 H2O Phương trình phản ứng: 2PbO + 2H2SO4  2PbSO4 + 2H2O (3) H2O tạo thành tiếp tục bị điện phân tạo oxi theo phương trình (1) PbSO bị điện phân tạo Pb H2SO4 tiếp tục tham gia vào phản ứng trên, phản ứng diễn trạng thái cân với nên hạn chế thoát khí oxi Phương trình phản ứng tổn cộng trình tái tổ hợp khí oxi: O2 + 4H+ +4e  H2O” Công nghệ chế tạo ắc quy chì acid kín khí 2.1 [2] Tóm tắt sơ lược quy trình sản xuất chung ắc quy chì acid kín khí Chì tinh khiết (⩾ 99,98% Pb) nghiền thành bột hệ thống máy nghiền  bột chì phối trộn với phụ gia dung dịch acid sulfuric nước cất để tạo thành cao chì máy trộn cao  cao chì đạt độ dẻo cần thiết trát lên sườn cực ( lưới hợp kim Pb-Ca)  cực sau trát cao ủ, sấy ủ, sấy cực sau ủ sấy lắp vào thung chứa dung dịch acid sulfuric tiến thành điện phân để tạo thành điện cực dương (PbO 2) điện cực âm (Pb xốp) dòng điện chiều điện cực sau tạo thành rửa acid sấy khô máy sấy khí trơ điện cực sau đem gia công ( cắt, mài) để tạo thành cực đơn hoàn chỉnh  cực đơn đạt yêu cầu lắp ráp với màng ngăn (sợi thủy tinh màng ngăn cố định gel) cá phụ kiện khác ắc quy ( vỏ, tâm nối 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 2.3 Công nghệ sản xuất màng n 2.3 Công nghệ sản xuất màng ngăn sợ thủy tinh Màng phân sợi thủy tinh có tác dụng ngăn không cho điện cực tiếp xúc với nhau, hấp phụ dung dịch điện ly, cung cấp môi trường hoạt động cho phản ứng điện cực Tính chất màng ngăn phụ thuộc vào yếu tố: - Kích thước lổ mao quản - Hình dạng cảu lỗ mao quản - Phân bố lỗ mao quản Màng ngăn sợi thủy tinh tạo cách dệt sợi thủy tinh có độ dài đường kính xác định để tạo thành màng ngăn mỏng Các yếu tố kiểm soát đường kính chiều dài sợi thủy tinh Về mặt lý thuyết tính chất màng ngăn sợi thủy tinh tuân theo phương trình sau: Phương trình tính khả hấp phụ dung dịch điện li Với l khả hấp phụ dung dịch điện li, r đường kính trung bình lỗ vật liệu thủy tinh, γ sức căng bề mặt.� góc tiếp xúc ƞ hệ số độ nhớt t thời gian, �p chênh lệch áp suất đầu mao mạch Ảnh hưởng tốc độ di chuyển chất điện li thông qua lớp sợi dệt ( giống giấy lọc sắc kí giấy) phương trinh washburn theo Nakagaki Osagawa thay đổi: Với h khoảng cách ngày tăng ion dung dịch điện, ƞ độ nhớt dung dịch điện li, f mức độ quanh co mao mạch, α dung dịch điện li hấp thụ bới sợi (trường hợp sợi thủy tinh α =0), τ đường kính trung bình lỗ mao quản vật liệu phân cách sợi thủy tinh, ρ mật độ điện tích, g hệ số hấp dẫn 2.4 Công nghệ sản xuất điện cực 2.4.1 Tóm tắt phương pháp Bột chì đạt tiêu chuẩn độ mịn, độ tinh khiết, độ oxi hóa tỷ trọng trôn với phụ gia ( barisulfat, ligin, carbon,…), nước cất dung dịch acid sulfuric máy trộn cao đến cao chì đạt độ dẻo cần thiết chuyển đến máy trát cao để trát lên sườn cực (Pb-Ca) đúc sẵn Lá cực trát xong xấy sơ thiết bị ủ xấy tự động, sau hóa thành dòng điện chiều dung dịch acid sulfuric loãng để tạo điện cực âm (Pb xốp) cực dương (PbO 2) Lá cực sau hóa thành sấy khô máy sấy khí trơ, sau đem kiểm tra phân tích hàm lượng PbO2 cực dương, PbO cực âm đem lắp vào bình ắc quy 2.4.2 Công nghệ trộn cao chì Quá trình trộn cao chì, hiệu suất chất lượng cao chì bị ảnh hưởng yếu tố: độ oxi hóa, độ mịn bột chì, thành phần khối lượng phụ gia, lượng nước, lượng acid, thứ tự bước tiến hành, thời gian nhiệt độ trình trộn Sau số liệu tham khảo công nghệ trộn cao chì 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 trình trộn 95%, [H2O] 95%, thời gian ủ 24 với cực ắc quy khởi động ( độ dày ≤1,5mm) 26 với điện cực ắc quy cố định ( độ dày ≤3mm) Quá trình sấy với nhiệt độ 70oC, độ ẩm 95%) Hạn chế tối đa thoát khí bảo dưỡng, an toàn cho môi trường thiết bị kết nối Có thể dử dụng nhiều vị trí khác nhau, hạn chế tối đa rò rỉ điện dịch acid ứng dụng ắc quy chì kín khí Với ưu điểm vượt trội so với ắc quy thông thường, ắc quy chì acid kín khí ngày ứng dung rộng rãi nhiều lĩnh vực khác như: - Trong lĩnh vực chiếu sáng - Trong viễn thông, thiệt bị UPS 11 - Trong công nghiệp vận hành xe điện, robot - Dùng để kich hoạt động cơ, xe máy, ô tô… - Dùng y tế để cung cấp nguồn điện đột xuất - Lưu trử điện - Thiết bị an ninh - … 12 Tài liệu tham khảo: Báo cáo kết 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 tiết kiệm nguyên vật liệu” Báo cáo kết nghiên cứu khoa học đề tài “Nghiên cứu tính ổn định nâng cao chất lượng ắc quy chì acid kín khí khong bảo dưỡng sử dụng cho công nghiệp 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 nâng cao chất lượng ắc quy chì acid kín khí khong bảo dưỡng sử dụng cho công nghiệp dân dụng” [2] trích dẫn ”nghiên cứu cải tiến công nghệ sản xuất ắc quy điện khô nhằm nân cao chất lượng sản phẩm tiết kiệm nguyên vật liệu” 13 ... điểm ắc quy chì kín khí ứng dụng ắc quy chì kín khí .9 Tài liệu tham khảo: 11 Tổng quan ắc quy chì acid kín khí Ắc quy chì kín khí dạng sản phẩm ắc quy chì. .. tắt quy trình sản xuất ắc quy chì kín khí công ắc quy Tia Sáng 2.3 Công nghệ sản xuất màng ngăn sợ thủy tinh 2.4 Công nghệ sản xuất điện cực Tóm tắt sơ lược quy trình sản. .. khác ắc quy ( vỏ, tâm nối 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 2.3 Công nghệ sản xuất màng n 2.3 Công