إزاحة الجلسرول القائمة على أرخميدس لقياس مسامية الأقطاب في بطاريات الرصاص الحمضية

ملخص

هنا، نقدم طريقة بسيطة ومنخفضة التكلفة لإزاحة الجلسيرون تعتمد على مبدأ أرخميدس لقياس مساميات أقطاب بطاريات الرصاص الحمضية. تظهر الطريقة قابلية تكرار جيدة وهي أكثر أمانا من التقنيات التقليدية، حيث تتطلب مواد كيميائية ومعدات منخفضة الخطورة. الجمع بين التقنية والتحليل الميكروبنيوي بواسطة حيود الأشعة السينية يوفر معلومات عن خصائص أقطاب البطارية وتدهورها.

الملخص

يعتمد أداء بطاريات الرصاص-الحمضي بشكل كبير على الخصائص الهيكلية والسطحية للمواد النشطة للأقطاب. بالإضافة إلى أهمية تركيب الطور للمادة في أي وقت أثناء التطبيق، تساهم مساحتها السطحية ومساميتها في الأداء العام للبطارية. يستخدم قياس المسامية بالزئبق، الذي يستخدم عينة ممثلة من المادة النشطة لتحليله، تقليديا لقياس مسامية ألواح البطاريات. بعيدا عن احتمال حدوث شقوق وتجاويف في المادة أثناء أخذ العينة، ابتعدت العديد من المختبرات عن استخدام الزئبق بسبب سميته. تتميز تقنية إزاحة الجلسرول المبنية على أرخميدس بأنها طريقة بسيطة تأخذ في الاعتبار مسامية لوحة البطارية بأكملها. على الرغم من أن الطريقة قد لا تقدم معلومات مفصلة عن توزيع حجم المسامات في المادة، إلا أن قابلية التكرار تحقق للألواح الفردية وكذلك لمجموعات الألواح المأخوذة من خلية واحدة أو ست خلايا من البطارية. تحسب الطريقة المسامية بناء على كثافة المادة المطلقة وكثافة المغلف، والتي تستخدم حجم الجلسيرون الممتص لقياس متوسط المسامية على كامل اللوح. عادة ما تتعرض بطاريات الرصاص الحمضية لآليات تقدم العمر تؤثر على سلامة المادة النشطة الهيكلية وخصائص السطح. تصف هذه الدراسة استخدام تقنية إزاحة الجلسرول لقياس مساميات ألواح البطارية، مع توصيف مواد حيود الأشعة السينية باستخدام مسحوق لفهم آليات تدهور البطاريات التي تعرضت لدورة عمر السعة وتقادم التقويم أو عمر الصلاحية على التوالي. أظهرت النتائج أن آليات فشل البطاريات تختلف بشكل ملحوظ وأن الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمادة النشطة مترابطة؛ لذلك، لا يمكن الاعتماد على أداة تحليلية واحدة فقط لتفسير آلية الفشل.

المقدمة

بطارية الرصاص-الحمضية هي واحدة من أقدم البطاريات التجارية القابلة لإعادة الشحن. في عام 1859، أظهر الفيزيائي الفرنسي جاستون بلانت مبدأ عمل البطارية من خلال غمر لوحتين من الرصاص في حمض الكبريتيك. تم تحقيق إمكانية التسويق بعد 20 عاما فقط، عندما تم إجراء تحسينات على التكنولوجيا باستخدام ألواح ملتصقة تسمح بتفريغ البطارية وشحنها عبر تيار عكسي¹.

حتى في المراحل الأولى من الاختراع، أصبحت أهمية مساحة السطح المكشوفة ومسامية مادة البطارية واضحة. كان مفهوما أنه كلما زادت مساحة سطح المادة، زادت سعة البطارية². في ذلك الوقت، وجد تسويق البطارية تطبيقا فريدا^{في صناعة السيارات} الناشئة، حيث أتاح بدء محركات الاحتراق الداخلي ليس فقط لمركبات الركاب بل أيضا للمحركات الأكبر التي كانت تستخدم في الجيش، مثل الدبابات والطائرات ^3,4,5.

ومع تطور تقنيات التصنيع على مر السنين، تطورت أيضا التطورات في التحليل الكيميائي وفهم العمليات التي تحدث داخل البطارية. سيكون هناك دائما حاجة لتحسين عملية التصنيع لضمان منتج متسق لا يكون فقط تنافسيا في السعر بل أيضا ذو جودة جيدة ويوفر دعما كهربائيا لفترات أطول.

الكيمياء التي تحدث في البطارية، والتي تعرف بنظرية الكبريتات المزدوجة، فريدة من نوعها مقارنة بأنواع البطاريات الأخرى. في هذه الحالة، يشكل الإلكتروليت أو الحمض جزءا من آلية التفاعل^{أثناء عملية} التفريغ والشحن.

الشكل 1: رسم تخطيطي لآليات تفاعل الشحن والتفريغ لبطارية رصاص-حمضية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

هنا، تتفاعل الأقطاب أو الصفائح التي يمكنها توصيل الكهرباء مع الحمض لتكوين كبريتات الرصاص، والتي يمكن اعتبارها عازلا (الشكل 1). ليس كل المواد الموجودة على اللوح تستخدم في عملية التفريغ. يحدث التفاعل الكهروكيميائي بشكل رئيسي على سطح المادة المعرضة للحمض، وعند شحن البطارية، تتحول مادة كبريتات الرصاص العازلة إلى ثاني أكسيد الرصاص والرصاص الموصلة على اللوحتين اللتين يشار إليهما بالكاثود والأنود على التوالي^. كلما زادت مساحة السطح، زادت تفاعلات التفريغ التي يمكن أن تحدث وزادت القدرة على الإنتاج. تم تصميم الألواح لتكون رقيقة نسبيا وعادة ما تكون مخصصة للتطبيق. بالنسبة للطاقة العالية على فترات قصيرة، كما في بدء السيارة، يفضل وجود مساحة كبيرة حيث يمكن للحمض أن ينتقل أو ينتشر بسهولة إلى وسط اللوحة، بينما في البطاريات المصممة لتوفير سعة أكبر لفترات أطول عند معدلات تفريغ أقل، عادة ما تستخدم صفائح أكثر سمكا. يصبح هذا مقايضة بين المادة المتاحة التي يمكن للحمض أن ينتقل إليها بسهولة أو ينتشر فيها، وبين توفير دعم أكثر سمكا وصلابة لصفائح لصمود لفترة أطول أثناء التطبيق.

لطالما كان تحليل المادة النشطة داخل البطارية تحديا بسبب طبيعتها التدمرة. يجب قطع البطارية وتفكيك اللوحات؛ وهذا لا يمكن أن يوفر سوى لمحة زمنية عن حالة أو حالة البطارية. عادة ما يرتبط هذا برغبة العلماء في معرفة حالة شحن البطارية (SoC) وحالتها الصحية (SoH). في البطارية، أهم وربما المعيار الكيميائي الوحيد الذي يمكن للمرء قياسه بسهولة كمحلل هو الخصائص الكيميائية التي تشمل تركيبها العنصري والطوري. تعتمد هذه التقنيات عادة على تقنيات الامتصاص الذري أو تقنيات الفلورية بالأشعة السينية، بالإضافة إلى طرق متقدمة مثل المجهر الإلكتروني الماسح وحيود الأشعة السينية بالممسح. هناك أيضا تقنيات تحليلية كهروكيميائية يمكن تطبيقها، بما في ذلك مطيافية الممانعة والفولتمترية الدورية، من بين أخرى.

من ناحية أخرى، تشمل الخصائص الفيزيائية الكيميائية قوة الصفائح، ومساحة السطح المتاحة، ومسامية المادة النشطة. عادة ما يتم تحليل مساحة السطح باستخدام تقنيات امتصاص النيتروجين، وفي هذه الدراسة تم قياس مسامية الألواح المستخدمة في بطارية الرصاص الحمضية. تتعلق المسامية بالمساحة الحرة المتاحة داخل المادة النشطة ليتمكن الحمض من التحرك بحرية ويكون على اتصال بالمواقع النشطة، مما يسمح بعد ذلك بحدوث تفاعل كهروكيميائي. إذا كانت المسامية عالية جدا، ستكون هناك مسارات اتصال محدودة بين الجسيمات النشطة المختلفة، مما يزيد من احتمال الانفصال. إذا كانت المسامية منخفضة جدا، فإن كمية أقل من الحمض ستتمكن من الوصول إلى المواقع النشطة، مما يقلل من السعة المتاحة.

تقليديا، تقاس مسامية المواد الصلبة التي لها مسام صغيرة إلى متوسطة الحجم بواسطة قياس المسامية الزئبقية. كان هذا يتطلب إزالة المادة النشطة فعليا من اللوح لتناسب حامل عينة الآلة. لهذا عدد من العيوب، وهي أنه يتم أخذ عينة ممثلة فقط من مساحة لوحة؛ يتم فصل العينة بحد ذاتها عن الشبكة أو جامع التيار، مما يؤدي إلى تشققات وتجاويف إضافية في المادة؛ وقد ابتعدت العديد من المختبرات عن استخدام الزئبق بسبب سميته. ميزة هذه التقنية هي قدرتها على تقديم تقدير لتوزيع حجم المسام للمادة ضمن نطاق معين.

تقترح هذه الدراسة تقنية تستخدم الصفيحة بأكملها لقياس المسامية الكلية للمادة الفعالة باستخدام مبدأ أرخميدس. في سياق تحديد كثافة المادة، ينص مبدأ أرخميدس على أن القوة الطفوية على جسم مغمور في سائل تساوي وزن السائل الذي أزاح بواسطة ذلك الجسم. يسمح هذا المبدأ بحساب كثافة الجسم عن طريق قياس وزنه في الهواء ووزنه عند غمره في سائل معروف. ثم تستخدم هذه القوة الطفوية لحساب حجم السائل المنزل، والذي يساوي حجم الجسم.

يمكن إعداد هذه التقنية بسهولة في المختبر لقياس مسامية ألواح البطاريات الحمضية الرصاصية التي تعرضت لظروف تصنيع أو اختبار معينة. على الرغم من أن التقنية لا تزال مدمرة من حيث الحاجة لقطع البطارية لإزالة الألواح للتحليل، إلا أن مسامية اللوحة بأكملها تؤخذ في الاعتبار. لذا، تقيس الطريقة متوسط المسامية على كامل اللوح، وتلتقط تغيرات في مناطق معينة من اللوح عادة لا تؤخذ في الاعتبار. تحدث هذه التغيرات عادة عند العمل مع صفائح كبيرة نسبيا، حيث يمكن أن تؤثر تناقضات التصنيع وتأثيرات التدرج الحمضي على مناطق محددة من الصفائح مع مرور الوقت. ومع ذلك، فإن أحد قيود طريقة إزاحة الجلسرول هو أنها تقيس المسامية بناء على المسام القابلة للنفاذ. وهذا يعني أنه من الممكن التقليل من مسامية الصفيحة إذا لم يخترق الجلسرول مسام الكتلة النشطة بالكامل. عندما تكون هناك مسام مغلقة، ترتبط التقنية بشكل غير مباشر بما يحدث داخل البطارية أثناء التطبيق، لأن الحمض لن يكون قادرا أيضا على اختراق المناطق المغلقة بالكامل من الكتلة النشطة. على الرغم من هذا القيد، تظل الطريقة آمنة وفعالة من حيث التكلفة ومناسبة لقياس مسامية ألواح البطاريات.

في هذه الدراسة، تم قياس مسامات كل من الصفائح السالبة والموجبة في بطارية حمض الرصاص (VRLA) الصغيرة نسبيا بقدرة 7.2 أمبير ساعة منظمة بالصمامات. تستخدم هذه البطاريات عادة في أنظمة التحكم في محركات الإنذار والبوابة المنزلية. تمت دراسة التأثير على مسامية الألواح وتركيب الطور الكيميائي للبطاريات من حيث آلية الشيخوخة المحتملة التي تعرضت لها البطارية. أحدهما هو التقدم المفرط في التقويم أو عمره الافتراضي، والآخر هو تكرار السعة بدون شحن كاف. هذه هي الظروف النموذجية التي تتعرض لها هذه البطاريات. تلك التي تبقى على رفوف بائعي الجملة الكهربائية لأشهر وأحيانا سنوات دون أن تتلقى رسوم تعزيز. علاوة على ذلك، تتعرض البطاريات المستخدمة في أنظمة تزويد الطاقة الاحتياطية لدورة متكررة في سعة "نوع انقطاع الشحن"، حيث لا يكون شحن نظام العاكس كافيا لتوفير الطاقة اللازمة لإعادة شحن البطارية بالكامل خلال فترات إعادة الشحن القصيرة المتاحة.

البروتوكول

ملاحظة: البروتوكول مشابه للبروتوكول الذي وصفه فيرغ وآخرون ^سابقا. المعدات والكواشف المستخدمة في الدراسة مدرجة في جدول المواد. تعرض صورة للمعدات المستخدمة لقياس مسامية الأقطاب في الشكل 2.

الشكل 2: المعدات البسيطة المستخدمة لقياس المسامية المعتمدة على إزاحة الجلسرول للأقطاب الكهربائية. يتكون الإعداد من (1) ميزان إلكتروني رقمي، (2) ملحق توازن مع مشابك تماسيح، (3) هيكل إطار قوي، (4) صفيحة بطارية سالبة، (5) حاوية تحتوي على الجلسرول، و(6) رافعة مختبر يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

1. تحضير العينة

1. استخراج الألواح لقياس المسامية
   1. باستخدام منشار قطع البلاستيك، افتح بطارية الرصاص الحمضية بحذر عن طريق القطع ببطء على طول الدرزة بين الغلاف والغطاء.
      تحذير: راجع ورقة بيانات سلامة المواد (MSDS) لجميع المواد المستخدمة في هذا البروتوكول. تحتوي بطارية الرصاص الحمضية على حمض الكبريتيك المتآكل وألواح رصاص سامة. افتحها ببطء داخل غطاء بخار كيميائي جيد التهوية وارتداء معدات الحماية الشخصية الكاملة، بما في ذلك القفازات المقاومة للأحماض، لمنع الإصابات المحتملة. أيضا، استمر في مطاردة العوامل والمرافق الطارئة بالقرب منها.
   2. فك بطارية الرصاص الحمضية بعناية.
   3. قم بإزالة كل خلية بطارية وفصل مكوناتها، لضمان استخراج الألواح الموجبة والسالبة دون أي تغيير.
2. تحضير الألواح لقياس المسامية
   1. اشطف الصحون بالماء بلطف لإزالة الحمض المتبقي.
      ملاحظة: تأكد من أن الألواح خالية من أي حمض متبق، لأن هذا قد يتفاعل عند غمرها في الجلسرول.
   2. جفف الطبق السالب في الفرن تحت جو خامل مثل النيتروجين لمنع أكسدة الرصاص. يجف عند 110 درجة مئوية لمدة 6 ساعات أو حتى يتم تحقيق كتلة ثابتة.
   3. جفف الطبق الموجب في الفرن على حرارة 110 درجة مئوية لمدة 24 ساعة.
      ملاحظة: في حالة الأطباق الملصقة، يجب إزالة الورق الخارجي قبل تجفيفه في الفرن.
   4. أخرج الصحون من الفرن واتركها تبرد في مجفف لمنع امتصاص الرطوبة.
   5. اقطع أطراف الألواح وتأكد من جفافها قبل بدء قياس المسامية لتسجيل الكتل بدقة.

2. قياس المسامية

ملاحظة: تم استخدام ميزان إلكتروني رقمي (السعة القصوى: 500 جم؛ الدقة: 0.01 جم) في هذه الدراسة.

1. ضع ميزانا إلكترونيا على هيكل إطار متين فوق حاوية مناسبة تحتوي على الجلسرول ذو الكثافة المعروفة.
   ملاحظة: سيتم استخدام كثافة الجلسيرون لاحقا في الحسابات.
2. أزل اللوحة الجافة من جهاز إزالة المجفف، وضعها على توازن إلكتروني مغطى بالطبق، وسجل الكتلة ككتلة الصفيحة الجافة.
3. ثبت مشبك التمساح التلسكوبي (القابل للتمديد) في أعلى شبكة الرصاص.
4. اغمر اللوح بالكامل في الجلسرول، مع التأكد من بقاء الجزء الممتد من المشبك فوق السائل لتسهيل إزالة اللوح من الجلسرول. يجب أن تبدأ الفقاعات المحبوسة في اللوحة في الظهور.
5. ضع الغطاء على الحاوية وأدخل السداد.
   ملاحظة: يجب تصميم غطاء الحاوية لتمكين التطبيق بالتفريغ.
6. وصل الجهاز بمصدر فراغ منخفض وطبق تفريغ كهربائي بحجم حوالي 100 ملي بار حتى تظهر على جوانب الحاوية انبعاجا بسيطا، ثم أطفئ الفراغ. وذلك لضمان أن الجلسرول يخترق جميع المسام.
7. أبق اللوحة تحت الفراغ لمدة لا تقل عن 15 دقيقة.
   ملاحظة: إذا كانت فقاعات الهواء لا تزال تظهر بشكل واضح من صفيحة الرصاص بعد هذه الفترة، قم بتمديد وقت التفريغ لفترة أطول قليلا. يمكن التقليل من متوسط المسامية في الصفائح إذا لم يخترق الجلسرول جميع المسام بالكامل.
8. ضع ملحق التوازن على ميزان مغطى بالموقد وسجل الكتلة.
9. أزل اللوح من الجلسرول وثبته على مشبك التماسيح على ملحق التوازن. تأكد من أن اللوح مستو وقم بتعديله إذا لزم الأمر.
10. ضع ملحق التوازن مع اللوح المبلل على الميزان واترك اللوح معلقا فوق الجلسرول لمدة 8 دقائق لإزالة الجلسيرون الزائد على سطح اللوحة.
11. امسح أي قطرات من أسفل الطبق.
12. ضع ملحق التوازن على الميزان وسجل الكتلة ككتلة لوح المشبع بالجلسرول.
13. ارفع وعاء الجلسرول ببطء باستخدام رافعة المختبر حتى يغمر الجزء العلوي من اللوح تماما. سجل هذه الكتلة ككتلة لوح الجلسرول المغمور.
14. كرر التجربة بثلاث نسخ.
    ملاحظة: التخلص من جميع البقايا كنفايات كيميائية خطرة، وفقا لإرشادات إدارة النفايات الخاصة بالمؤسسة.

3. تحليل بيانات المسامية

ملاحظة: البيانات المطلوبة لحساب مسامية الألواح تم اقتباسها من فيرغ و. ^al.7، وتم توفير اشتقاق تفصيلي للصيغ في الملف التكميلي 1^{7 و8 و9}.

1. البيانات المطلوبة لحساب مسامية القطب
   1. حدد المعايير المطلوبة. تعرف المعايير المطلوبة لتحليل نسبة المسامية كما يلي:
      كتلة الصفيحة الجافة (g) = A
      كتلة صفيحة الجلسيرون المشبعة (g) = B (يجب قياسها بثلاث نسخ)
      كتلة لوح الجلسرول المغمور (g) = C (يحسب بثلاث نسخ)
      كتلة سبيكة الشبكة (g)= D
      كثافة سبيكة الشبكة (g/cm³) = E (ملاحظة: يتم تحديد ذلك بنوع سبيكة الرصاص المستخدمة)
      كثافة الجلسرول (ج/سم³) = فاره
      كتلة المادة النشطة (g)، G = (A - D)
      كثافة المواد النشطة المطلقة (g/cm³)،
      حجم المسام المحدد (سم³/جم)،
      الكثافة الكلية (g/cm³)،
      ٪ المسامية، K = IJ × 100
2. توليد البيانات المتبقية اللازمة للحسابات
   1. حدد كتلة الشبكة عن طريق إزالة المادة النشطة للقطب بعناية.
      ملاحظة: تظهر الأشكال 6A,B ألواح بطارية حمضية الرصاص الموجبة والسالبة المكونة مع المواد النشطة المقابلة، بينما تظهر الأشكال 6C، D الشبكات المعنية.
3. تحليل البيانات
   1. افتح جدول بيانات وأدخل كل معلمة مدرجة في الخطوة 3.1 والصيغ المقابلة في الأعمدة المناسبة.
   2. أدخل كتلة الصفيحة الجافة، A في عمود.
   3. أدخل الكتل الثلاثية من صفيحة الجلسرول المشبعة B، في عمود.
   4. أدخل الكتل الثلاثية للصفيحة المغمورة، C، في عمود.
   5. أدخل كتلة سبيكة الشبكة، D، في عمود.
   6. أدخل كثافة سبيكة الشبكة، E، في عمود. (اعتمادا على نوع سبيكة الرصاص المستخدمة).
   7. أدخل كثافة الجلسرول F في عمود.
   8. أدخل الصيغة لتحديد كتلة المادة النشطة للصفيحة، G، في عمود عن طريق طرح كتلة الصفيحة الجافة A من كتلة سبيكة الشبكة، D، لحساب القيم المقابلة.
      كتلة المادة النشطة للصفيحة، G = (A -D) (1)
   9. أدخل الصيغة لتحديد الكثافة المطلقة للمادة النشطة، H، في عمود لحساب القيم المقابلة.
      
   10. أدخل الصيغة الخاصة بتحديد حجم المسام المحدد، I، في عمود لحساب القيم المقابلة.
       
   11. أدخل الصيغة لتحديد الكثافة الكلية للمادة النشطة، J، في عمود لحساب القيم المقابلة.
       الكثافة الكلية للمادة النشطة، 
   12. أدخل صيغة حساب نسبة المسامية المئوية للكتلة النشطة للمادة على اللوح، K، في عمود لحساب القيم المقابلة.
       ٪ المسامية، K = IJ × 100 (5)
   13. تحديد متوسط نسبة المسامية والانحراف المعياري للألواح باستخدام الدالة المناسبة في جدول البيانات.

4. التحليل المجهري بواسطة حيود الأشعة السينية بمسحوق

ملاحظة: تم إجراء تحليل المجهرية الهيكلية للحيود بالأشعة السينية باستخدام مسحوق على ألواح مكررة من نفس البطارية تعرضت لنفس الحالة لضمان أن البيانات التي تم الحصول عليها قابلة للمقارنة وعدم وجود تداخل هيكلي.

1. تحضير العينة لحيود الأشعة السينية لسطح القطب
   1. اقطع بعناية العينة المجففة من الطبق إلى الشكل المناسب لتناسب حامل العينة.
      ملاحظة: يجب القيام بذلك بحذر لتجنب تغيير سطح القطب.
   2. انقل العينة إلى حامل عينة نظيف، مع التأكد من محاذاة ارتفاع سطح اللوحة مع الحافة العلوية لحامل العينة.
2. تحضير العينة لحيود الأشعة السينية لكتلة المادة النشطة
   ملاحظة: تم استخدام محطة تحضير عينات تم الحصول عليها من Malvern Panalytical لتمكين إعادة تحميل عينة المسحوق بسهولة إلى حامل العينة.
   1. قم بإزالة العينة المجففة من المادة النشطة لللوحة من الشبكة.
   2. طحن المادة الفعالة إلى مسحوق باستخدام هاون ومدقة لتقليل حجم الجزيئات بشكل موحد والتأكد من وجود كمية كافية من المسحوق لملء حامل عينة قياسي.
   3. نظف حامل العينة وطاولة تحضير العينات في محطة تحضير العينات.
   4. ضع الطبق العلوي لحامل عينات المسحوق المكون من قطعتين على طاولة تحضير العينات وثبته بالضغط وتحرير زر المشبك في طاولة تحضير العينات.
   5. املأ الطبق العلوي لحامل العينات بعينة المسحوق باستخدام الملعقة.
   6. اضغط المسحوق بلطف على اللوحة العلوية لحامل العينة عن طريق الضغط بقوة وبشكل متساو مع كتلة ضغط المسحوق في محطة تحضير العينة. تأكد من أن ارتفاع العينة يتوافق مع الحافة العلوية لحامل العينة.
   7. نظف حواف حامل العينات بفرشاة لإزالة المسحوق الزائد.
   8. اضغط أسفل حامل عينات البودرة المكون من قطعتين على اللوحة العلوية حتى يصدر صوت النقر.
   9. اقلب طاولة تحضير العينة واضغط زر المشبك لتحرير حامل العينة. تأكد من أن سطح المسحوق أملس ويتوافق مع الحافة العلوية لحامل العينة.
3. اكتساب بيانات XRD
   ملاحظة: تم تسجيل أنماط حيود الأشعة السينية باستخدام مسحوق على نطاق 2-ثيتا من 5°-80°، في مسح استمر 15 دقيقة باستخدام مقياس حيود على سطح الطاولة مزود بأنبوب أشعة إكس من الكوبالت (Co).
   1. حمل حامل العينة على مقياس الحيود XRD.
   2. اختر برنامج القياس المناسب وأدخل تفاصيل العينة في مقياس الحيود.
   3. ابدأ القياس.
   4. بعد جمع البيانات، اذهب إلى قائمة إدارة البيانات في مقياس الحيود وصدر النتائج إلى المجلد المطلوب.
4. تحسين ريتفيلد
   ملاحظة: الديفراك. إصدار EVA 4.3 وDIFFRAC. تم استخدام النسخة السادسة من TOPAS لتحديد الطور والتنقية الكمية في ريتفيلد على التوالي.
   1. تحديد المراحل المتاحة في العينة باستخدام برنامج مخصص لتحديد الأطوار.
   2. افتح جهاز DIFFRAC. استخدم برنامج EVA وانقر على تبويب استيراد من الملفات لتحميل ملف مسح XRD (. RAW) على البرنامج لتحديد القمة (peak id).
   3. انقر على تبويب البحث/المطابقة (المسح) في لوحة أوامر البيانات .
   4. انقر على زر القائمة المنسدلة بجانب تبويب المرشح الكيميائي . انقر بزر الفأرة الأيمن لاختيار جميع العناصر في الجدول الدوري، ثم انقر بزر الفأرة الأيمن مرة أخرى لتغيير العناصر المختارة إلى 'تم التخلص منها'.
   5. قم بإلغاء تحديد العناصر ذات الاهتمام الموجودة في العينة بالنقر على رمز العنصر.
   6. انقر على زر القائمة المنسدلة بجانب تبويب تصفية قاعدة البيانات واختر قاعدة البيانات التي تختارها.
   7. انقر على تبويب المطابقة لمطابقة نمط الحيود مع قاعدة البيانات المرجعية لتحديد المراحل.
   8. قم بقياس المراحل المحددة في العينة باستخدام برنامج تحليل كمي مخصص.
   9. افتح جهاز DIFFRAC. برنامج TOPAS وانقر على ملفات المسح لاستيراد بيانات XRD الخام إلى البرنامج لتحسين ريتفيلد الكمي.
   10. انقر على زر القائمة المنسدلة بجانب اسم الملف الخام.
   11. انقر بزر الفأرة الأيمن على تبويب ملف تعريف الانبعاثات وقم بتحميل ملف الانبعاث.
   12. انقر على تبويب الخلفية وقم بتحسين معلمات الخلفية.
   13. انقر على تبويب الآلة وقم بتحسين المعايير بناء على تكوين الآلة.
   14. انقر على تبويب التصحيح وقم بتحسين عوامل الخطأ الصفري، وإزاحة العينة، وعوامل استقطاب لورنتز.
   15. انقر على تبويب تحميل STR(s) لتحميل ملفات البنية للمراحل المحددة من قاعدة بيانات CoD لبرنامج TOPAS.
   16. قم بتحسين معلمات الشبكة والمواقع الذرية لبنية البلورات.
   17. انقر على تبويب Run لبدء التحسين.
   18. استمر في التنقية حتى يصبح عامل R (Rwp) من جودة الملاءمة والوزن (Rwp) أقل من المعيار المقبول.

5. التعديلات وحل المشكلات

ملاحظة: يوضح هذا القسم خطوات البروتوكول الحرجة التي يمكن أن تؤثر على دقة وقابلية تكرار قياسات المسامية في صفائح الرصاص، ويوفر إرشادات لمعالجة المشكلات الشائعة التي قد تواجهها أثناء البروتوكول.

1. الصفائح الهشة
   1. قد تصبح الألواح المعرضة لظروف البطارية النموذجية هشة وقد تتفكك أثناء التعامل. تعامل مع الألواح بلطف، متجنبا الضغط على المادة النشطة.
2. تجفيف غير كامل للألواح
   1. إذا لم تجف الألواح تماما، فقد تسبب الرطوبة المتبقية أخطاء في كتلة الصفيحة الجافة، وبالتالي في جميع الحسابات اللاحقة. تأكد من أن الألواح جافة تماما قبل بدء قياس المسامية، وتأكد من تحقيق كتلة ثابتة.
3. الصفائح الحمضية المتبقية
   1. قد يتفاعل الحمض المتبقي في الصفائح عند غمره في الجلسرول. اشطف الصحون بلطف ولكن جيدا بالماء لإزالة أي حمض متبق، مع ضمان الإزالة الكاملة.
4. اختراق المسام غير الكامل
   1. إذا لم يخترق الجلسرول جميع المسامات بالكامل، فإن حجم المسام المحسوب سيكون أقل من القيمة الفعلية، مما يؤثر على متوسط المسامية في الصفائح. بعد 15 دقيقة من التسرب بمساعدة الفراغ، يشير وجود فقاعات الهواء إلى وجود مسام لم تملأ بعد؛ استمر في تنظيف المكنسة الكهربائية حتى تتوقف الفقاعة. بينما يجب أن تكون 15 دقيقة مناسبة لمعظم أحجام الألواح، قم بتحسين وقت التسرب بناء على حجم اللوحة.

النتائج

أجريت اختبارات السعة على ثلاث بطاريات حمضية من الرصاص بجهد 12 فولت و7.2 أمبير ساعة VRLA تم شراؤها تجاريا بمعدل_{C 10} حتى حد جهد أقل يبلغ 10.5 فولت. تم إجراء جميع اختبارات السعة عند 25 درجة مئوية. عند استلامها، تم إعادة شحن البطاريات بجهد 14.8 فولت لمدة 10 ساعات، مع تيار أقصى يبلغ 2.9 أمبير. تبع ذلك اختباران لسعة C₁₀ مع خطوة إعادة شحن قياسية عند 14.8 فولت لمدة 24 ساعة وأقصى 2.9 أمبير. تلخص نتائج سعات C₁₀ الأولية في الجدول 1.

المناقشة

أظهرت اختبارات السعة أن البطارية 1 قدمت 92٪ من السعة المقدرة (6.62 أمبير)، والبطارية 2 قدمت 50٪ (3.58 أمبير) مع استرداد جزئي فقط 3.32 أمبير حتى بعد إعادة شحن متكررة، والبطارية 3 قدمت 91٪ من السعة المصنفة (6.57 أمبير) (الجدول 1).

تؤثر التغيرات في تركيز H₂SO₄ داخل مسام PAM، الناتجة عن التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الصفائح أثناء دورة السعة، على بنية وشكل PbO₂ المتكون في الصفائح¹¹. يمكن أن يوجد PbO...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
مقياس حيود الأشعة السينية بمسحوق الطاولة من Aeris	مالفرن بانالاليشال بي.في.، ألميلو، هولندا		للتحليل البنيوي المجهري&nb;
ملحق التوازن مع مشابك التمساح			للسماح بوزن الصفيحة المشبعة والمغمورة
خلايا البطاريات (12 فولت، 7.2 أمبير)	لا يوجد	لا يوجد	أي
ديفراك. EVA V 4.3	بروكر AXS  GmbH,  كارلسروه، ألمانيا	الإصدار 4.3	برنامج تحديد الطور
ديفراك. توباس V6	بروكر AXS  GmbH,  كارلسروه، ألمانيا	الإصدار 6	برنامج قياس الطور
التوازن الرقمي الإلكتروني	ديكسون ساينس، الصين	EG5001-A	التوازن الإلكتروني الرقمي بسعة قصوى 500 جرام ودقة 0.01 جرام
خط التفريغ المركزي للمختبر			تطبيق الفراغ على الحاوية لتسهيل تسرب الجلسرول إلى الألواح.
جاك المختبر	كارل-كورت يوخهايم لابرجر & أومل; te, GmbH، ألمانيا	2290	رفع وعاء الجلسرول حتى يغمر سطح اللوحة بالكامل
حوامل عينات المسحوق	مالفرن بانالاليشال بي.في.، ألميلو، هولندا		لتخزين عينات المسحوق لتحليل XRD
محطة تحضير العينات	مالفرن بانالاليشال بي.في.، ألميلو، هولندا	9,43,00,17,70,101	لتمكين إعادة تحميل المخاحد بسهولة إلى حوامل العينات لتحليل XRD
هيكل الإطار المتين			أي
حاوية مناسبة مع غطاء			أي
مشبك التمساح التلسكوبي			لغمر الصفائح في الجلسرول
مقياس ضغط الفراغ	ويكا ألكسندر ويغاند SE & شركة KG، كلينغنبرغ، ألمانيا	الطراز: 611.10	لقياس ضغط الفراغ المطبق