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电解液中碳酸盐含量及碳酸盐含量对铁镍电池的影响

发布时间:2017-02-02      文章来源:lunwen5u.com

摘要
        随着社会的发展电池已将离不开人们的生活,大到航空航天,卫星监测。小到手机电脑、电视遥控器、儿童玩具。电池在人们生活中扮演着愈加重要的角色。铁镍电池更是对新社会发展有重要的作用,更应用于太阳能,风力发电,电力汽车等领域。
        通过生活中对电动车使用电瓶使用时间的观察,发现电车电瓶随充电次数的增加电池容量逐步递减变,电池容量越来越小,以至于最终变废,对新旧电池电解液进行测定发现新旧电池电解液中的碳酸盐含量有着明显的差别,新电池点碳酸盐含量近于无,而电池废液中的碳酸盐含量能达到50多克每升,说明电池在使用过程中电解液中有碳酸根离子生成。
        了解电解液中碳酸盐的含量对电池的影响,更进一步的掌握应该在何时更换电解液,延长电池的使用寿命,是本研究的方向。通过蒸发使气液分离,标定盐酸溶液测定碱性电池电解液中氢氧根和碳酸根的含量,滴定法为最普遍验证溶液中含量的方法。
本文通过实验方式就碳酸盐含量对电池的影响进行分析,并用蓝电测试系统对电解液中不同浓度碳酸根含量的铁镍可充电电池进行电容测定。
 关键词:盐酸的标定,电解质中碳酸盐,碳酸盐含量,电容

 
Abstract
 
With the development of society, the battery has been separated from people's lives, big to aerospace, satellite monitoring. Small to mobile phone computer, TV remote control, children's toys. Battery plays a more important role in people's life. Nickel iron battery is an important role in the development of new society, but also used in solar energy, wind power, electric vehicles and other fields.
Through the life of electric vehicle using the battery usage time of observation found tram battery with charging times increased battery capacity gradually change, battery capacity is getting smaller and smaller, that eventually become waste, of old and new batteries electrolyte measured carbonate content in the old and new battery electrolyte have obvious difference, new battery carbonate content is close to none, and the battery waste carbonate content can reach more than 50 grams per liter, indicate the battery in use in the process of electrolyte in a generation of carbonate ion.
To understand the influence of carbonate content in the electrolyte on the battery, it is the direction of this study to further master when to replace the electrolyte and to prolong the service life of the battery. By evaporation of the gas-liquid separation and calibrate hydrochloric acid solution was alkaline battery electrolyte hydroxyl and carbonate content, titration method is the most common validation content in the solution method.
This article through experiments on carbonate content of the battery effect are analyzed, and electric blue test system of electrolyte of different concentration of carbonate content Fe Ni MH rechargeable battery for capacitance measurement.
KeyWords:Calibration of hydrochloric acid   Carbonate in electrolyte  Carbonate content   capacitance


一、 引言
        在社会高速发展的今天,保护环境可持续发展成了时代发展的主题。石油、煤还有天然气在工业发展下被快速消耗,为了减小当前社会环境污染的危机,各个国的研究人员都在寻找绿色无污染新能源。铁镍电池既爱迪生之后被重新提出来更是成为了当今社会新能源研究的方向。铅酸、铬镍电池是蓄电池行业市场中消费最大的,这些可充电电池所用的材料多数为重金属和放射性的物质等对环境污染较大的物质,极不利于可持续发展。而使用铁、铁的化合物做电池材料的铁镍电池,无毒无污染,而且放电的比容量高,在以绿色化学为主题的当今社会下,铁镍蓄电池(爱迪生电池)将很有可能代替铅酸、铬镍等蓄电池。
        电池是可以将化学能转变为电能的装置,是电解质溶液金属电极产生电流的槽、杯或复合容器中的空间。并且电池具有正极负极的区分。在科技高速发展的今天,如今的电池成为了能够产生被利用电能的小型装置。比如太阳能电池电动势比能量、容量电阻是电池的主要参数,很好的反映电池的性能。使用电池作为能量的来源,能够得到稳定电压和稳定的电流,并且可以长时间提供稳定供电,而且受外界的影响较小的电流。电池的结构很简单,而且方便携带,充电和放电次数很多,在操作上也是简便易行,不受外界的温度与气候的影响,同时电池的性能很稳定。在人们生活的各个方面都可以发挥着很大作用。
        铁镍电池又叫做爱迪生电池,1902年的5月28日,爱迪生宣布发明了一种新的蓄电池品种铁镍电池。这种电池比以前用的铅酸电池重量轻,而且使用寿命长。
        铁镍电池的发明很大程度的延长了电池的使用寿命,曾经一度装于战斗坦克中使用,由于比较笨重,曾被淘汰过一段时间。在21世纪的今天铁镍电池再次被重新提出,并被大多数人所研究,铁镍电池的无污染非常符合当今社会提出的无色化学。而且寿命很长,更换电解液就可以重复使用。更是用于现如今的航空航天,电动公交汽车,风力发电和太阳能发电中。
        电解液可以应用在不同的行业和生活中,在各个行业中所代表的内容相差也较大。是一个意义广泛的词。
电池用电解液阴极的好处有很多个方面。首先使用电解液所制造的电解电容,可以通过波峰焊,因为它能够最高承受接近260度的高温,这样就能增强它的耐压性能。其次对于提升电池的电容量的帮助也很大,因为介质与液体的接触面积较大。
        研究人员把电解液当作电池负极的电解电容,只要所击穿介质的电流不是持续电流,那么当介质被击穿之后电容也能够逐渐自愈。可是电解液也会有它的不足之处。第一电解液所采用的离子导电法,它的导电率很低,仅有0.01S/CM,这便造成了电池电容的ESR值(等效串联电阻)会变的特别高.第二因为在高温环境中电解液容易挥发、渗漏,所以电解液对电池的使用寿命和稳定性的影响也是会变的,电解液在高温条件下可能会被瞬间被汽化,并且因体积增大引发爆炸。
        开口可充电电池在使用中,因为电池的充放电过程,空气中的二氧化碳能够电池电解液中的氢氧化物反应,这样就降低了氢氧化物的浓度,生成碳酸盐,使导电性能变差。增大了电池内阻,影响性能,因此便需要定期更换电解液。一般情况下,当电池电解液中碳酸盐的含量超过50g/L时,需要更换新的电解液,否则会使电池的容量将会降低,严重时将会影响电池的使用寿命,最终甚至可以将电池报废。所以在电池的使用中,我们应在电解液中的碳酸盐的含量过低时及时更换电解液,这样可以延长电池寿命,同时还要保证电池的工作能力和系统安全。
  铁镍可充电电池的工作原理,电池内部的导电离子可以由电解质提供,有的电解质也能参加电极的反应而被消耗。大多数为无机电解质的水溶液,固体电解质、熔融盐电解质、非水溶液电解质,有机电解质也占小部分。关于铁镍电池的反应如下 :
第一阶段:Fe+2NiOOH+2H2O——2Ni(OH)2+Fe(OH) 2             ①
第二阶段:3Fe(OH)2+2NiOOH——2Ni(OH)2+Fe3O4+2H2O      ②
总反应:3Fe+8NiOOH+4H2O——8Ni(OH)+Fe3O4                      ③
由① 、②、 ③知电池在充电和放电的过程中不消耗电池的电解液,但可以吸收或放水改变电解液液面的高度。
一般情况,电池的电容会随着电解液中的有害杂质的增多减少。比如电解液中的有碳酸盐 和硫酸盐杂质的增多会严重影响电池的寿命.电解液的电阻力变大,在低温是可以使结晶,电极板的微孔被杂质结晶堵住,电池的容量会很明显的下降。电解液中碳酸根离子还能够与负极板反应成附着极板的表面的碳酸镉,使电池内阻增大,容量变小,并且降低电池的使用寿命。所以我们应及时更换碳酸盐含量较高的电解液,以延长电池的使用年限。
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二、实验部分:
1实验仪器与试剂
实验仪器:
  仪器:酸碱滴定管(50ml)
        恒温磁力搅拌器(河南中良科学仪器有限公司)(.与普通磁力搅拌器相比,恒温磁力搅拌器具有灵敏度高,可控性强,温控范围广的特点)
        分析天平(福州亿森 瑞士梅特勒。可精确测量到0.1mg)
电子称
烘干箱(天津普林特环境实验设备有限公司,对实验用品进行烘干脱水处理,减小对实验误差的影响)
按仪器说明准备好仪器,分析天平要放置水平
电池蓝电测试系统(可进行恒流充电、恒流放电、恒压充电、静置等操作)
实验试剂:
名称            分子式       纯度     产地
氢氧化钠         NaOH         AR       北京红星化工厂
无水碳酸钠       Na2CO3        AR       国药集团化学试剂有限公司
浓盐酸           HCl          GR       洛阳市化学试剂厂
氯化钡           BaCl2         CR      北京红星化工厂
酚酞                          CR       
溴甲酚绿-甲基红                CR
电解液原液 1#未使用;2#,3#使用30次以上(电解液中碳酸盐以碳酸钾为主)
实验用水均为去离子水
2溶液配置:
(1)25% BaCl2  称量25g BaCl2加去离子水溶解,定容于100ml容量瓶待用
(2)5mol/L HCl取110ml浓盐酸定容于250ml容量瓶标为甲液 待用
(3)电解液样液NaOH/Na2CO3混合液,20gNaOH,0.30720g Na2CO3定容与100ml容量瓶中。待用
 
3实验步骤。
3.1标定盐酸标准溶液
取甲液100ml定容于500ml容量瓶标为乙液,取甲液1ml定容于500ml容量瓶标为丙液。分析天平精确称量无水碳酸钠1.3-1.4g溶于50ml水标定乙。称量0.02-0.03g无水碳酸钠溶于50ml去离子水标定丙液。(碳酸钠为在150-300C°烘干两小时)。
盐酸浓度的计算c(HCl)=m*1000/(V1-V2)M
m为无水碳酸钠的质量,
M=52.998 ,
V是使用盐酸的体积
3.2电解液样液测定
实验原理:
盐酸滴定碱性电池电解液必须先除去电解液中的OH根离子然后再进行滴定
①Na2CO3+BaCl2——BaCO3↓+ 2NaCl
            NaOH+2HCl═NaCl+H2O
② BaCO3+2HCl——BaCl2+ H2O + CO2
③2HCl + Na2CO3 → 2NaCl + H2O + CO2
OH-的测定:取一定量待测液(电解液)分别置于锥形瓶中,并加入去离子水70ml,混匀,移取2mL的25%的BaCl2溶液加入锥形瓶中,摇匀放置15分钟左右后滴加2滴1%的酚酞试液。溶液变红。用盐酸乙滴定至红色。记录盐酸用量。
CO32-的测定:
将上液再滴加10滴指示液溴甲酚绿-甲基红,溶液变绿。用盐酸丙滴定至出现暗红色,然后煮沸此溶液2-3分钟,冷却后,观察颜色变至无色,继续滴定至出现暗红色(半分钟不褪色)。记录盐酸用量。
3.3电解液中OH-的测定
取1#,2#,3#电解液一定量分别置于锥形瓶中,并加入去离子水70ml,混匀,移取2mL的25%的BaCl2溶液加入锥形瓶中,摇匀,静置15分钟左右,然后后滴加2滴1%的无色酚酞试液。溶液变红。用盐酸乙,滴定至红色。记录盐酸的使用体积
3.4电解液中CO32-的测定:
将3.3得到的产品分别再滴加10滴指示液溴甲酚绿-甲基红,溶液变绿。用盐酸丙滴定至出现暗红色,然后煮沸此溶液2-3分钟,冷却后,观察颜色变至无色,继续滴定至出现暗红色(半分钟不褪色)。记录盐酸丙液的使用体积
3.5电解液中碳酸盐含量对铁镍电池使用时的影响
借用                                    用电池蓝电测试系统协助陈老师进行电池电解液对电池负极电容影响的测试。取电解液原液在电池蓝电测试系统中进行多次充放电测试记录电解液中碳酸盐含量在1%,5%,10%,15%时的电池放电比容量。并进行分析。
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三、结果与讨论
1标准盐酸标准溶液的标定结果

Na2CO3
1.36483 25.45  
1.34806 24.75  
V2 0.05 0.1
0.02248   35.01
0.02365   37.21
计算结果:
乙液盐酸的浓度为1.02275mol/L
丙液盐酸的浓度为0.01212mol/L
2电解液样液的测定结果:
移取量为配置混合液的量为2ml
测量步 消耗盐酸的量(ml)
a)1.02275mol/L的盐酸 9.7 9.4 9.5 9.1
b)0.01212mol/L的盐酸 6.5 8.6 9.0 7.45
计算NaOH、Na2CO中OH-、CO32-的理论含量值
c(OH-)=20/(40*0.1)mol/L=5mol/L
m(CO32-)=(0.307208*60*1000)/(106*0.1)mg/L=1738.91mg/l
测定结果
c(OH-) (mol/L) 4.96 4.81 4.86 4.65
m(CO32-) (mg/l) 1181.7 1563.48 1636.2 1745.28
上表与理论值比较表明第一步的盐酸滴定量将严重影响碳酸盐的滴定和结果误差的大小,由于酚酞变色后处于无色更加难以控制盐酸的滴定量,并且盐酸的浓度与盐酸丙液相比高出太多,盐酸的滴定的过少反应则不完全,过多将直接发生下一步的反应因此实验时应严格控制第一步盐酸的滴定速度,溶液快变为无色时应控制速度在半分钟一滴甚至一分钟一滴或半滴。这样可以使碳酸盐的计算更接近准确值。除去第一组计算实验误差在5%左右,由于电解液中碳酸盐含量超过50g/L时,要更换点解液。所以本实验5%的误差是可以接受的。
样品的测定结果
  1.02275mol/L HCl 0.01212 mol/L HCl
1#(取5ml) 29.51 13.34
28.9 13.64
2#(取1ml) 5.55 44.1
5.6 50.5
3#(取0.5ml) 2.85 27.95
3.00 25.30
 
计算结果:
1#电解液样品中碳酸根的含量为977 mg/l。
2#电解液样品中碳酸根的含量为17452 mg/l。
3#电解液样品中碳酸根的含量为18907 mg/l。
进而得出
1#电解液样品中碳酸盐的含量为2.25g/l
2#电解液样品中碳酸盐的含量为40.14g/l
3#电解液样品中碳酸盐的含量为43.49g/l
结果表明:
1#为刚更换的电解液原液,电解液中的碳酸盐含量接近于0,而2#和3#的电解液中的碳酸盐含量已经达到了40g/l。所以电解液中的碳酸盐含量会随着电池充放电次数的增加而逐渐增多。2#和3#点解液样液,尤其3#电解液原液已经达到了电解液更换标准,所以应注意尽快更换电解液以避免降低电池使用寿命。减少更换电池对环境的污染。
 
3碳酸根含量对铁电池负极电容的影响测定结果:
电解液含量1%的样液电池的放电比容量的260mah/g
电解液含量5%的样液电池的放电比容量的251mah/g
电解液含量10%的样液电池的放电比容量的230mah/g
电解液含量15%的样液电池的放电比容量的221mah/g
结果分析:
 
图1:碳酸根含量对铁电池负极电容的影响
对图1进行计算机分析:
 
图2
结果表明:实验误差Error在误差允许范围。电池电容随碳酸根含量的增多而程正比例减少,当碳酸盐含量浓度达到一定程度时将严重影响铁镍电池的电池容量,继续使用将会很严重的对电池的使用寿命产生,因此我们应多关注电池电解液中的碳酸盐含量,及时的更换电池电解液来延长电池的寿命,这样更抑郁国家的可持续发展政策。
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四结论
本文主要通过简单的滴定实验对使用不同程度的电池电解液进行了碳酸盐含量的测定探究。又用电池蓝电测试系统对电池使用过程中碳酸盐含量的不同进行了电池放电比容的测定探究。得到如下结论:
(1)滴定法测定电解液中碳酸盐含量,前后使用盐酸浓度差较大,先一步实验时应该严格控制盐酸的滴定量以减小后一步对碳酸根含量测定的影响,应该重复多次实验进行数据比较取合理数据进行分析讨论。结果表明,通过对123号样品的分析电解液中碳酸盐的含量会随着电池充放电次数的增加逐渐变多。未使用的电解液原液中的碳酸盐含量接近与无,而使用一定程度的电解液中的碳酸盐含量已经增多到43.49g/l。
(2)通过电池蓝电测试系统对电池使用过程中电解液中的不同碳酸盐含量的放电比容测定可以得出:电池的放电比容随电解液中的碳酸根含量的增加程正比例函数逐渐变小。
参考文献:
碳酸盐测定方法现状及方法比较  郁慧福 (国家海洋局第一海洋研究所)
碱性锌锰电池的工作原理及研究进展  陈献宇 (株洲冶炼厂技术中心)
含有机酸的油田水 中碳酸盐含量的确定  张玉平
电感耦合等离子体原子发射光谱法快速测定氢氧化钾中微量碳酸根含量
高建欣(汤浅 (天津 )实业有限公司 天津 300387)
航空镍镉蓄电池碳酸盐含量现场检测技术研究  李长虹 信患产业部第五研究所
镉镍电池电解液更换的确定与选择 王家齐 山东省高青县电业局
《蓄电池手册》 朱松然 天津大学出版社


致谢
首先要感谢我的导师,感谢老师在这一年内对我的培养和无私的指导,在她的指导下,我的专业基础知识、实验操作技能、论文写作水平以及对事物的观察能力和理解能力都有了很大的提升。王老师严谨治学的科学精神、求实的科研态度、以及对知识孜孜不倦的追求,都是我终生学习的榜样。这段时间,他帮助我形成了坚忍不拔的品质和自强不息的科学精神。她以实际行动让我们明白了 踏入社会要以认真的态度对待工作。
再次,还要感谢电池厂的工人师傅师兄师姐们。在他们的帮助下他们对我实验的指导让我体会到更多学校得不到的东西,因为他们的帮助才是的这次课题完成的更加顺利。在此向你们表示诚挚的感谢和深深的祝福
另外还要感谢我的同学们,在我写作的过程中同学们也给了我很多帮助和便利,在此我要向同学们表示谢意。
转眼间大学生活已过,在这四年里我不仅收获了知识也认可了可敬的老们和可爱的同学们。在这里奠定了我的人生观、价值观。在这里我要向你们表示我最崇高的敬意!

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