הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הזזת גליצרול מבוססת ארכימדס למדידת נקבוביות אלקטרודות בסוללות עופרת-חומצה

1K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/69319

⸱

7 באפריל 2026

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

במאמר זה

סיכום

כאן אנו מציגים שיטת הזזת גליצרול פשוטה וזולה, המבוססת על עקרון ארכימדס למדידת נקבוביות אלקטרודות סוללות חומצה עופרת. השיטה מפגינה שחזוריות טובה ובטוחה יותר מהטכניקות המסורתיות, ודורשת כימיקלים וציוד בעלי סיכון נמוך. שילוב הטכניקה עם ניתוח מיקרוסטרוקטוריאלי באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן מספק מידע על תכונות אלקטרודות הסוללה וההתדרדרות.

תקציר

הביצועים של סוללות עופרת-חומצה תלויים מאוד בתכונות המבניות והשטחיות של החומרים הפעילים של האלקטרודות. מלבד חשיבות הרכב הפאזה של החומר בכל רגע נתון ביישום, שטח הפנים והנקבוביות שלו תורמים לביצועים הכוללים של הסוללה. פורוסימטריית כספית, המשתמשת בדגימה מייצגת של החומר הפעיל לניתוחה, שימשה באופן מסורתי למדידת נקבוביות לוחות הסוללה. מלבד האפשרות לגרום לסדקים וחללים בחומר בעת לקיחת הדגימה, מעבדות רבות התרחקו מהשימוש בכספית בשל רעילותה. לשיטת הזזת גליצרול מבוססת ארכימדס יש את היתרון שהיא שיטה פשוטה שמתחשבת בנקבוביות של כל פלטת הסוללה. למרות שהשיטה עשויה שלא לספק מידע מפורט על התפלגות נפח הנקבוביות של החומר, מושגת שחזוריות עבור לוחות בודדים וכן עבור קבוצות של לוחות שנלקחו מתא יחיד או שישה תאים מסוללה. השיטה מחשבת נקבוביות על בסיס צפיפות החומר המוחלטת וצפיפות המעטפת, תוך שימוש בנפח גליצרול נספג כדי למדוד את הנקבוביות הממוצעת על פני כל הלוח. סוללות עופרת-חומצה בדרך כלל נתונות למנגנוני הזדקנות המשפיעים על שלמות המבנה של החומר הפעיל ותכונות פני השטח. מחקר זה מתאר את השימוש בטכניקת הזזת גליצרול למדידת נקבוביות של פלטות סוללה, בשילוב עם אפיון חומר דיפרקציית קרני רנטגן אבקה, כדי להבין את מנגנוני הפירוק של סוללות שעברו מחזור חיי קיבולת והזדקנות לוח שנה או חיי מדף, בהתאמה. התוצאות הראו כי מנגנוני הכשל של הסוללות שונים באופן משמעותי ושהתכונות הכימיות והפיזיקליות של החומר הפעיל תלויות זו בזו; לכן, אי אפשר להסתמך רק על כלי אנליטי יחיד כדי לפרש מנגנון כישלון.

מבוא

סוללת עופרת-חומצה היא אחת הסוללות המסחריות הנטענות הוותיקות ביותר. בשנת 1859, הפיזיקאי הצרפתי גסטון פלאנט הדגים את עקרון העבודה של הסוללה על ידי הטבעת שני לוחות עופרת בחומצה גופרתית. הפוטנציאל למסחור התממש רק 20 שנה לאחר מכן, כאשר בוצעו שיפורים בטכנולוגיה באמצעות לוחות מודבקים שאפשרו לפרוק ולהטעין את הסוללה באמצעות זרם הפוך1.

אפילו בשלבים הראשונים של ההמצאה, חשיבות שטח הפנים החשוף ונקבוביות חומר הסוללה הפכו לברורות. היה מובן שככל ששטח הפנים של החומר גדול יותר, כך קיבולת הסוללה גדולה יותר2. באותה תקופה, המסחור של הסוללה מצא יישוםייחודי בתעשיית הרכב המתפתחת, ואפשר להפעיל מנועי בעירה פנימית לא רק לרכבי נוסעים אלא גם למנועים גדולים יותר ששימשו בצבא, כגון טנקים ומטוסים 3,4,5.

ככל שטכנולוגיות הייצור השתפרו לאורך השנים, כך גם ההתקדמות בניתוח הכימי וההבנה של התהליכים שמתרחשים בתוך הסוללה. תמיד יהיה צורך לשפר את תהליך הייצור כדי להבטיח מוצר עקבי שיהיה לא רק תחרותי במחיר אלא גם איכותי ויכול לספק גיבוי חשמלי לתקופות ארוכות יותר.

הכימיה המתרחשת בסוללה, המכונה תורת סולפט כפול, ייחודית בהשוואה לסוגי סוללות אחרים. במקרה זה, האלקטרוליט או החומצה מהווים חלק ממנגנון התגובה במהלך תהליך הפריקה והטעינה6.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
איור 1: איור סכמטי של מנגנוני הטעינה והפריקה של סוללת עופרת-חומצה. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה רחבה יותר של איור זה.

כאן, האלקטרודות או הלוחות שיכולים להוליך חשמל מגיבים עם החומצה ויוצרים גופרית עופרת, שניתן לראותו כמבודד (איור 1). לא כל החומר שעל הפלטה משמש בתהליך הפריקה. התגובה האלקטרוכימית מתרחשת בעיקר על פני השטח של החומר החשוף לחומצה, וכאשר הסוללה נטענת, חומר הסולפט המבודד עופרת חוזר לדו-תחמוצת העופרת המוליכה ועופרת בשני הלוחות המכונים קתודה ואנודה, בהתאמה. ככל ששטח הפנים גדול יותר, כך ניתן להתרחש יותר תגובות פריקה וכך ניתן להשיג יותר קיבולת. הלוחות מתוכננים להיות דקים יחסית ובדרך כלל ספציפיים ליישום. בעוצמה גבוהה בפרקי זמן קצרים, כמו בהנעת רכב, רצוי שטח גדול שבו החומצה יכולה לעבור או להתפשט בקלות למרכז הפלטה, בעוד שבסוללות שמיועדות לספק יותר קיבולת לאורך זמן בקצבי פריקה נמוכים יותר, בדרך כלל משתמשים בלוחות עבים יותר. זה הופך לפשרה בין החומר הזמין שהחומצה יכולה להגר או להתפזר אליו בקלות, לבין מתן תמיכה עבה וקשיחה יותר ללוח להחזיק מעמד זמן רב יותר ביישום.

ניתוח החומר הפעיל בתוך סוללה תמיד היה מאתגר בשל אופיו ההרסני. יש לחתוך את הסוללה ולפרק את הלוחות; זה יכול לספק רק תמונת מצב בזמן של מצב או מצב הסוללה. זה בדרך כלל קשור לרצון המדענים לדעת את מצב הטעינה (SoC) ומצב הבריאות (SoH) של הסוללה. בסוללה, הפרמטרים הכימיים החשובים ביותר וכנראה היחידים שניתן למדוד בנוחות כאנליסט הם התכונות הכימיות הכוללות את הרכב האלמנטים והפאזה שלה. טכניקות אלו מתבססות בדרך כלל על טכניקות ספיעה אטומית או פלואורסצנציה של קרני רנטגן, וכן על שיטות מתקדמות כמו מיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת ודיפרקציית קרני רנטגן של אבקה. קיימות גם טכניקות אנליטיות אלקטרוכימיות שניתן ליישם, כולל ספקטרוסקופיית התנגדות ווולטמטריה מחזורית, בין היתר.

מצד שני, תכונות פיזיקוכימיות כוללות את חוזק הלוחות, שטח הפנים הזמין, ונקבוביות החומר הפעיל. ניתוח שטח הפנים מתבצע בדרך כלל באמצעות טכניקות ספיגת חנקן, ובמחקר זה נמדדה נקבוביות הלוחות ששימשו בסוללת עופרת-חומצה. נקבוביות מתייחסת למרחב הפנוי הזמין בתוך החומר הפעיל שבו החומצה יכולה לנוע בחופשיות ולהיות במגע עם האתרים הפעילים, מה שיאפשר תגובה אלקטרוכימית להתרחש. אם הנקבוביות גבוהה מדי, יהיו מסלולי חיבור מוגבלים בין חלקיקי החומר הפעילים השונים, מה שמעלה את הסיכוי לניתוק. אם הנקבוביות נמוכה מדי, פחות חומצה תוכל להגיע לאתרים הפעילים, ובכך יפחית את הקיבולת הזמינה.

באופן מסורתי, נקבוביות של חומרים מוצקים בעלי נקבוביות בגודל מיקרו-עד מזו נמדדת באמצעות נקבוביות כספית. דבר זה דרש להסיר פיזית את החומר הפעיל מהלוח כדי להתאים למחזיק הדגימה של הכלי. לזה יש מספר חסרונות, ובראשם, נלקחת רק דגימה מייצגת מאזור הלוח; הדגימה כשלעצמה מנותקת מהרשת או מאספן הזרם, וכך נוצרת סדקים וחללים נוספים בחומר; ורבות מהמעבדות התרחקו מהשימוש בכספית בשל רעילותה. היתרון של הטכניקה הוא היכולת שלה לספק הערכה של התפלגות גודל הנקבוביות של החומר בטווח מסוים.

מחקר זה מציע טכניקה המשתמשת בכל הלוח למדידת הנקבוביות הכוללת של החומר הפעיל באמצעות עקרון ארכימדס. בהקשר לקביעת צפיפות החומר, עקרון ארכימדס קובע שכוח הציפה על גוף הטבול בנוזל שווה למשקל הנוזל שמוזז על ידי אותו עצם. עיקרון זה מאפשר לחשב את צפיפות הגוף על ידי מדידת משקלו באוויר ומשקלו כאשר הוא טבול בנוזל ידוע. כוח הציפה הזה משמש לחישוב נפח הנוזל המוסט, השווה לנפח הגוף.

הטכניקה ניתנת להגדרה בקלות במעבדה כדי למדוד את הנקבוביות של לוחות סוללות עופרת-חומצה שעברו תנאי ייצור או בדיקה מסוימים. למרות שהטכניקה עדיין הרסנית במובן של הצורך לחתוך את הסוללה כדי להסיר את הלוחות לניתוח, נלקחים בחשבון את נקבוביות כל הצלחת. לכן, השיטה מודדת את הנקבוביות הממוצעת על פני כל הלוח, ולוכדת שינויים באזורים מסוימים בפלטת שלרוב אינם נלקחים בחשבון. שינויים אלו מתרחשים בדרך כלל כאשר עובדים עם לוחות גדולים יחסית, כאשר ייתכן שאי-עקביות בייצור והשפעות הסטרטיפיקציה החומצית משפיעים על אזורי לוחות מסוימים לאורך זמן. עם זאת, מגבלה בשיטת הזזת גליצרול היא שהיא מודדת נקבוביות על בסיס נקבוביות חדירה. משמעות הדבר היא שניתן להמעיט בערך נקבוביות הפלטה אם גליצרול לא חודר במלואו לנקבוביות המסה הפעילה. כאשר יש נקבוביות סגורות, הטכניקה מתואמת בעקיפין למה שקורה בתוך הסוללה במהלך היישום, שכן החומצה גם לא תוכל לחדור לחלוטין לאזורים במסה הפעילה שיש להם נקבוביות סגורות. למרות מגבלה זו, השיטה נשארת בטוחה וחסכונית ומתאימה למדידת נקבוביות של לוחות סוללה.

במחקר זה נמדדות הנקבוביות של הלוחות השליליים והחיוביים של סוללת עופרת-חומצה (VRLA) קטנה יחסית בנפח 7.2 Ah. סוללות אלו משמשות בדרך כלל במערכות אזעקה ובקרת מנועי שער ביתיים. ההשפעה על נקבוביות הלוחות והרכב הפאזה הכימית של הסוללות נחקרה במונחים של מנגנון ההזדקנות האפשרי אליו נחשפת הסוללה. האחד הוא הזדקנות מופרזת של לוח שנה או חיי מדף, והשני הוא מחזור קיבולת חוזר בלי טעינה מספקת. אלו תנאים טיפוסיים שאליהם סוללות כאלה נחשפות. אלה שנשארים על מדפי הסיטונאים במשך חודשים ולעיתים שנים מבלי לקבל תשלום בוסט. יתרה מזאת, סוללות המשמשות במערכות אספקת כוח במצב המתנה עוברות מחזור קיבולת חוזר מסוג "הפסקת עומס", כאשר הטעינה של מערכת הממיר אינה מספקת לספק את האנרגיה הדרושה לטעינה מלאה של הסוללה בתקופות הטעינה הקצרות הזמינות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

הערה: הפרוטוקול דומה לזה שתואר קודם לכן על ידי Ferg ואחרים. הציוד והתגובות ששימשו במחקר מופיעים בטבלת החומרים. תמונה של הציוד המשמש למדידת נקבוביות האלקטרודות מוצגת באיור 2.

figure-protocol-1
איור 2: ציוד פשוט המשמש למדידת נקבוביות מבוססת הזזת גליצרול של אלקטרודות. ההתקנה כוללת (1) איזון אלקטרוני דיגיטלי, (2) תוספת איזון עם קליפסים של תנין, (3) מבנה מסגרת יציב, (4) פלטת סוללה שלילית, (5) מיכל עם גליצרול, ו-(6) ג'ק מעבדה. אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של האיור.

1. הכנת דגימה

  1. חילוץ הלוחות למדידת נקבוביות
    1. באמצעות מסור חיתוך פלסטיק, פתחו בזהירות את סוללת העופרת-חומצה על ידי חיתוך איטי לאורך התפר בין המעטפת למכסה.
      אזהרה: בדוק את גיליון נתוני בטיחות החומרים (MSDS) עבור כל החומרים המשמשים בפרוטוקול זה. סוללת עופרת-חומצה מכילה חומצה גופרתית קורוזייבית ולוחות עופרת רעילים. חתכו לאט במכסה אדים כימי מאוורר היטב תוך לבישת ציוד מגן אישי מלא, כולל כפפות עמידות לחומצה, כדי למנוע פגיעות אפשריות. כמו כן, שמרו על סוכני נטרול ומתקני חירום בקרבת מקום.
    2. פרק בזהירות את סוללת החומצה של עופרת.
    3. הסר כל תא סוללה והפריד את רכיביו, כדי להבטיח שהפלטות החיוביות והשליליות יוצאו ללא כל שינוי.
  2. הכנת הלוחות למדידת נקבוביות
    1. שטוף בעדינות את הצלחות במים כדי להסיר את החומצה שנותרה.
      הערה: ודא שהפלטות נקיות מכל חומצה שאריתית, שכן היא עלולה להגיב כאשר היא טבילה בגליצרול.
    2. ייבשו את הפלטה השלילית בתנור באטמוספירה אינרטית כמו חנקן כדי למנוע חמצון עופרת. יבש בטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס למשך 6 שעות או עד להשגת מסה קבועה.
    3. ייבשו את הצלחת החיובית בתנור בטמפרטורה של 110 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות.
      הערה: במקרה של צלחות מודבקות, יש להסיר את הנייר החיצוני לפני הייבוש בתנור.
    4. הוציאו את הצלחות מהתנור ותנו להן להתקרר במייבש כדי למנוע ספיגת לחות.
    5. חתוך את הלוזים של הלוחות וודא שהלוחות יבשים לפני תחילת מדידת הנקבוביות כדי לתעד מסות מדויקות.

2. מדידת נקבוביות

הערה: במחקר זה נעשה שימוש במאזן אלקטרוני דיגיטלי (קיבולת מרבית: 500 גרם; דיוק: 0.01 גרם).

  1. הניחו איזון אלקטרוני על מבנה מסגרת יציב מעל מיכל מתאים המכיל גליצרול בצפיפות ידועה.
    הערה: צפיפות הגליצרול תשמש בהמשך החישובים.
  2. הסר את הפלטה היבשה מהמייבש, הנח אותו על איזון אלקטרוני מרופד, ורשום את המסה כמסה של הפלטה היבשה.
  3. חבר את קליפס התנין הטלסקופי (הניתן להארכה) לראש רשת העופרת.
  4. טבלו את הפלטה לחלוטין בגליצרול, כדי להבטיח שהחלק המורחב של הקליפ נשאר מעל הנוזל כדי להוציא את הפלטה מהגליצרול בקלות. בועות שנלכדו בצלחת צריכות להתחיל להופיע.
  5. שים את המכסה על המיכל והכניס את הפקק.
    הערה: מכסה המיכל צריך להיות מתוכנן כך שיאפשר שימוש בוואקום.
  6. חבר את המערכת לאספקת ואקום נמוכה ומרח ואקום של כ-100 מ"בר עד שהצדדים של המיכל מראים שקע קל, ואז כבה את הוואקום. זה כדי להבטיח שהגליצרול חודר לכל הנקבוביות.
  7. תשאיר את הפלטה בוואקום לפחות 15 דקות.
    הערה: אם בועות אוויר עדיין בולטות מהצלחת העופרת לאחר תקופה זו, האריכו את זמן הוואקום עוד קצת. הנקבוביות הממוצעת של הלוחות יכולה להיות מוערכת בחסר אם הגליצרול לא חודר במלואו לכל הנקבוביות.
  8. הניחו את מחבר האיזון על משקל מרוקן ורשמו את המסה.
  9. הסר את הפלטה מהגליצרול וחבר אותה לשני קליפסי התנין שעל מחבר האיזון. תוודא שהפלטה ישרה ותכוון במידת הצורך.
  10. מניחים את מחבר האיזון עם הפלטת הרטובה על המשקל ותנו לפלטה לתלות מעל הגליצרול במשך 8 דקות כדי להסיר את הגליצרול העודף שנמצא על פני הפלטה.
  11. נגב כל טיפה בתחתית הצלחת.
  12. הנח את מחבר האיזון על המשקל ורשום את המסה כמסת הפלטה הרוויה בגליצרול.
  13. הרם לאט את מיכל הגליצרול באמצעות שקע המעבדה עד שהחלק העליון של הפלטה פשוט טובל. רשום את המסה הזו כמסת הפלטה הטבועה בגליצרול.
  14. חזור על הניסוי בשלושה עותקים.
    הערה: יש להשליך את כל השאריות כפסולת כימית מסוכנת, בהתאם להנחיות ניהול הפסולת של המוסד.

3. ניתוח נתוני הנקבוביות

הערה: הנתונים הנדרשים לחישוב נקבוביות הלוחות הותאמו מפרג ואחרים. al.7, וגזירת מפורטת של הנוסחאות מסופקת בתיק המשלים 1 7,8,9.

  1. הנתונים הנדרשים לחישוב נקבוביות האלקטרודה
    1. הגדר את הפרמטרים הנדרשים. הפרמטרים הנדרשים לניתוח אחוז הנקבוביות מוגדרים כך:
      מסה של לוח יבש (g) = A
      מסה של צלחת גליצרול רוויה (g) = B (יש למדוד בשלושה עותקים)
      מסה של לוח גליצרול טבול (g) = C (יימדד בשלושה עותקים)
      מסת סגסוגת הרשת (g)= D
      צפיפות סגסוגת הרשת (g/cm3) = E (הערה: זה נקבע לפי סוג סגסוגת העופרת שבה משתמש)
      צפיפות גליצרול (g/cm3) = F
      מסת חומר פעיל (g), G = (A - D)
      צפיפות מוחלטת של חומר פעיל (g/cm3),figure-protocol-2
      נפח נקבוביות ספציפי (ס"מ3/גרם), figure-protocol-3
      צפיפות נפחית (g/cm3),figure-protocol-4
      % נקבוביות, K = IJ x 100
  2. יצירת הנתונים הנותרים הדרושים לחישובים
    1. קבעו את מסת הרשת על ידי הסרה זהירה של החומר הפעיל מהאלקטרודה.
      הערה: איור 6A,B מציג פלטות סוללות עופרת-חומצה חיובית ושלילית עם חומרים פעילים תואמים, בעוד איור 6C, D מציגים את הרשתות המתאימות.
  3. ניתוח נתונים
    1. פתח גיליון אלקטרוני והזן כל פרמטר שמופיע בשלב 3.1 ואת הנוסחאות המתאימות לעמודות המתאימות.
    2. הזן את מסת הלוח היבש, A, לעמודה.
    3. הזן את המסות המשולשות של הפלטה הרוויה בגליצרול, B, לעמודה.
    4. הזן את המסות המשולשות של הלוח השקוף, C, לעמודה.
    5. הזן את מסת סגסוגת הרשת, D, לעמודה.
    6. הזן את צפיפות סגסוגת הרשת, E, לעמודה. (בהתאם לסוג סגסוגת העופרת שבה משתמשים).
    7. הזן את צפיפות הגליצרול, F, לעמודה.
    8. הזן את הנוסחה לקביעת מסת החומר הפעיל של הלוח, G, לעמודה על ידי חיסור מסת הלוח היבש, A, ממסת סגסוגת הרשת D, כדי לחשב את הערכים המתאימים.
      מסת החומר הפעיל של הלוח, G = (A -D) (1)
    9. הזן את הנוסחה לקביעת הצפיפות המוחלטת של החומר הפעיל, H, לעמודה כדי לחשב את הערכים המתאימים.
      figure-protocol-5
    10. הזן את הנוסחה לקביעת נפח נקבובית ספציפי, I, לעמודה כדי לחשב את הערכים המתאימים.
      figure-protocol-6
    11. הזן את הנוסחה לקביעת צפיפות הגזירה של החומר הפעיל, J, לעמודה כדי לחשב את הערכים המתאימים.
      צפיפות התגבורה של החומר הפעיל, figure-protocol-7
    12. הזן את הנוסחה לחישוב אחוז נקבוביות המסה הפעילה על הלוח, K, לעמודה כדי לחשב את הערכים המתאימים.
      % נקבוביות, K = IJ x 100 (5)
    13. קבעו את אחוז הנקבוביות הממוצעת וסטיית התקן של הלוחות באמצעות הפונקציה המתאימה בגיליון האלקטרוני.

4. ניתוח מיקרוסטרוקטוריאלי באמצעות דיפרקציית קרני רנטגן אבקתיות

הערה: ניתוח מיקרוסטרוקטוריאלי של דיפרקציית קרני רנטגן באבקה בוצע על לוחות משוכפלים מאותה סוללה שנחשפו לאותו מצב, כדי להבטיח שהנתונים שהתקבלו ניתנים להשוואה ואין הפרעות מבניות.

  1. הכנת דגימה לדיפרקציה בקרני רנטגן של פני האלקטרודה
    1. חתוך בזהירות את הדגימה היבשה של הצלחת לצורה המתאימה שתתאים למחזיק הדגימה.
      הערה: יש לעשות זאת בזהירות כדי למנוע שינוי במשטח האלקטרודה.
    2. העבר את הדגימה למחזיק דגימה נקי, תוך הבטחה שגובה פני הלוח מיושר עם הקצה העליון של מחזיק הדגימה.
  2. הכנת דגימה לדיפרקציה באמצעות קרני רנטגן של חומר פעיל
    הערה: תחנת הכנת דגימות שהושגה מ-Malvern Panalytical שימשה כדי לאפשר טעינה חוזרת קלה של דגימת האבקה אל מחזיק הדגימה.
    1. הסר את הדגימה המיובשת של החומר הפעיל של הפלטה מהרשת.
    2. לטחון את החומר הפעיל לאבקה עם טיט ועלי כדי להקטין באופן אחיד את גודל החלקיקים ולוודא שיש מספיק אבקה למילוי מחזיק דגימות סטנדרטי.
    3. נקה את מחזיק הדגימות ואת טבלת הכנת הדגימה של תחנת הכנת הדגימות.
    4. מניחים את הפלטה העליונה של מחזיק הדגימה הדו-חלקי שטוחה על שולחן ההכנה ומאובטחים אותה על ידי לחיצה ושחרור כפתור ההידוק של שולחן ההכנה.
    5. מלא יותר מדי את הפלטה העליונה של מחזיק הדגימה בדגימת האבקה באמצעות מרית.
    6. דחסו בעדינות את האבקה על הפלטה העליונה של מחזיק הדגימה על ידי לחיצה חזקה ואחידה עם בלוק הלחיצה של תחנת הכנת הדגימה. ודא שגובה הדגימה מיושר עם הקצה העליון של מחזיק הדגימה.
    7. נקה את קצוות מחזיק הדגימה עם מברשת אבק כדי להסיר את האבקה העודפת.
    8. לחץ את תחתית מחזיק הדגימה הדו-חלקי של האבקה עם הפנים כלפי מטה אל הפלטה העליונה עד שהיא נלחצת.
    9. הפוך את שולחן הכנת הדגימה ולחץ על כפתור הקלמפ כדי לשחרר את מחזיק הדגימות. וודא שמשטח האבקה חלק ומיושר עם הקצה העליון של מחזיק הדגימה.
  3. רכישת נתוני XRD
    הערה: דפוסי דיפרקציית קרני רנטגן באבקה תועדו בטווח של 2-תטא של 5°-80°, בסריקה של 15 דקות באמצעות דיפרקטומטור שולחני המצויד בצינור רנטגן אנודה מסוג קובלט (Co).
    1. טען את מחזיק הדגימה על דיפרקטומטר XRD.
    2. בחר את תוכנית המדידה המתאימה והזן את פרטי הדגימה לדיפרקטומטר.
    3. תתחיל את המדידה.
    4. לאחר איסוף הנתונים, עבור לתפריט ניהול הנתונים של הדיפרקטומטר ויצא את התוצאות לתיקייה הרצויה.
  4. עידון ריטוולד
    הערה: ה-DIFFRAC. גרסת EVA 4.3 ו-DIFFRAC. גרסת TOPAS 6 שימשה לזיהוי פאזה ולשיפור כמותי של ריטוולד, בהתאמה.
    1. זהה את הפאזות הזמינות בדגימה באמצעות תוכנת זיהוי פאזה ייעודית.
    2. פתח את ה-DIFFRAC. תוכנת EVA ולחץ על לשונית הייבוא מקבצים כדי לטעון את קובץ הסריקה של XRD (. קובץ RAW) לתוכנה לזיהוי שיא.
    3. לחץ על לשונית חיפוש/התאמה (סריקה) בלוח הפקודות של נתונים .
    4. לחצו על כפתור הנפתח ליד לשונית המסנן הכימי . לחץ קליק ימני כדי לבחור את כל האלמנטים בטבלה המחזורית, ואז לחץ ימני נוסף כדי לשנות את האלמנטים שנבחרו ל'נזרק'.
    5. בטל את הסימון של האלמנטים המעניינים שנמצאים בדגימה על ידי לחיצה על סמל האלמנט.
    6. לחצו על כפתור הנפתח ליד לשונית סינון מסד הנתונים ובחרו את מסד הנתונים המועדף.
    7. לחץ על לשונית ההתאמה כדי להתאים את תבנית הדיפרקציה למסד הנתונים המקורי ולזהות את הפאזות.
    8. כמת את הפאזות שזוהו בדגימה באמצעות תוכנת ניתוח כמותי ייעודית.
    9. פתח את ה-DIFFRAC. תוכנת TOPAS ולחץ על קבצי הטעינה לסרוק כדי לייבא את נתוני XRD הגולמיים לתוכנה לשיפור כמותי של Rietveld.
    10. לחץ על כפתור הנפתח ליד שם הקובץ הגולמי.
    11. לחץ קליק ימני על לשונית פרופיל הפליטה וטען את פרופיל הפליטה.
    12. לחץ על לשונית הרקע ועדן את פרמטרי הרקע.
    13. לחץ על לשונית הכלי ולחדד את הפרמטרים בהתאם לקונפיגורציית הכלי.
    14. לחץ על לשונית התיקון ועדן את גורמי השגיאה האפס, הזזת הדגימה וגורמי הקיטוב של לורנץ.
    15. לחץ על לשונית Load STR(s) כדי לטעון את קבצי המבנה של הפאזות שזוהו ממסד הנתונים CoD של תוכנת TOPAS.
    16. לחדד את פרמטרי הסריג והמיקומים האטומיים של מבנה הגביש(ים).
    17. לחץ על לשונית Run כדי להתחיל את ה-Refinment.
    18. המשיכו ללטש עד שמקדם R-factor (Rwp) של איכות ההתאמה והפרופיל המשקלל (Rwp) נמוך מהתקן המקובל.

5. שינויים ופתרון תקלות

הערה: סעיף זה מפרט צעדים קריטיים בפרוטוקול שיכולים להשפיע על דיוק ושחזוריות מדידות נקבוביות בלוחות עופרת ומספק הנחיות לטיפול בבעיות נפוצות שניתן להיתקל בהן במהלך הפרוטוקול.

  1. לוחות שבירים
    1. לוחות החשופים לתנאי סוללה טיפוסיים עלולים להפוך לשבריריים ועלולים להתפרק במהלך הטיפול. טפל בלוחות בעדינות, תוך הימנעות מלחץ על החומר הפעיל.
  2. ייבוש לא מלא של לוחות
    1. אם הלוחות אינם מיובשים לחלוטין, לחות שנותרת עלולה לגרום לאי-דיוקים במסת הלוח היבש ובהתאם לכך בכל החישובים הבאים. ודאו שהלוחות יבשים לחלוטין לפני תחילת מדידת הנקבוביות, וודאו שהושגו מסה קבועה.
  3. לוחות חומצה שאריתיים
    1. חומצה שנותרת בלוחות עשויה להגיב כאשר היא טבועה בגליצרול. שטפו את הצלחות בעדינות אך היטב במים כדי להסיר את החומצה שנותרה, ולהבטיח הסרה מלאה.
  4. חדירה לא שלמה לנקבוביות
    1. אם גליצרול לא חודר במלואו לכל הנקבוביות, נפח הנקבוביות המחושב יהיה נמוך מהערך האמיתי, מה שישפיע על הנקבוביות הממוצעת של הלוחות. לאחר 15 דקות של חדירה בעזרת ואקום, נוכחות בועות אוויר מצביעה על נקבוביות שעדיין לא מולאו; המשך לשאוב אבק עד שהבועה תפסיק. בעוד ש-15 דקות אמורות להתאים לרוב גדלי הלוחות, כדאי למקסם את זמן החדירה בהתאם לגודל הלוחות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

בדיקות קיבולת בוצעו על שלוש סוללות עופרת-חומצה של 12 וולט, 7.2 Ah VRLA שנרכשו מסחרית, בקצב C10 ועד למתח נמוך יותר של 10.5 וולט. כל בדיקות הקיבולת בוצעו בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס. עם קבלת הסוללות נטענו מחדש ב-14.8 וולט ל-10 שעות, עם זרם מרבי של 2.9 אמפר. לאחר מכן בוצעו שני בדיקות קיבולת של C10 עם שלב טעינה סטנדרטי ב-14.8 וולט למשך 24 שעות במקסימום 2.9 אמפר. תוצאות הקיבולות הראשוניות של C10 מסוכמות בטבלה 1.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

בדיקות קיבולת הראו שסוללה 1 סיפקה 92% מהקיבולת המדוורגת (6.62 Ah), סוללה 2 סיפקה 50% (3.58 Ah) עם התאוששות חלקית בלבד של 3.32 Ah גם לאחר שלב טעינה חוזר, וסוללה 3 סיפקה 91% מהקיבולת המדוורגת (6.57 Ah) (טבלה 1).

שינויים בריכוז H2SO4 בתוך נקבוביות ה-PAM, הנובעים מתגובות כימיות המתרחשות בלוחות במהלך מחזור הקיבולת, משפיעים על המבנה והמורפולוגיה של ה-PbO₂ שנוצר בלוחות11. ה-PbO₂ יכול להתקיים כפאזה α-PbO₂ ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים מצהירים כי העבודה המוצגת במאמר זה חפה מאינטרסים סותרים

תודות

המחברים מעריכים את uYilo ואת תוכנית הפוסט-דוקטורט של אוניברסיטת נלסון מנדלה (NMU) על מימון הפרויקט

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מד דיפרקטומטרי קרני רנטגן של Aeris benchtopמלברן אנליטי ב.ו., אלמלו, הולנדלניתוח מיקרו-מבנה 
אביזר איזון עם קליפסים של תניןכדי לאפשר שקילת הפלטה הרוויה והטבועה
תאי סוללה (12 וולט, 7.2 אלפרנספירה) לא זמיןלא זמיןAny 
DIFFRAC. EVA V 4.3ברוקר AXS  GmbH,  קרלסרוהה, גרמניהגרסה 4.3תוכנת זיהוי פאזה
DIFFRAC. TOPAS V6ברוקר AXS  GmbH,  קרלסרוהה, גרמניהגרסה 6תוכנת כימות פאזה
איזון אלקטרוני דיגיטלידיקסון סיינס, סיןEG5001-Aמאזן אלקטרוני דיגיטלי עם קיבולת מקסימלית של 500 גרם ודיוק של 0.01 גרם
קו ואקום מרכזי במעבדהלהפעיל ואקום על המיכל כדי להקל על חדירת גליצרול ללוחות.
ג'ק מעבדהקרל-קורט יוכהיים לבורגר ואומל; te, GmbH, גרמניה2290להרים את מיכל הגליצרול עד שהחלק העליון של הצלחת פשוט שקוע במים
מחזיקי דגימות אבקהמלברן אנליטי ב.ו., אלמלו, הולנדלאחסון דגימות אבקה לניתוח XRD
תחנת הכנת דגימותמלברן אנליטי ב.ו., אלמלו, הולנד9,43,00,17,70,101כדי לאפשר טעינה חוזרת קלה של אבקות לתוך מחזיקי הדגימות לניתוח XRD
מבנה מסגרת יציבAny 
מיכל מתאים עם מכסהAny 
קליפס תנין טלסקופילטבלת הלוחות בגליצרול
מד לחץ ואקוםWIKA אלכסנדר ויגנד SE & חברת KG, קלינגנברג, גרמניהדגם: 611.10למדוד את לחץ הוואקום המופעל

מקורות

  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).
  2. Heth, C. L. Energy on demand: a brief history of the development of the battery. Substantia. 3 (2), 77-86 (2019).
  3. Catherino, H. A., Feres, F. F., Trinidad, F. Sulfation in lead-acid batteries. J Power Sources. 129 (1), 113-120 (2004).
  4. Pavlov, D. Lead-Acid Batteries: Science and Technology. , Elsevier. (2011).
  5. Zau, A. T. P., Lencwe, M. J., Chowdhury, S. D., Olwal, T. O. A battery management strategy in a lead-acid and lithium-ion hybrid battery energy storage system for conventional transport vehicles. Energies. 15 (7), 2577(2022).
  6. Garche, J., Karden, E., Moseley, P. T., Rand, D. A. Lead-Acid Batteries for Future Automobiles. , Elsevier. (2017).
  7. Ferg, E., Loyson, P., Rust, N. Porosity measurements of electrodes used in lead-acid batteries. J Power Sources. 141 (2), 316-325 (2005).
  8. Investigation of the effects of mass of active materials of lead-acid battery on active mass utilization coefficient. Hasan, M. K., Kibria, M. G. Proceedings of 7th International Conference on Mechanical, Industrial and Energy Engineering-Part II, 2, 57-60 (2025).
  9. Zhang, Q., Cui, N., Zhou, Z., Shang, Y., Duan, B. Critical review and analysis of available capacity estimation of LiFePO4 battery using Peukert's law: A case study. Int J Energy Res. 46 (15), 23808-23823 (2022).
  10. AXS, B. TOPAS v6: General Profile and Structure Analysis Software for Powder Diffraction Data. User's Manual. , Bruker AXS. Karlsruhe, Germany. (2017).
  11. Pavlov, D., Kirchev, A., Stoycheva, M., Monahov, B. Influence of H2SO4 concentration on the mechanism of the processes and on the electrochemical activity of the Pb/PbO2/PbSO4 electrode. J Power Sources. 137 (2), 288-308 (2004).
  12. Romero, A. F., Ocón, P. Phase Transformation Processes in the Active Material of Lead-Acid Batteries. Phase Change Materials-Technology and Applications. , IntechOpen. (2022).
  13. Liu, Z., Luo, X., Ji, D. Effect of phase composition of PbO2 on cycle stability of soluble lead flow batteries. J Energy Storage. 38, 102524(2021).
  14. Hao, H., et al. A review of the positive electrode additives in lead-acid batteries. Int J Electrochem Sci. 13 (3), 2329-2340 (2018).
  15. Mandal, S., et al. Positive electrode active material development opportunities through carbon addition in the lead-acid batteries: a recent progress. J Power Sources. 485, 229336(2021).
  16. Hossain, M. D., et al. Effects of additives on the morphology and stability of PbO2 films electrodeposited on nickel substrate for light weight lead-acid battery application. J Energy Storage. 27, 101108(2020).
  17. Wall, M. T., et al. Growth mechanisms of nano-to micro-sized lead sulfate particles. ACS Omega. 6 (16), 10557-10567 (2021).
  18. Kubota, Y. Water adsorption on lead dioxide from ab initio molecular dynamics simulations. J Chem Phys. 158 (13), (2023).
  19. Iliev, V., Pavlov, D. Self-discharge and passivation phenomena in lead-acid batteries during storage. J Electrochem Soc. 129 (3), 458(1982).
  20. Snyders, C., Ferg, E., Van Dyl, T. The use of a polymat material to reduce the effects of sulphation damage occurring in negative electrodes due to the partial state of charge capacity cycling of lead acid batteries. J Power Sources. 200, 102-107 (2012).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

Powder X Ray Diffraction
הזזת גליצרול מבוססת ארכימדס למדידת נקבוביות אלקטרודות בסוללות עופרת-חומצה
צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.