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Article de méthode

Déplacement du glycérol à base d’archimède pour la mesure de la porosité des électrodes dans les batteries au plomb-acide

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DOI :

10.3791/69319

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7 avril 2026

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

Dans cet article

Résumé

Ici, nous présentons une méthode simple et peu coûteuse de déplacement du glycérol, basée sur le principe d’Archimède pour mesurer la porosité des électrodes de piles au plomb-acide. La méthode démontre une bonne reproductibilité et est plus sûre que les techniques traditionnelles, nécessitant des produits chimiques et équipements à faible risque. La combinaison de la technique avec l’analyse microstructurale par diffraction des rayons X fournit des informations sur les propriétés et la dégradation des électrodes de batterie.

Résumé

La performance des batteries au plomb-acide dépend fortement des propriétés structurelles et de surface des matériaux actifs des électrodes. Outre l’importance de la composition de phase du matériau à un moment donné lors de l’application, sa surface et sa porosité contribuent à la performance globale de la batterie. La porosimétrie du mercure, qui utilise un échantillon représentatif du matériau actif pour son analyse, a traditionnellement été utilisée pour mesurer la porosité des plaques de batterie. Outre la possibilité de provoquer des fissures et des cavités dans le matériau lors du prélèvement, de nombreux laboratoires se sont éloignés de l’utilisation du mercure en raison de sa toxicité. La technique de déplacement du glycérol basée sur Archimède a l’avantage d’être une méthode simple qui prend en compte la porosité de l’ensemble de la plaque de batterie. Même si la méthode ne fournit pas d’informations détaillées sur la distribution du volume poreux du matériau, la reproductibilité est obtenue pour des plaques individuelles ainsi que pour des groupes de plaques prélevées soit d’une seule cellule, soit de six cellules d’une batterie. La méthode calcule la porosité en fonction de la densité absolue et de l’enveloppe du matériau, ce qui utilise le volume de glycérol absorbé pour mesurer la porosité moyenne sur l’ensemble de la plaque. Les batteries au plomb-acide sont généralement soumises à des mécanismes de vieillissement qui affectent l’intégrité structurelle et les propriétés de surface du matériau actif. Cette étude décrit l’utilisation de la technique du déplacement du glycérol pour mesurer les porosités des plaques de batterie, combinée à la caractérisation des matériaux de diffraction en poudre aux rayons X afin de comprendre les mécanismes de dégradation des batteries soumises respectivement au cycle de vie de capacité et au vieillissement du calendrier ou à la durée de conservation. Les résultats ont montré que les mécanismes de défaillance des batteries sont significativement différents et que les propriétés chimiques et physiques du matériau actif sont interdépendantes ; par conséquent, on ne peut pas se fier uniquement à un seul outil analytique pour interpréter un mécanisme de défaillance.

Introduction

La batterie au plomb-acide est l’une des plus anciennes piles rechargeables commerciales. En 1859, le physicien français Gaston Plante démontra le principe de fonctionnement de la batterie en immergeant deux plaques de plomb dans de l’acide sulfurique. Le potentiel de commercialisation ne fut réalisé que 20 ans plus tard, lorsque la technologie fut améliorée en utilisant des plaques collées permettant de décharger et de charger la batterie via un courantinversé 1.

Dès les premiers stades de l’invention, l’importance de la surface exposée et la porosité du matériau de la batterie devenaient évidentes. Il était compris que plus la surface du matériau était grande, plus la capacité de la batterieétait grande 2. À l’époque, la commercialisation de la batterie a trouvé une application unique dans l’industrie automobileémergente 1, permettant le démarrage de moteurs à combustion interne non seulement de véhicules particuliers mais aussi de moteurs plus gros utilisés dans l’armée, tels que les chars et lesavions 3,4,5.

À mesure que les technologies de fabrication s’amélioraient au fil des années, les avancées en analyse chimique et dans la compréhension des processus intégrés à la batterie se sont également améliorées. Il sera toujours nécessaire d’améliorer le processus de fabrication afin d’assurer un produit cohérent, non seulement compétitif en termes de prix mais aussi de bonne qualité et capable d’assurer un soutien électrique plus longtemps.

La chimie qui se produit dans la batterie, appelée théorie du double sulfate, est unique comparée à d’autres types de batteries. Dans ce cas, l’électrolyte ou l’acide fait partie du mécanisme de réaction lors du processus de décharge etde charge 6.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
Figure 1 : Illustration schématique des mécanismes de réaction de charge et de décharge d’une batterie au plomb-acide. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Ici, les électrodes ou plaques capables de conduire l’électricité réagissent avec l’acide pour former du sulfate de plomb, qui peut être vu comme un isolant (Figure 1). Tous les matériaux présents sur une plaque ne sont pas utilisés lors du processus de décharge. La réaction électrochimique se produit principalement à la surface du matériau exposé à l’acide, et lorsque la batterie est chargée, le matériau isolant de plomb sulfate se reconvertit alors en dioxyde de plomb conducteur et en plomb sur les deux plaques appelées cathode et anode, respectivement5. Plus la surface est grande, plus de réactions de décharge peuvent avoir lieu et plus la capacité peut être obtenue. Les plaques sont conçues pour être relativement fines et généralement spécifiques à l’application. Pour une forte puissance sur de courtes périodes, comme au démarrage d’une voiture, une grande zone est souhaitable où l’acide peut facilement voyager ou diffuser vers le centre de la plaque, tandis que pour les batteries destinées à fournir plus de capacité sur de longues périodes à des débits plus faibles, on utilise généralement des plaques plus épaisses. Cela constitue un compromis entre le matériau disponible dans lequel l’acide peut facilement migrer ou diffuser, et fournir un support plus épais et plus rigide permettant à la plaque de durer plus longtemps dans l’application.

L’analyse du matériau actif à l’intérieur d’une batterie a toujours été difficile en raison de sa nature destructrice. La batterie doit être coupée et les plaques démontées ; Cela ne peut alors fournir qu’un instantané temporel de l’état ou de l’état de la batterie. Cela concerne généralement le fait que les scientifiques souhaitent connaître l’état de charge (SoC) et l’état de santé (SoH) de la batterie. Dans une batterie, les paramètres chimiques les plus importants et probablement les seuls que l’on peut mesurer confortablement en tant qu’analyste sont les propriétés chimiques qui incluent sa composition élémentaire et de phase. Ces techniques reposent généralement sur des techniques d’absorption atomique ou de type fluorescence aux rayons X, ainsi que sur des méthodes avancées telles que la microscopie électronique à balayage et la diffraction des rayons X en poudre. Il existe également des techniques d’analyse électrochimique applicables, notamment la spectroscopie d’impédance et la voltamétrie cyclique, entre autres.

En revanche, les propriétés physico-chimiques incluent la résistance des plaques, la surface disponible et la porosité du matériau actif. L’analyse de la surface est généralement réalisée par des techniques d’adsorption à l’azote, et dans cette étude, la porosité des plaques utilisées dans la batterie au plomb-acide a été mesurée. La porosité concerne l’espace libre disponible à l’intérieur du matériau actif pour que l’acide puisse circuler librement et entrer en contact avec les sites actifs, ce qui permettra alors une réaction électrochimique de se produire. Si la porosité est trop élevée, il y aura des voies de connexion limitées entre les différentes particules de matériaux actifs, augmentant la probabilité de déconnexion. Si la porosité est trop basse, moins d’acide pourra atteindre les sites actifs, réduisant ainsi la capacité disponible.

Traditionnellement, la porosité des matériaux solides possédant des pores de taille microscopique à mésométrique est mesurée par la porosimétrie au mercure. Cela nécessitait que le matériau actif soit physiquement retiré de la plaque afin de pouvoir s’insérer dans le porte-échantillon de l’instrument. Cela présente plusieurs inconvénients, à savoir qu’un seul échantillon représentatif d’une surface de plaque est prélevé ; L’échantillon en tant que tel est déconnecté de la grille ou du collecteur de courant, provoquant ainsi des fissures et cavités supplémentaires dans le matériau ; Et de nombreux laboratoires se sont éloignés de l’utilisation du mercure en raison de sa toxicité. L’avantage de cette technique réside dans sa capacité à fournir une estimation de la distribution de la taille des pores du matériau dans une certaine plage.

Cette étude propose une technique qui utilise l’ensemble de la plaque pour mesurer la porosité totale du matériau actif en utilisant le principe d’Archimède. Dans son contexte de détermination de la densité matérielle, le principe d’Archimède affirme que la force de flottabilité sur un objet immergé dans un fluide est égale au poids du fluide déplacé par cet objet. Ce principe permet de calculer la densité d’un objet en mesurant son poids en air et son poids lorsqu’il est immergé dans un fluide connu. Cette force de flottabilité est ensuite utilisée pour calculer le volume du fluide déplacé, qui est égal au volume de l’objet.

La technique peut être facilement mise en place en laboratoire pour mesurer la porosité des plaques de batteries au plomb-acide soumises à certaines conditions de fabrication ou de test. Même si la technique reste destructrice dans le sens où il faut ouvrir la batterie pour retirer les plaques afin d’analyser, la porosité de l’ensemble de la plaque est prise en compte. Ainsi, la méthode mesure la porosité moyenne sur toute la plaque, capturant des variations de certaines régions de la plaque qui ne sont généralement pas prises en compte. Ces variations surviennent généralement lorsqu’on travaille avec des plaques relativement grandes ; lorsque possible, des incohérences de fabrication et les effets de la stratification acide peuvent affecter des régions spécifiques des plaques au fil du temps. Cependant, une limitation de la méthode de déplacement du glycérol est qu’elle mesure la porosité à partir des pores perméables. Cela signifie qu’il est possible de sous-estimer la porosité de la plaque si le glycérol ne pénètre pas complètement les pores de la masse active. Lorsque des pores fermés sont présents, la technique est indirectement corrélée à ce qui se passe à l’intérieur de la batterie lors de l’application, car l’acide ne pourrait pas non plus pénétrer complètement les zones de la masse active qui ont des pores fermés. Malgré cette limitation, la méthode reste sûre et économique, et convient à la mesure de la porosité des plaques de batterie.

Dans cette étude, les porosités des plaques négatives et positives d’une batterie au plomb (VRLA) de 7,2 Ah régulée par valve (VRLA) relativement petite sont mesurées. Ces batteries sont généralement utilisées dans les systèmes de contrôle des alarmes domestiques et des moteurs de portail. L’effet sur la porosité des plaques et la composition chimique des phases a été étudié en termes du mécanisme de vieillissement possible auquel la batterie était exposée. L’une étant un vieillissement excessif du calendrier ou une durée de conservation, et l’autre étant le cycle répété de capacité sans recharge suffisante. Ce sont des conditions typiques auxquelles ces batteries sont exposées. Ceux qui restent sur les rayons des grossistes en électricité pendant de nombreux mois, parfois des années, sans recevoir de charge de boost. De plus, les batteries utilisées dans les systèmes d’alimentation en veille sont soumises à des cycles répétés de capacité de type « coupure de courant », où la recharge du système onduleur est insuffisante pour fournir l’énergie nécessaire à une recharge complète pendant les courtes périodes de recharge disponibles.

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Protocole

REMARQUE : Le protocole est similaire à celui décrit précédemment par Ferg et al.7. Les équipements et réactifs utilisés dans l’étude sont listés dans le tableau des matériaux. Une image de l’équipement utilisé pour la mesure de la porosité des électrodes est présentée à la Figure 2.

figure-protocol-1
Figure 2 : Équipement simple utilisé pour la mesure de la porosité des électrodes basée sur le déplacement du glycérol. L’installation comprend (1) une balance électronique numérique, (2) un accessoire de balance avec clips crocodile, (3) une structure de cadre robuste, (4) une plaque de batterie négative, (5) un récipient avec du glycérol, et (6) un cric de laboratoire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

1. Préparation de l’échantillon

  1. Extraction des plaques pour la mesure de la porosité
    1. À l’aide d’une scie à découpe en plastique, ouvrez soigneusement la batterie au plomb en coupant lentement le long de la jonction entre le boîtier et le couvercle.
      ATTENTION : Consultez la fiche de données de sécurité des matériaux (MSDS) pour tous les matériaux utilisés dans ce protocole. Une batterie au plomb-acide contient de l’acide sulfurique corrosif et des plaques de plomb toxiques. Ouvrez-les lentement dans une hotte chimique bien ventilée tout en portant un équipement de protection individuelle complet, y compris des gants résistants à l’acide, afin d’éviter d’éventuelles blessures. Continuez aussi à neutraliser les agents et les installations d’urgence à proximité.
    2. Démontez soigneusement la batterie au plomb.
    3. Retirez chaque cellule de batterie et séparez ses composants, afin de vous assurer que les plaques positive et négative soient extraites sans modification.
  2. Préparation des plaques pour la mesure de la porosité
    1. Rincez doucement les assiettes à l’eau pour éliminer l’acide résiduel.
      REMARQUE : Assurez-vous que les plaques sont exemptes de tout acide résiduel, car celui-ci pourrait réagir lorsqu’il est immergé dans le glycérol.
    2. Séchez la plaque négative dans un four sous une atmosphère inerte telle que l’azote pour éviter l’oxydation du plomb. Sécher à 110 °C pendant 6 heures ou jusqu’à atteindre une masse constante.
    3. Faites sécher la plaque positive au four à 110 °C pendant 24 heures.
      REMARQUE : Dans le cas des assiettes collées, le papier extérieur doit être retiré avant de sécher au four.
    4. Retirez les assiettes du four et laissez-les refroidir dans un dessiccateur pour éviter l’absorption de l’humidité.
    5. Coupez les pattes des plaques et assurez-vous qu’elles sont sèches avant de commencer la mesure de porosité afin d’enregistrer les masses avec précision.

2. Mesure de la porosité

REMARQUE : Une balance électronique numérique (capacité maximale : 500 g ; précision : 0,01 g) a été utilisée dans cette étude.

  1. Placez une balance électronique sur une structure robuste au-dessus d’un récipient approprié contenant le glycérol d’une densité connue.
    REMARQUE : La densité de glycérol sera utilisée plus tard dans les calculs.
  2. Retirez la plaque sèche du dessiccateur, placez-la sur une balance électronique goudronnée, et enregistrez la masse comme la masse de la plaque sèche.
  3. Fixez la pince télescopique (extensible) crocodile au sommet de la grille en plomb.
  4. Immergez complètement la plaque dans le glycérol, en veillant à ce que la partie prolongée du clip reste maintenue au-dessus du liquide pour faciliter le retrait de la plaque du glycérol. Les bulles piégées dans la plaque devraient commencer à apparaître.
  5. Mettez le couvercle sur le récipient et insérez le bouchon.
    REMARQUE : Le couvercle du conteneur doit être conçu pour permettre l’application sous vide.
  6. Connectez l’installation à une alimentation à faible vide et appliquez un vide d’environ 100 mbar jusqu’à ce que les côtés du récipient montrent une légère incounité, puis éteignez l’aspirateur. Cela permet de s’assurer que le glycérol pénètre tous les pores.
  7. Laissez la plaque sous vide pendant au moins 15 minutes.
    REMARQUE : Si des bulles d’air émergent encore visiblement de la plaque de plomb après cette période, prolongez un peu le temps de vide de temps. La porosité moyenne des plaques peut être sous-estimée si le glycérol ne pénètre pas complètement tous les pores.
  8. Placez l’attache de balance sur une balance tarée et enregistrez la masse.
  9. Retirez la plaque du glycérol et attachez-la aux deux pinces crocodile sur l’attache de la balance. Assurez-vous que la plaque est bien nivelée et ajustez si nécessaire.
  10. Placez l’attache de balance avec la plaque trempée sur la balance et laissez la plaque suspendue au-dessus du glycérol pendant 8 minutes pour éliminer l’excès de glycérol à la surface de la plaque.
  11. Essuyez les gouttes au fond de l’assiette.
  12. Placez l’attachement de balance sur la balance et notez la masse comme la masse de la plaque saturée en glycérol.
  13. Soulevez lentement le contenant de glycérol en utilisant le cric de laboratoire jusqu’à ce que le dessus de la plaque soit complètement immergé. Notez cette masse comme la masse de la plaque submergée par glycérol.
  14. Répétez l’expérience en triple exemplaire.
    REMARQUE : Éliminer tous les résidus comme déchets chimiques dangereux, en suivant les directives de gestion des déchets de l’institution.

3. Analyse des données de porosité

REMARQUE : Les données nécessaires pour calculer la porosité des plaques ont été adaptées de Ferg et al.7, et une déduction détaillée des formules est fournie dans le fichier supplémentaire 1 7,8,9.

  1. Données nécessaires pour calculer la porosité de l’électrode
    1. Définissez les paramètres requis. Les paramètres nécessaires à l’analyse du pourcentage de porosité sont définis comme suit :
      Masse de la plaque sèche (g) = A
      Masse de la plaque saturée en glycérol (g) = B (à mesurer en triplicat)
      Masse de la plaque immergée de glycérol (g) = C (à mesurer en tripliqué)
      Masse de l’alliage de la grille (g) = D
      Densité de l’alliage de grille (g/cm 3) = E (NOTE : cela dépend du type d’alliage de plomb utilisé)
      Densité de glycérol (g/cm 3) = F
      Masse de matière active (g), G = (A - D)
      Densité absolue des matériaux actifs (g/cm 3),figure-protocol-2
      Volume poreux spécifique (cm 3/g), figure-protocol-3
      Densité vrale (g/cm 3),figure-protocol-4
      % Porosité, K = IJ x 100
  2. Générer les données restantes nécessaires aux calculs
    1. Déterminez la masse de la grille en retirant soigneusement le matériau actif de l’électrode.
      REMARQUE : Les figures 6A, B montrent les plaques de batteries au plomb formées positivement et négativement avec les matériaux actifs correspondants, tandis que les figures 6C et D montrent les grilles respectives.
  3. Analyse des données
    1. Ouvrez un tableau Excel et entrez chaque paramètre listé à l’étape 3.1 ainsi que les formules correspondantes dans les colonnes appropriées.
    2. Saisir la masse de la plaque sèche, A, dans une colonne.
    3. Entrer les masses tripliquées de la plaque saturée en glycérol, B, dans une colonne.
    4. Entrer les masses tripliquées de la plaque submergée, C, dans une colonne.
    5. Entrer la masse de l’alliage de la grille, D, dans une colonne.
    6. Entrez la densité de l’alliage de la grille, E, dans une colonne. (Selon le type d’alliage de plomb utilisé).
    7. Entrer la densité du glycérol, F, dans une colonne.
    8. Entrez la formule pour déterminer la masse active de la plaque, G, dans une colonne en soustrayant la masse de la plaque sèche, A, de la masse de l’alliage de grille, D, pour calculer les valeurs correspondantes.
      La masse de la matière active de la plaque, G = (A -D) (1)
    9. Saisir la formule pour déterminer la densité absolue du matériau actif, H, dans une colonne pour calculer les valeurs correspondantes.
      figure-protocol-5
    10. Entrez la formule pour déterminer le volume spécifique de pores, I, dans une colonne pour calculer les valeurs correspondantes.
      figure-protocol-6
    11. Entrez la formule pour déterminer la densité globale du matériau actif, J, dans une colonne pour calculer les valeurs correspondantes.
      La densité globale du matériau actif, figure-protocol-7
    12. Entrez la formule pour calculer le % de porosité de la masse active sur la plaque, K, dans une colonne pour calculer les valeurs correspondantes.
      % Porosité, K = IJ x 100 (5)
    13. Déterminez le pourcentage moyen de porosité et l’écart-type des plaques à l’aide de la fonction appropriée sur le tableur.

4. Analyse microstructurale par diffraction des rayons X en poudre

REMARQUE : Une analyse microstructurale par diffraction des rayons X en poudre a été réalisée sur des plaques réplicatives provenant de la même batterie exposées aux mêmes conditions afin de garantir que les données obtenues sont comparables et qu’il n’y a pas d’interférence structurelle.

  1. Préparation de l’échantillon pour la diffraction des rayons X de la surface de l’électrode
    1. Découpez soigneusement l’échantillon séché de la plaque à la forme appropriée pour l’adapter au porte-échantillon.
      REMARQUE : Cela doit être fait avec soin pour éviter de modifier la surface de l’électrode.
    2. Transférez l’échantillon dans un porte-échantillon propre, en veillant à ce que la hauteur de la surface de la plaque soit alignée avec le bord supérieur du porte-échantillon.
  2. Préparation de l’échantillon pour la diffraction des rayons X du volume de matériaux actifs
    REMARQUE : Une station de préparation d’échantillons obtenue auprès de Malvern Panalytical a été utilisée pour permettre un rechargement facile de l’échantillon de poudre dans le porte-échantillon.
    1. Retirez l’échantillon séché de la matière active de la plaque de la grille.
    2. Broyez le matériau actif en poudre avec un mortier et un pilon pour réduire uniformément la taille des particules et vous assurer qu’il y a suffisamment de poudre pour remplir un porte-échantillon standard.
    3. Nettoyez le porte-échantillons et la table de préparation de l’échantillon de la station de préparation des échantillons.
    4. Placez la plaque supérieure du porte-échantillons en 2 pièces à plat vers le bas sur la table de préparation de l’échantillon et fixez-la en appuyant et en relâchant le bouton de serrage de la table de préparation de l’échantillon.
    5. Remplissez la plaque supérieure du porte-échantillon avec la poudre à l’aide d’une spatule.
    6. Compressez doucement la poudre sur la plaque supérieure du porte-échantillon en pressant fermement et uniformément avec le bloc de presse à poudre de la station de préparation de l’échantillon. Assurez-vous que la hauteur de l’échantillon s’aligne avec le bord supérieur du porte-échantillon.
    7. Nettoyez les bords du porte-échantillons avec un pinceau à poudre pour enlever l’excès de poudre.
    8. Appuyez sur le bas du porte-échantillon de poudre en 2 pièces, face vers le bas, sur la plaque supérieure jusqu’à ce que ça clique.
    9. Retournez la table de préparation de l’échantillon et appuyez sur le bouton de serrage pour libérer le porte-échantillon. Vérifiez que la surface de la poudre est lisse et alignée avec le bord supérieur du porte-échantillon.
  3. Acquisition de données XRD
    REMARQUE : Des motifs de diffraction en poudre aux rayons X ont été enregistrés sur une plage de 2 thêta de 5°-80°, lors d’un balayage de 15 minutes à l’aide d’un diffractomètre de laboratoire équipé d’un tube à rayons X à anode de cobalt (Co).
    1. Chargez le porte-échantillon sur le diffractomètre XRD.
    2. Sélectionnez le programme de mesure approprié et saisissez les détails de l’échantillon dans le diffractomètre.
    3. Commence la mesure.
    4. Après la collecte des données, allez dans le menu de gestion des données du diffractomètre et exportez les résultats dans le dossier souhaité.
  4. Raffinement de Rietveld
    REMARQUE : Le DIFFRAC. EVA version 4.3 et DIFFRAC. La version 6 de TOPAS a été utilisée respectivement pour l’identification de phase et le raffinement quantitatif de Rietveld.
    1. Identifiez les phases disponibles dans l’échantillon à l’aide d’un logiciel dédié à l’identification des phases.
    2. Ouvre le DIFFRAC. Logiciel EVA et cliquez sur l’onglet importation depuis les fichiers pour charger le fichier de scan XRD (. RAW) sur le logiciel pour l’identification des pics.
    3. Cliquez sur l’onglet Recherche/Correspondance (scan) dans le panneau de commandes Données .
    4. Cliquez sur le menu déroulant à côté de l’onglet filtre chimique . Faites un clic droit pour sélectionner tous les éléments du tableau périodique, puis faites un clic droit à nouveau pour changer les éléments sélectionnés en « défaussés ».
    5. Décochez les éléments d’intérêt contenus dans l’exemple en cliquant sur le symbole de l’élément.
    6. Cliquez sur le bouton déroulant à côté de l’onglet filtre de la base de données et sélectionnez la base de données de votre choix.
    7. Cliquez sur l’onglet correspondance pour faire correspondre le motif de diffraction avec la base de données de référence afin d’identifier les phases.
    8. Quantifiez les phases identifiées dans l’échantillon à l’aide d’un logiciel d’analyse quantitative dédié.
    9. Ouvre le DIFFRAC. TOPAS et cliquez sur les fichiers de chargement pour importer les données XRD brutes dans le logiciel pour un raffinement quantitatif Rietveld.
    10. Cliquez sur le menu déroulant à côté du nom du fichier brut.
    11. Faites un clic droit sur l’onglet profil d’émission et chargez le profil d’émission.
    12. Cliquez sur l’onglet arrière-plan et affinez les paramètres d’arrière-plan.
    13. Cliquez sur l’onglet instrument et affinez les paramètres en fonction de la configuration de l’instrument.
    14. Cliquez sur l’onglet correction et affinez les facteurs d’erreur zéro, de déplacement de l’échantillon et de polarisation de Lorentz.
    15. Cliquez sur l’onglet Charger STR(s) pour charger les fichiers de structure des phases identifiées depuis la base de données CoD du logiciel TOPAS.
    16. Affinez les paramètres du réseau et les positions atomiques des structures cristallines.
    17. Cliquez sur l’onglet Run pour lancer le raffinement.
    18. Continuez à affiner jusqu’à ce que le facteur R-R (Rwp) de bonne adéquation et de profil pondéré soit inférieur à la norme acceptable.

5. Modifications et dépannage

REMARQUE : Cette section décrit les étapes cruciales du protocole pouvant affecter la précision et la reproductibilité des mesures de porosité dans les plaques de plomb et fournit des conseils pour résoudre les problèmes courants rencontrés pendant le protocole.

  1. Plaques fragiles
    1. Les plaques exposées à des conditions typiques de batterie peuvent devenir fragiles et se désintégrer lors de la manipulation. Manipulez les plaques avec délicatesse, en évitant de mettre la pression sur le matériau actif.
  2. Séchage incomplet des plaques
    1. Si les plaques ne sont pas complètement sèches, l’humidité résiduelle peut entraîner des inexactitudes dans la masse de la plaque sèche et, par conséquent, dans tous les calculs ultérieurs. Assurez-vous que les plaques sont complètement sèches avant de commencer la mesure de porosité, et vérifiez qu’une masse constante a été atteinte.
  3. Plaques acides résiduelles
    1. L’acide résiduel dans les plaques peut réagir lorsqu’il est immergé dans le glycérol. Rincez les assiettes doucement mais en profondeur à l’eau pour éliminer tout acide restant, afin de les éliminer complètement.
  4. Pénétration incomplète des pores
    1. Si le glycérol ne pénètre pas complètement tous les pores, le volume des pores calculé sera inférieur à la valeur réelle, affectant la porosité moyenne des plaques. Après 15 minutes d’infiltration assistée par vide, la présence de bulles d’air indique qu’il reste des pores à remplir ; Continuez à passer l’aspirateur jusqu’à ce que la bulle cesse. Bien que 15 minutes devraient convenir à la plupart des tailles de plaques, il faut optimiser le temps d’infiltration en fonction de la taille de la plaque.

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Résultats

Des tests de capacité ont été réalisés sur trois batteries au plomb-acide VRLA de 12 V, 7,2 Ah achetées commercialement, au taux C10 jusqu’à une tension inférieure de 10,5 V. Tous les tests de capacité ont été effectués à 25 °C. À leur réception, les batteries étaient rechargées à 14,8 V pendant 10 heures, avec un courant maximal de 2,9 A. Cela a été suivi de deux essais de capacité C10 avec une étape de recharge standard à 14,8 V pendant 24 heures à 2,9 A maximum....

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Discussion

Les tests de capacité ont montré que la Batterie 1 délivrait 92 % de la capacité nominale (6,62 Ah), la Batterie 2 50 % (3,58 Ah) avec seulement une récupération partielle de 3,32 Ah même après une recharge répétée, et la Batterie 3 livrait 91 % de la capacité nominale (6,57 Ah) (Tableau 1).

Les variations de la concentration de H2SO4 dans les pores PAM, résultant de réactions chimiques survenant dans les plaques lors du ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs déclarent que le travail présenté dans cet article est exempt d’intérêts conflictuels

Remerciements

Les auteurs apprécient uYilo et le programme postdoctoral de l’Université Nelson Mandela (NMU) pour le financement du projet

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
Diffractomètre à rayons X en poudre AerisMalvern Panalytical B.V., Almelo, Pays-BasPour l’analyse microstructurale   ;
Fixation d’équilibrage avec pinces crocodilePour permettre la pesée de la plaque saturée et immergée
Cellules de batterie (12 V, 7,2 Ah) & nbsp ;N/AN/AAny  ;
DIFFRAC. EVA V 4.3Bruker AXS  ; GmbH,  ; Karlsruhe, AllemagneVersion 4.3Logiciels d’identification de phase
DIFFRAC. TOPAS V6Bruker AXS  ; GmbH,  ; Karlsruhe, AllemagneVersion 6Logiciel de quantification de phase
Balancière électronique numériqueDixon Science, ChineEG5001-ABalancière électronique numérique avec une capacité maximale de 500 g et une précision de 0,01 g
Conduite centrale de dépression de laboratoireAppliquer du vide dans le récipient pour faciliter l’infiltration du glycérol dans les plaques.
Jack de laboratoireKarl-Kurt Juchheim ouvrier et auml ; te, GmbH, Allemagne2290De relever le contenant de glycérol jusqu’à ce que le dessus de l’assiette soit juste submergé
Porte-échantillons de poudreMalvern Panalytical B.V., Almelo, Pays-BasPour la conservation d’échantillons de poudre pour l’analyse XRD
Station de préparation d’échantillonsMalvern Panalytical B.V., Almelo, Pays-Bas9,43,00,17,70,101Permettre un rechargement facile des poudres dans les porte-échantillons pour l’analyse XRD
Structure robuste du châssisAny  ;
Contenant adapté avec couvercleAny  ;
Pince télescopique crocodilePour immerger les plaques dans le glycérol
Manomètre à videWIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, Klingenberg, AllemagneModèle : 611.10Pour mesurer la pression du vide appliqué

Références

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