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Methodenartikel

Archimedes-basierte Glycerolverschiebung zur Messung der Elektrodenporosität in Blei-Säure-Batterien

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DOI:

10.3791/69319

⸱

7. April 2026

 , 
1Department of Chemistry and uYilo, e-Mobility Programme, Nelson Mandela University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier stellen wir eine einfache und kostengünstige Glycerolverschiebungsmethode vor, die auf dem Archimedes-Prinzip zur Messung der Porositäten von Blei-Säure-Batterieelektroden basiert. Die Methode zeigt eine gute Reproduzierbarkeit und ist sicherer als herkömmliche Techniken, da sie Chemikalien und Geräte mit geringem Risiko erfordert. Die Kombination der Technik mit mikrostruktureller Analyse durch Röntgenbeugung liefert Informationen über die Eigenschaften und den Abbau der Batterieelektroden.

Zusammenfassung

Die Leistung von Blei-Säure-Batterien hängt stark von den strukturellen und Oberflächeneigenschaften der aktiven Materialien der Elektroden ab. Neben der Bedeutung der Phasenzusammensetzung des Materials zu jedem Zeitpunkt bei der Anwendung tragen auch seine Oberfläche und Porosität zur Gesamtleistung der Batterie bei. Die Quecksilberporosimetrie, die für ihre Analyse eine repräsentative Probe des aktiven Materials verwendet, wurde traditionell zur Messung der Porosität von Batterieplatten verwendet. Abgesehen von der Möglichkeit, dass beim Probentnehmen Risse und Hohlräume im Material entstehen, haben viele Labore aufgrund seiner Toxizität von der Verwendung von Quecksilber abgestanden. Die auf Archimedes basierende Glycerolverschiebungstechnik hat den Vorteil, dass sie eine einfache Methode ist, die die Porosität der gesamten Batterieplatte berücksichtigt. Auch wenn die Methode möglicherweise keine detaillierten Informationen über die Porenvolumenverteilung des Materials liefert, wird Reproduzierbarkeit sowohl für einzelne Platten als auch für Plattengruppen aus einer einzelnen Zelle oder sechs Zellen aus einer Batterie erreicht. Die Methode berechnet die Porosität anhand der absoluten und Hüllendichte des Materials und nutzt das absorbierte Glycerolvolumen, um die durchschnittliche Porosität über die gesamte Platte zu messen. Blei-Säure-Batterien sind üblicherweise Alterungsmechanismen ausgesetzt, die die strukturelle Integrität und Oberflächeneigenschaften des aktiven Materials beeinflussen. Diese Studie beschreibt die Verwendung der Glycerol-Verdrängungstechnik zur Messung der Porositäten von Batterieplatten, kombiniert mit der Charakterisierung des Pulver-Röntgenbeugungsmaterials, um die Abbaumechanismen von Batterien zu verstehen, die der Kapazitätslebenszeit bzw. der Kalenderalterung bzw. der Haltbarkeit ausgesetzt waren. Die Ergebnisse zeigten, dass die Versagensmechanismen von Batterien signifikant unterschiedlich sind und dass sowohl die chemischen als auch physikalischen Eigenschaften des aktiven Materials voneinander abhängig sind; Daher kann man sich nicht nur auf ein einziges analytisches Werkzeug verlassen, um einen Fehlermechanismus zu interpretieren.

Einleitung

Die Blei-Säure-Batterie ist eine der ältesten kommerziellen wiederaufladbaren Batterien. 1859 demonstrierte der französische Physiker Gaston Plante das Funktionsprinzip der Batterie, indem er zwei Bleiplatten in Schwefelsäure tauchte. Das Potenzial für die Kommerzialisierung wurde erst 20 Jahre später erkannt, als die Technologie durch die Verwendung von Klebplatten verbessert wurde, die es ermöglichten, die Batterie durch einen Rückstrom1 entladen und zu laden.

Schon in den frühen Phasen der Erfindung wurde die Bedeutung der freiliegenden Oberfläche und der Porosität des Batteriematerials deutlich. Es war bekannt, dass je größer die Oberfläche des Materials, desto größer die Kapazität der Batterie2. Zu dieser Zeit fand die Kommerzialisierung der Batterie eine einzigartige Anwendung in der aufstrebendenAutomobilindustrie, da sie den Start von Verbrennungsmotoren nicht nur für Pkw, sondern auch für größere Motoren ermöglichte, die im Militär eingesetzt wurden, wie Panzer und Flugzeuge 3,4,5.

Mit der Verbesserung der Herstellungstechnologien im Laufe der Jahre verbesserten sich auch die Fortschritte in der chemischen Analyse und im Verständnis der Prozesse, die in der Batterie ablaufen. Es wird immer notwendig sein, den Herstellungsprozess zu verbessern, um ein konsistentes Produkt zu gewährleisten, das nicht nur preislich wettbewerbsfähig, sondern auch von guter Qualität ist und über längere Zeiträume elektrische Unterstützung bieten kann.

Die Chemie, die in der Batterie stattfindet und als Doppelsulfattheorie bezeichnet wird, ist im Vergleich zu anderen Batterietypen einzigartig. In diesem Fall bildet der Elektrolyt oder die Säure während des Entladungs- und Ladeprozesses6 Teil des Reaktionsmechanismus.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
Abbildung 1: Schematische Darstellung der Lade- und Entladereaktionsmechanismen einer Blei-Säure-Batterie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Hier reagieren die Elektroden oder Platten, die Elektrizität leiten können, mit der Säure und bilden Bleisulfat, das als Isolator betrachtet werden kann (Abbildung 1). Nicht das gesamte Material, das sich auf einer Platte befindet, wird beim Entladungsprozess verwendet. Die elektrochemische Reaktion findet überwiegend an der Oberfläche des Materials statt, das der Säure ausgesetzt ist, und wenn die Batterie geladen ist, wandelt sich das isolierende Bleisulfatmaterial auf den beiden Platten, die als Kathode bzw. Anode bezeichnet werden, wieder in leitfähiges Bleidioxid und Blei um. Je größer die Oberfläche, desto mehr Entladungsreaktionen können stattfinden und desto mehr Kapazität kann erzielt werden. Die Platten sind relativ dünn und meist spezifisch für die jeweilige Anwendung. Für hohe Leistung über kurze Zeiträume, wie beim Anfahren eines Autos, ist eine große Fläche wünschenswert, in der die Säure leicht in die Mitte der Platte gelangen oder diffundieren kann, während bei Batterien, die über längere Zeiträume bei niedrigeren Entladungsraten mehr Kapazität liefern sollen, üblicherweise dickere Platten verwendet werden. Dies ist ein Kompromiss zwischen dem verfügbaren Material, in das die Säure leicht wandern oder diffundieren kann, und der Bereitstellung eines dickeren, steiferen Halts, damit die Platte länger bei der Anwendung hält.

Die Analyse des aktiven Materials in einer Batterie war aufgrund seiner zerstörerischen Natur schon immer eine Herausforderung. Die Batterie muss aufgeschnitten und die Platten auseinandergebaut werden; Das kann dann nur eine zeitliche Momentaufnahme des Zustands der Batterie liefern. Dies bezieht sich meist darauf, dass Wissenschaftler den Ladezustand (SoC) und den Gesundheitszustand der Batterie (SoH) erfahren möchten. In einer Batterie sind die wichtigsten und wahrscheinlich einzigen chemischen Parameter, die man als Analytiker bequem messen kann, die chemischen Eigenschaften, einschließlich ihrer elementaren und Phasenzusammensetzung. Diese Techniken basieren üblicherweise auf atomarer Absorption oder Röntgenfluoreszenz-ähnlichen Techniken sowie auf fortschrittlichen Methoden wie Rasterelektronenmikroskopie und Pulver-Röntgenbeugung. Es gibt auch elektrochemische Analysetechniken, die angewendet werden können, darunter Impedanzspektroskopie und zyklische Voltammetrie, unter anderem.

Physikalisch-chemische Eigenschaften hingegen umfassen die Festigkeit der Platten, die verfügbare Oberfläche und die Porosität des aktiven Materials. Die Oberflächenanalyse wird typischerweise mit Stickstoffadsorptionstechniken durchgeführt, und in dieser Studie wurde die Porosität der in der Blei-Säure-Batterie verwendeten Platten gemessen. Porosität bezieht sich auf den verfügbaren freien Raum im aktiven Material, in den sich die Säure frei bewegen und mit den aktiven Stellen in Kontakt kommen kann, was dann eine elektrochemische Reaktion ermöglicht. Ist die Porosität zu hoch, gibt es begrenzte Verbindungswege zwischen den verschiedenen aktiven Materialteilchen, was die Wahrscheinlichkeit einer Trennung erhöht. Wenn die Porosität zu niedrig ist, kann weniger Säure die aktiven Stellen erreichen, wodurch die verfügbare Kapazität verringert wird.

Traditionell wird die Porosität fester Materialien mit mikro- bis mesogroßen Poren mittels Quecksilberporosimetrie gemessen. Dies erforderte, dass das aktive Material physisch von der Platte entfernt wurde, um in den Probenhalter des Instruments zu passen. Dies hat eine Reihe von Nachteilen, nämlich wird nur eine repräsentative Probe aus einer Plattenfläche entnommen; Die Probe als solche wird vom Gitter oder Stromkollektor getrennt, wodurch zusätzliche Risse und Hohlräume im Material entstehen; und viele Labore haben sich aufgrund seiner Toxizität von der Verwendung von Quecksilber entfernt. Der Vorteil der Technik ist ihre Fähigkeit, eine Schätzung der Porengrößenverteilung des Materials innerhalb eines bestimmten Bereichs zu liefern.

Diese Studie schlägt eine Technik vor, die die gesamte Platte nutzt, um die gesamte Porosität des aktiven Materials mithilfe des Archimedes-Prinzips zu messen. Im Zusammenhang mit der Bestimmung der Materialdichte besagt das Archimedes-Prinzip, dass die Auftriebskraft auf ein Objekt, das in eine Flüssigkeit eingetaucht ist, dem Gewicht der von diesem Objekt verdrängten Flüssigkeit entspricht. Dieses Prinzip erlaubt es, die Dichte eines Objekts zu berechnen, indem man sein Gewicht in Luft und sein Gewicht misst, wenn es in einer bekannten Flüssigkeit untergetaucht ist. Diese Auftriebskraft wird dann verwendet, um das Volumen der verdrängten Flüssigkeit zu berechnen, das dem Volumen des Objekts entspricht.

Die Technik kann im Labor leicht eingerichtet werden, um die Porosität von Blei-Säure-Batterieplatten zu messen, die bestimmten Herstellungs- oder Testbedingungen unterzogen wurden. Obwohl die Technik immer noch zerstörerisch ist, indem man die Batterie aufschneiden muss, um die Platten zur Analyse zu entfernen, wird die Porosität der gesamten Platte berücksichtigt. Daher misst die Methode die durchschnittliche Porosität über die gesamte Platte und erfasst Variationen bestimmter Bereiche der Platte, die normalerweise nicht berücksichtigt werden. Diese Variationen treten typischerweise bei der Arbeit mit relativ großen Platten auf, wo mögliche Fertigungseinschränkungen und die Auswirkungen der Säureschichtung bestimmte Plattenbereiche im Laufe der Zeit beeinflussen können. Eine Einschränkung der Glycerol-Verschiebungsmethode besteht jedoch darin, dass sie die Porosität anhand durchlässiger Poren misst. Das bedeutet, dass die Porosität der Platte unterschätzt werden kann, wenn Glycerol nicht vollständig in die Poren der aktiven Masse eindringt. Wenn geschlossene Poren vorhanden sind, korreliert die Technik indirekt mit dem, was während der Anwendung im Inneren der Batterie passiert, da die Säure auch nicht vollständig in die Bereiche der aktiven Masse mit geschlossenen Poren eindringen kann. Trotz dieser Einschränkung bleibt die Methode sicher und kosteneffektiv und eignet sich zur Messung der Porosität von Batterieplatten.

In dieser Studie werden die Porositäten sowohl der negativen als auch der positiven Platten einer relativ kleinen 7,2-Ah-ventilgeregelten Blei-Säure-(VRLA)-Batterie gemessen. Diese Batterien werden typischerweise in Haushaltsalarm- und Tormotorsteuerungssystemen verwendet. Der Einfluss auf die Plattenporosität und chemische Phasenzusammensetzung der Batterien wurde anhand des möglichen Alterungsmechanismus untersucht, dem die Batterie ausgesetzt war. Eine ist eine übermäßige Kalenderalterung oder Haltbarkeit, die andere wiederholte Kapazitätswechsel ohne ausreichende Aufladung. Dies sind typische Bedingungen, denen solche Batterien ausgesetzt sind. Diejenigen, die viele Monate oder manchmal Jahre im Regal des Elektrogrosshändlers stehen, ohne eine Boost-Gebühr zu erhalten. Darüber hinaus werden die in Standby-Stromversorgungssystemen verwendeten Batterien wiederholt einer "Lastabschaltung"-Kapazitätszyklierung unterzogen, bei der die Aufladung des Wechselrichtersystems nicht ausreichend ist, um während der kurzen verfügbaren Aufladezeiten die nötige Energie zur vollständigen Aufladung der Batterie bereitzustellen.

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Protokoll

HINWEIS: Das Protokoll ähnelt dem, das zuvor von Ferg et al.7 beschrieben wurde. Die in der Studie verwendeten Geräte und Reagenzien sind in der Materialtabelle aufgeführt. Ein Bild der für die Porositätsmessung der Elektroden verwendeten Geräte ist in Abbildung 2 dargestellt.

figure-protocol-1
Abbildung 2: Einfache Geräte zur Glycerol-Verschiebungsmessung der Porosität von Elektroden. Das Setup besteht aus (1) einer digitalen elektronischen Waage, (2) einer Waage-Befestigung mit Krokodilklammern, (3) einer stabilen Rahmenstruktur, (4) einer negativen Batterieplatte, (5) einem Behälter mit Glycerol und (6) einem Labor-Jack. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

1. Probenvorbereitung

  1. Extraktion der Platten zur Porositätsmessung
    1. Mit einer Kunststoffsäge öffnen Sie vorsichtig die Blei-Säure-Batterie, indem Sie langsam entlang der Naht zwischen Gehäuse und Deckel schneiden.
      VORSICHT: Überprüfen Sie das Materialsicherheitsdatenblatt (MSDS) für alle in diesem Protokoll verwendeten Materialien. Eine Blei-Säure-Batterie enthält ätzende Schwefelsäure und giftige Bleiplatten. Schneiden Sie sich langsam in einer gut belüfteten chemischen Abgashaube auf, während Sie vollständige persönliche Schutzausrüstung, einschließlich säureresistenter Handschuhe, tragen, um mögliche Verletzungen zu vermeiden. Neutralisieren Sie außerdem weiterhin Agenten und Notfalleinrichtungen in der Nähe.
    2. Zerlege vorsichtig die Blei-Säure-Batterie.
    3. Entfernen Sie jede Batteriezelle und trennen Sie ihre Komponenten, wobei sichergestellt wird, dass die positiven und negativen Platten ohne Änderungen entfernt werden.
  2. Vorbereitung der Platten zur Porositätsmessung
    1. Spülen Sie die Teller vorsichtig mit Wasser ab, um die Restsäure zu entfernen.
      HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass die Platten frei von jeglicher Restsäure sind, da diese beim Eintauchen im Glycerol reagieren kann.
    2. Trocknen Sie die negative Platte in einem Ofen unter einer trägen Atmosphäre wie Stickstoff, um die Oxidation von Blei zu verhindern. Trocknen Sie bei 110 °C für 6 Stunden oder bis konstante Masse erreicht ist.
    3. Trockne die positive Platte 24 Stunden im Ofen bei 110 °C.
      HINWEIS: Bei geklebten Tellern sollte das äußere Papier vor dem Trocknen im Ofen entfernt werden.
    4. Nimm die Teller aus dem Ofen und lass sie in einem Trockener abkühlen, um Feuchtigkeit zu verhindern.
    5. Schneiden Sie die Lugs der Platten ab und stellen Sie sicher, dass die Platten trocken sind, bevor Sie mit der Porositätsmessung beginnen, um die genauen Massen zu erfassen.

2. Porositätsmessung

HINWEIS: In dieser Studie wurde eine digitale elektronische Waage (maximale Kapazität: 500 g; Genauigkeit: 0,01 g) verwendet.

  1. Platzieren Sie eine elektronische Waage auf eine stabile Rahmenstruktur über einem geeigneten Behälter, der das Glycerol einer bekannten Dichte enthält.
    HINWEIS: Die Glyceroldichte wird später in den Berechnungen verwendet.
  2. Entfernen Sie die Trockenplatte vom Desikator, legen Sie sie auf eine getarbte elektronische Waage und zeichnen Sie die Masse als Masse der Trockenplatte auf.
  3. Befestigen Sie die teleskopische (ausziehbare) Krokodilklammer oben am Bleigitter.
  4. Tauchen Sie die Platte vollständig in Glycerol, wobei der verlängerte Teil des Clips über der Flüssigkeit bleibt, damit die Platte leicht vom Glycerol entfernt wird. Blasen, die in der Platte eingeschlossen sind, sollten anfangen, zu entstehen.
  5. Setzen Sie den Deckel auf den Behälter und setzen Sie den Stopper ein.
    HINWEIS: Der Behälterdeckel sollte so gestaltet sein, dass er eine Vakuumanwendung ermöglicht.
  6. Schließen Sie das Setup an eine niedrige Vakuumversorgung an und legen Sie ein Vakuum von etwa 100 mbar an, bis die Seiten des Behälters eine leichte Vertiefung zeigen, dann schalten Sie das Vakuum aus. Dies soll sicherstellen, dass Glycerol in alle Poren eindringt.
  7. Lassen Sie den Teller mindestens 15 Minuten unter Vakuum stehen.
    HINWEIS: Wenn nach diesem Zeitraum noch sichtbare Luftblasen aus der Bleiplatte entstehen, verlängern Sie die Vakuumzeit etwas länger. Die durchschnittliche Porosität der Platten kann unterschätzt werden, wenn Glycerol nicht vollständig in alle Poren eindringt.
  8. Legen Sie die Waage auf eine getarbte Waage und zeichnen Sie die Masse auf.
  9. Nehmen Sie die Platte vom Glycerol ab und befestigen Sie sie an den beiden Krokodilklammern am Ausgleichsaufsatz. Stelle sicher, dass die Platte waagerecht ist und justiere sie bei Bedarf ein.
  10. Setzen Sie den Balance-Aufsatz mit der eingeweichten Platte auf die Waage und lassen Sie die Platte 8 Minuten über dem Glycerol hängen, um das überschüssige Glycerol, das sich auf der Oberfläche der Platte befindet, zu entfernen.
  11. Wischen Sie alle Tropfen am Boden der Platte ab.
  12. Setzen Sie den Waageansatz auf die Waage und zeichnen Sie die Masse als Masse der glycerolgesättigten Platte auf.
  13. Heben Sie den Glycerolbehälter langsam mit dem Laborheber, bis die Oberseite der Platte gerade unter Wasser steht. Zeichnen Sie diese Masse als Masse der untergetauchten Glycerolplatte auf.
  14. Wiederholen Sie das Experiment in dreifacher Form.
    HINWEIS: Entsorgen Sie alle Rückstände als gefährliche chemische Abfälle gemäß den Abfallrichtlinien der Institution.

3. Analyse der Porositätsdaten

HINWEIS: Die zur Berechnung der Porosität der Platten benötigten Daten wurden von Ferg et al.7, und eine detaillierte Herleitung der Formeln ist in der Ergänzungsakte 1 7,8,9 bereitgestellt.

  1. Daten, die zur Berechnung der Porosität der Elektrode benötigt werden
    1. Definieren Sie die erforderlichen Parameter. Die für die Analyse der prozentualen Porosität erforderlichen Parameter sind wie folgt definiert:
      Masse der Trockenplatte (g) = A
      Masse der Glycerol-gesättigten Platte (g) = B (Zu messen in dreifacher Form)
      Masse der untergetauchten Glycerolplatte (g) = C (Zu messen im dreifachen Teil)
      Masse der Gitterlegierung (g) = D
      Dichte der Gitterlegierung (g/cm3) = E (HINWEIS: Dies wird durch den verwendeten Bleilegierungstyp bestimmt)
      Dichte von Glycerol (g/cm3) = F
      Aktive Materialmasse (g), G = (A - D)
      Aktive Material-Absolute Dichte (g/cm3),figure-protocol-2
      Spezifisches Porenvolumen (cm3/g), figure-protocol-3
      Volumendichte (g/cm3),figure-protocol-4
      % Porosität, K = IJ x 100
  2. Generierung der für die Berechnungen benötigten verbleibenden Daten
    1. Bestimmen Sie die Masse des Gitters, indem Sie das aktive Material der Elektrode sorgfältig entfernen.
      HINWEIS: Abbildung 6A,B zeigt positiv und negativ geformte Blei-Säure-Batterieplatten mit entsprechenden aktiven Materialien, während Abbildung 6C, D die jeweiligen Gitter darstellen.
  3. Datenanalyse
    1. Öffnen Sie eine Tabelle und geben Sie jeden in Schritt 3.1 aufgeführten Parameter sowie die entsprechenden Formeln in die entsprechenden Spalten ein.
    2. Geben Sie die Masse der Trockenplatte, A, in eine Säule ein.
    3. Geben Sie die dreifachen Massen der glycerolgesättigten Platte B in eine Säule ein.
    4. Geben Sie die dreifachen Massen der untergetauchten Platte C in eine Säule ein.
    5. Gib die Masse der Gitterlegierung D in eine Spalte ein.
    6. Geben Sie die Dichte der Gitterlegierung E in eine Spalte ein. (Je nach verwendeter Bleilegierung).
    7. Gib die Dichte des Glycerols, F, in eine Säule ein.
    8. Geben Sie die Formel zur Bestimmung der aktiven Materialmasse der Platte, G, in eine Spalte ein, indem Sie die Masse der Trockenplatte A von der Masse der Gitterlegierung D subtrahieren, um die entsprechenden Werte zu berechnen.
      Die aktive Materialmasse der Platte, G = (A -D) (1)
    9. Geben Sie die Formel zur Bestimmung der absoluten Dichte des aktiven Materials H in eine Spalte ein, um die entsprechenden Werte zu berechnen.
      figure-protocol-5
    10. Geben Sie die Formel zur Bestimmung des spezifischen Porenvolumens, I, in eine Spalte ein, um die entsprechenden Werte zu berechnen.
      figure-protocol-6
    11. Geben Sie die Formel zur Bestimmung der Volumendichte des aktiven Materials J in eine Spalte ein, um die entsprechenden Werte zu berechnen.
      Die Volumendichte des aktiven Materials, figure-protocol-7
    12. Geben Sie die Formel zur Berechnung der prozentualen Porosität der aktiven Materialmasse auf der Platte, K, in eine Spalte ein, um die entsprechenden Werte zu berechnen.
      % Porosität, K = IJ x 100 (5)
    13. Bestimmen Sie die durchschnittliche prozentuale Porosität und Standardabweichung der Platten mit der entsprechenden Funktion in der Tabelle.

4. Mikrostrukturanalyse mittels Pulver-Röntgenbeugung

HINWEIS: Pulver-Röntgenbeugungsmikrostrukturanalysen wurden an Replikationsplatten derselben Batterie durchgeführt, die denselben Bedingungen ausgesetzt waren, um sicherzustellen, dass die gewonnenen Daten vergleichbar sind und keine strukturelle Interferenz besteht.

  1. Probenvorbereitung für die Röntgenbeugung der Elektrodenoberfläche
    1. Schneiden Sie die getrocknete Probe der Platte vorsichtig in die passende Form, damit sie in den Probenhalter passt.
      HINWEIS: Dies sollte vorsichtig geschehen, um eine Veränderung der Elektrodenoberfläche zu vermeiden.
    2. Übertragen Sie die Probe in einen sauberen Probenhalter und stellen Sie sicher, dass die Höhe der Plattenoberfläche mit der oberen Kante des Probenhalters ausgerichtet ist.
  2. Probenvorbereitung für die Röntgenbeugung des aktiven Materialvolumens
    HINWEIS: Eine von Malvern Panalytical gewonnene Probenvorbereitungsstation wurde verwendet, um ein einfaches Nachladen der Pulverprobe in den Probenhalter zu ermöglichen.
    1. Entfernen Sie die getrocknete Probe des aktiven Materials der Platte aus dem Gitter.
    2. Mahlen Sie das aktive Material mit Mörser und Stößel zu Pulver, um die Partikelgröße gleichmäßig zu reduzieren und sicherzustellen, dass genügend Pulver vorhanden ist, um einen Standardprobenhalter zu füllen.
    3. Reinigen Sie den Probenhalter und den Probenvorbereitungstisch der Probenvorbereitungsstation.
    4. Legen Sie die obere Platte des zweiteiligen Pulverprobenhalters flach nach unten auf den Probenvorbereitungstisch und sichern Sie sie, indem Sie den Klemmknopf des Probenvorbereitungstisches drücken und lösen.
    5. Überfüllen Sie die obere Platte des Probenhalters mit der Pulverprobe mit einem Pfannenwender.
    6. Pressen Sie das Pulver vorsichtig auf die obere Platte des Probenhalters, indem Sie fest und gleichmäßig mit dem Pulverpressblock der Probenvorbereitungsstation drücken. Stellen Sie sicher, dass die Proben-Höhe mit der oberen Kante des Probenhalters übereinstimmt.
    7. Reinigen Sie die Ränder des Probenhalters mit einer Staubbürste, um das überschüssige Puder zu entfernen.
    8. Drücken Sie den Boden des zweiteiligen Puderprobenhalters mit der Vorderseite nach unten auf die obere Platte, bis es klickt.
    9. Drehen Sie den Probenvorbereitungstisch um und drücken Sie den Klemmknopf, um den Probenhalter zu lösen. Überprüfen Sie, dass die Pulveroberfläche glatt ist und mit der oberen Kante des Probenhalters ausgerichtet ist.
  3. XRD-Datenerfassung
    HINWEIS: Pulver-Röntgenbeugungsmuster wurden über einen 2-Theta-Bereich von 5°-80° in einem 15-minütigen Scan mit einem Tischdiffraktometer mit einer Kobalt-(Co)-Anoden-Röntgenröhre aufgezeichnet.
    1. Laden Sie den Probenhalter auf das XRD-Diffraktometer.
    2. Wählen Sie das passende Messprogramm aus und geben Sie die Probendetails in das Diffraktometer ein.
    3. Beginnen Sie mit der Messung.
    4. Nachdem die Daten gesammelt wurden, gehen Sie zum Datenverwaltungsmenü des Diffraktometers und exportieren Sie die Ergebnisse in den gewünschten Ordner.
  4. Rietveld-Verfeinerung
    HINWEIS: Der DIFFRAC. EVA Version 4.3 und DIFFRAC. TOPAS Version 6 wurde für die Phasenidentifikation bzw. die quantitative Rietveld-Verfeinerung verwendet.
    1. Identifizieren Sie die in der Probe verfügbaren Phasen mit einer speziellen Phasenidentifikationssoftware.
    2. Öffne den DIFFRAC. EVA-Software verwenden und auf den Reiter " Importieren aus Dateien " klicken, um die XRD-Scandatei zu laden (. RAW-Datei) auf die Software zur Spitzenidentifikation zu verwenden.
    3. Klicken Sie auf den Reiter Suchen/Vergleichen (Scannen) im Befehlsfeld Daten .
    4. Klicken Sie auf den Dropdown-Button neben dem Reiter chemischen Filter . Rechtsklicke, um alle Elemente im Periodensystem auszuwählen, und dann erneut rechtsklicke, um die ausgewählten Elemente auf 'verworfen' zu ändern.
    5. Deaktivieren Sie die interessanten Elemente, die in der Probe enthalten sind, indem Sie auf das Elementsymbol klicken.
    6. Klicken Sie auf die Dropdown-Schaltfläche neben dem Reiter Datenbankfilter und wählen Sie die bevorzugte Datenbank aus.
    7. Klicken Sie auf den Tab Match, um das Beugungsmuster mit der Referenzdatenbank abzugleichen und die Phasen zu identifizieren.
    8. Quantifizieren Sie die identifizierten Phasen in der Probe mit einer dedizierten quantitativen Analysesoftware.
    9. Öffne den DIFFRAC. TOPAS-Software und klicken Sie auf die Ladescan-Dateien, um die rohen XRD-Daten für quantitative Rietveld-Verfeinerung in die Software zu importieren.
    10. Klicken Sie auf den Dropdown-Button neben dem Namen der Rohdatei.
    11. Rechtsklick auf den Tab für das Emissionsprofil und lade das Emissionsprofil.
    12. Klicken Sie auf den Hintergrund-Tab und verfeinern Sie die Hintergrundparameter.
    13. Klicken Sie auf den Instrumenten-Tab und verfeinern Sie die Parameter basierend auf der Instrumentenkonfiguration.
    14. Klicken Sie auf den Korrektur-Tab und verfeinern Sie den Nullfehler, die Probeverschiebung und die Lorentz-Polarisationsfaktoren.
    15. Klicken Sie auf den Reiter STR(s laden), um die Strukturdateien der identifizierten Phasen aus der CoD-Datenbank der TOPAS-Software zu laden.
    16. Verfeinern Sie die Gitterparameter und atomaren Positionen der Kristallstruktur(en).
    17. Klicken Sie auf den Reiter Ausführen , um die Verfeinerung zu starten.
    18. Weiter zu optimieren, bis der R-Faktor (Rwp) für Goodness-of-fit und gewichtete Profile (Rwp) unter dem akzeptablen Standard liegt.

5. Modifikationen und Fehlerbehebung

HINWEIS: Dieser Abschnitt beschreibt wichtige Protokollschritte, die die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Porositätsmessungen in Bleiplatten beeinflussen können, und bietet Hinweise zur Behandlung häufiger Probleme, die während des Protokolls auftreten können.

  1. Zerbrechliche Platten
    1. Platten, die typischen Batteriebedingungen ausgesetzt sind, können zerbrechlich werden und während des Handlings zerfallen. Führe die Platten vorsichtig, um Druck auf das aktive Material zu vermeiden.
  2. Unvollständiges Trocknen der Teller
    1. Wenn die Platten nicht vollständig getrocknet sind, kann Restfeuchtigkeit Ungenauigkeiten in der Masse der Trockenplatte und folglich in allen nachfolgenden Berechnungen verursachen. Stellen Sie sicher, dass die Platten vollständig trocken sind, bevor Sie mit der Porositätsmessung beginnen, und überprüfen Sie, dass eine konstante Masse erreicht wurde.
  3. Residualsäureplatten
    1. Restsäure in den Platten kann reagieren, wenn sie in Glycerol eingetaucht werden. Spülen Sie die Teller vorsichtig, aber gründlich mit Wasser, um eventuelle verbleibende Säuren zu entfernen und sorgen Sie für vollständige Entfernung.
  4. Unvollständige Porendurchdringung
    1. Wenn Glycerol nicht alle Poren vollständig durchdringt, ist das berechnete Porenvolumen niedriger als der tatsächliche Wert, was die durchschnittliche Porosität der Platten beeinflusst. Nach 15 Minuten vakuumunterstützter Infiltration zeigt das Vorhandensein von Luftblasen, dass Poren noch nicht gefüllt sind; Saugen Sie weiter, bis die Blase aufhört. Während 15 Minuten für die meisten Plattengrößen geeignet sein sollten, sollte die Infiltrationszeit basierend auf der Plattengröße optimiert werden.

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Ergebnisse

Kapazitätstests wurden an drei kommerziell gekauften 12 V, 7,2 Ah VRLA Blei-Säure-Batterien mit derC10-Rate bis zu einer niedrigeren Spannungsgrenze von 10,5 V durchgeführt. Alle Kapazitätstests wurden bei 25 °C durchgeführt. Nach Eingang wurden die Batterien mit 14,8 V für 10 Stunden mit einem maximalen Strom von 2,9 A nachgeladen. Darauf folgten zweiC-10-Kapazitätstests mit einem Standard-Aufladeschritt bei 14,8 V für 24 Stunden bei maximal 2,9 A. Die Ergebnisse ...

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Diskussion

Kapazitätstests zeigten, dass Batterie 1 92 % der Nennkapazität (6,62 Ah) lieferte, Batterie 2 50 % (3,58 Ah) mit nur einer teilweisen Rückgewinnung von 3,32 Ah, selbst nach wiederholtem Aufladeschritt, und Batterie 3 91 % der Nennkapazität (6,57 Ah) lieferte (Tabelle 1).

Schwankungen in der Konzentration von H2SO4 in den PAM-Poren, die durch chemische Reaktionen entstehen, die während des Kapazitätszyklus in den Platten ...

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass die in diesem Artikel präsentierte Arbeit frei von widersprüchlichen Interessen ist

Danksagungen

Die Autoren schätzen uYilo und das Postdoktorandenprogramm der Nelson Mandela University (NMU) für die Finanzierung des Projekts

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Aeris-Tischpulver-RöntgendiffraktometerMalvern Panalytical B.V., Almelo, Die NiederlandeFür die mikrostrukturelle Analyse 
Balance-Befestigung mit KrokodilklammernUm das Wiegen der gesättigten und untergetauchten Platte zu ermöglichen.
Batteriezellen (12 V, 7,2 Ah) N/AN/AAny 
DIFFRAC. EVA V 4.3Bruker AXS  GmbH,  Karlsruhe, DeutschlandVersion 4.3Phasenidentifikationssoftware
DIFFRAC. TOPAS V6Bruker AXS  GmbH,  Karlsruhe, DeutschlandVersion 6Phasenquantifizierungssoftware
Digitale elektronische WaageDixon Science, ChinaEG5001-ADigitale elektronische Waage mit einer maximalen Kapazität von 500 g und einer Genauigkeit von 0,01 g
Laborzentrale VakuumleitungUm Vakuum auf den Behälter anzuwenden, um die Infiltration von Glycerol in die Platten zu erleichtern.
Laboratory JackKarl-Kurt Juchheim Laborgerä te, GmbH, Deutschland2290Um den Glycerolbehälter anzuheben, bis die Oberseite der Platte gerade noch unter Wasser ist
PulverprobenhalterMalvern Panalytical B.V., Almelo, Die NiederlandeZum Lagern von Pulverproben für die XRD-Analyse
ProbenvorbereitungsstationMalvern Panalytical B.V., Almelo, Die Niederlande9,43,00,17,70,101Um ein einfaches Nachladen von Pulvern in die Probenhalter für die XRD-Analyse zu ermöglichen
Stabile RahmenkonstruktionAny 
Geeigneter Behälter mit DeckelAny 
Teleskopischer KrokodilclipZum Eintauchen der Platten im Glycerol
VakuumdruckmanöverWIKA Alexander Wiegand SE & Kompanie KG, Klingenberg, DeutschlandModell: 611.10Zur Messung des Drucks des angelegten Vakuums

Referenzen

  1. Kurzweil, P. Gaston Planté and his invention of the lead-acid battery-the genesis of the first practical rechargeable battery. J Power Sources. 195 (14), 4424-4434 (2010).
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