Qui presentiamo un metodo semplice e a basso costo di spostamento del glicerolo basato sul principio di Archimede per la misurazione delle porosità degli elettrodi delle batterie al piombo. Il metodo dimostra una buona riproducibilità ed è più sicuro rispetto alle tecniche tradizionali, richiedendo sostanze chimiche e attrezzature a basso rischio. Combinando la tecnica con l'analisi microstrutturale tramite diffrazione a raggi X, si aggiunge informazioni sulle proprietà degli elettrodi della batteria e sulla degradazione.
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Articolo metodologico
Spostamento del glicerolo basato su Archimede per la misurazione della porosità degli elettrodi nelle batterie al piombo-acido
In questo articolo
Sommario
Abstract
Le prestazioni delle batterie al piombo-acido dipendono fortemente dalle proprietà strutturali e superficiali dei materiali attivi degli elettrodi. Oltre all'importanza della composizione delle fasi del materiale in un dato momento di applicazione, la sua superficie e porosità contribuiscono alle prestazioni complessive della batteria. La porosimetria del mercurio, che utilizza un campione rappresentativo del materiale attivo per la sua analisi, è stata tradizionalmente utilizzata per misurare la porosità delle piastre della batteria. Oltre alla possibilità di indurre crepe e cavità nel materiale durante il prelievo del campione, molti laboratori si sono allontanati dall'uso del mercurio a causa della sua tossicità. La tecnica di spostamento del glicerolo a base di Archimede ha il vantaggio di essere un metodo semplice che considera la porosità dell'intera piastra della batteria. Anche se il metodo potrebbe non fornire informazioni dettagliate sulla distribuzione del volume dei pori del materiale, la riproducibilità si ottiene sia per singole piastre sia per gruppi di piastre prelevate da una singola cella che da sei celle da una batteria. Il metodo calcola la porosità in base alla densità assoluta e di involucro del materiale, che utilizza il volume assorbito di glicerolo per misurare la porosità media su tutta la placca. Le batterie al piombo-acido sono solitamente soggette a meccanismi di invecchiamento che influenzano l'integrità strutturale e le proprietà superficiali del materiale attivo. Questo studio descrive l'uso della tecnica dello spostamento del glicerolo per la misurazione delle porosità delle piastre della batteria, combinata con la caratterizzazione del materiale di diffrazione a raggi X in polvere per comprendere i meccanismi di degrado delle batterie sottoposte rispettivamente a cicli di vita della capacità e invecchiamento o durata di conservazione del calendario. I risultati hanno mostrato che i meccanismi di guasto delle batterie sono significativamente diversi e che sia le proprietà chimiche che fisiche del materiale attivo sono interdipendenti; Pertanto, non si può fare affidamento su un singolo strumento analitico solo per interpretare un meccanismo di guasto.
Introduzione
La batteria al piombo è una delle batterie ricaricabili commerciali più antiche. Nel 1859, il fisico francese Gaston Plante dimostrò il principio di funzionamento della batteria immergendo due piastre di piombo in acido solforico. Il potenziale di commercializzazione fu realizzato solo 20 anni dopo, quando furono apportati miglioramenti alla tecnologia utilizzando piastre incollate che permettevano di scaricare e caricare la batteria tramite una correnteinversa 1.
Anche nelle prime fasi dell'invenzione, l'importanza della superficie esposta e della porosità del materiale della batteria divenne evidente. Si capiva che più grande era la superficie del materiale, maggiore era la capacità dellabatteria 2. All'epoca, la commercializzazione della batteria trovò un'applicazione unica nell'industria automobilisticaemergente 1, permettendo l'avvio di motori a combustione interna non solo di veicoli passeggeri ma anche di motori più grandi utilizzati nell'esercito, come carri armati eaerei 3,4,5.
Con il miglioramento delle tecnologie di produzione nel corso degli anni, sono aumentati anche i progressi nell'analisi chimica e nella comprensione dei processi che avvengono all'interno della batteria. Ci sarà sempre la necessità di migliorare il processo produttivo per garantire un prodotto costante, non solo competitivo in termini di prezzo, ma anche di buona qualità e in grado di fornire supporto elettrico per periodi più lunghi.
La chimica che si verifica nella batteria, chiamata teoria del doppio solfato, è unica rispetto ad altri tipi di batterie. In questo caso, l'elettrolita o l'acido costituiscono parte del meccanismo di reazione durante il processo di scarica e carica6.
Figura 1: Illustrazione schematica dei meccanismi di reazione di carica e scarica di una batteria al piombo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Qui, gli elettrodi o le piastre che possono condurre l'elettricità reagiscono con l'acido formando solfato di piombo, che può essere visto come isolante (Figura 1). Non tutto il materiale presente su una piastra viene utilizzato nel processo di scarica. La reazione elettrochimica avviene prevalentemente sulla superficie del materiale esposto all'acido e, quando la batteria è carica, il materiale isolante di solfato di piombo si converte nuovamente in biossido di piombo conduttivo e piombo sulle due lastre denominate rispettivamente catodo eanodo 5. Più grande è la superficie, più reazioni di scarica possono verificarsi e maggiore può essere ottenuta capacità. Le piastre sono progettate per essere relativamente sottili e solitamente specifiche per l'applicazione. Per un'elevata potenza in brevi periodi di tempo, come all'avvio di un'auto, è desiderabile un'area ampia dove l'acido possa facilmente viaggiare o diffondersi al centro della placca, mentre per le batterie destinate a fornire maggiore capacità su periodi più lunghi a tassi di scarica più basse, di solito si usano piastre più spesse. Questo diventa un compromesso tra il materiale disponibile in cui l'acido può facilmente migrare o diffondersi, e fornire un supporto più spesso e rigido affinché la piastra duri più a lungo nell'applicazione.
L'analisi del materiale attivo all'interno di una batteria è sempre stata una sfida a causa della sua natura distruttiva. La batteria deve essere tagliata e le piastre smontate; Questo può fornire solo un'istantanea in tempo dello stato o condizione della batteria. Questo di solito riguarda il desiderio degli scienziati di conoscere lo stato di carica (SoC) e lo stato di salute (SoH) della batteria. In una batteria, i parametri chimici più importanti e probabilmente gli unici che si possono misurare comodamente come analista sono le proprietà chimiche che includono la sua composizione elementare e di fase. Queste tecniche si basano solitamente su tecniche di assorbimento atomico o di fluorescenza a raggi X, oltre a metodi avanzati come la microscopia elettronica a scansione e la diffrazione a raggi X in polvere. Esistono anche tecniche analitiche elettrochimiche applicabili, tra cui la spettroscopia di impedenza e la voltametria ciclica, tra le altre.
D'altra parte, le proprietà fisicochimiche includono la resistenza delle lastre, la superficie disponibile e la porosità del materiale attivo. L'analisi della superficie è tipicamente effettuata tramite tecniche di adsorbimento dell'azoto, e in questo studio è stata misurata la porosità delle piastre utilizzate nella batteria al piombo. La porosità riguarda lo spazio libero disponibile all'interno del materiale attivo in cui l'acido si muove liberamente e entra in contatto con i siti attivi, permettendo così di avere luogo una reazione elettrochimica. Se la porosità è troppo alta, ci saranno percorsi connettivi limitati tra le varie particelle del materiale attivo, aumentando la probabilità di disconnessione. Se la porosità è troppo bassa, meno acido potrà raggiungere i siti attivi, riducendo così la capacità disponibile.
Tradizionalmente, la porosità dei materiali solidi con pori micro- o mesodimensionali viene misurata tramite porosimetria a mercurio. Ciò richiedeva la rimozione fisica del materiale attivo dalla piastra per poterlo inserire nel portacampioni dello strumento. Questo presenta diversi svantaggi, ovvero che viene prelevato solo un campione rappresentativo da un'area di placca; il campione in quanto tale viene scollegato dalla griglia o dal collettore di corrente, inducendo così ulteriori crepe e cavità nel materiale; e molti laboratori si sono allontanati dall'uso del mercurio a causa della sua tossicità. Il vantaggio della tecnica è la sua capacità di fornire una stima della distribuzione della dimensione dei pori del materiale entro un certo intervallo.
Questo studio propone una tecnica che utilizza l'intera lastra per misurare la porosità totale del materiale attivo utilizzando il principio di Archimede. Nel contesto della determinazione della densità materiale, il principio di Archimede afferma che la forza di galleggiamento su un oggetto immerso in un fluido è uguale al peso del fluido spostato da quell'oggetto. Questo principio permette di calcolare la densità di un oggetto misurandone il peso in aria e il suo peso quando è immerso in un fluido noto. Questa forza di galleggiamento viene poi utilizzata per calcolare il volume del fluido spostato, che è uguale al volume dell'oggetto.
La tecnica può essere facilmente implementata in laboratorio per misurare la porosità delle piastre di batterie al piombo-acido sottoposte a determinate condizioni di produzione o di test. Anche se la tecnica è ancora distruttiva nel senso che deve aprire la batteria per rimuovere le piastre per l'analisi, si considera la porosità dell'intera placca. Pertanto, il metodo misura la porosità media su tutta la placca, catturando variazioni di alcune regioni della lastra che di solito non vengono considerate. Queste variazioni si verificano tipicamente quando si lavora con piastre relativamente grandi; dove possibile, le incoerenze di fabbricazione e gli effetti della stratificazione acida possono influenzare specifiche regioni delle lastre nel tempo. Tuttavia, una limitazione del metodo di spostamento del glicerolo è che misura la porosità in base ai pori permeabili. Ciò significa che è possibile sottostimare la porosità della piastra se il glicerolo non penetra completamente nei pori della massa attiva. Quando sono presenti pori chiusi, la tecnica si correla indirettamente con ciò che accade all'interno della batteria durante l'applicazione, poiché l'acido non sarebbe in grado di penetrare completamente le aree della massa attiva che hanno pori chiusi. Nonostante questa limitazione, il metodo rimane sicuro ed economico ed è adatto per misurare la porosità delle piastre della batteria.
In questo studio, vengono misurate le porosità sia delle piastre negative che positive di una batteria al piombo-acido (VRLA) da 7,2 Ah relativamente piccola e regolata a valvole. Queste batterie sono tipicamente utilizzate nei sistemi di controllo degli allarmi domestici e dei motori a cancello. L'effetto sulla porosità delle piastre e sulla composizione chimica delle fasi fu studiato in termini del possibile meccanismo di invecchiamento a cui la batteria era esposta. Una è l'eccessiva invecchiamento del calendario o la durata di conservazione, l'altra è il ciclo ripetuto senza sufficiente ricarica. Queste sono condizioni tipiche a cui tali batterie sono esposte. Quelli che rimangono sugli scaffali del grossista elettrico per molti mesi e a volte anni senza ricevere un caricamento di boost. Inoltre, le batterie utilizzate nei sistemi di alimentazione di standby sono soggette a cicli ripetuti di capacità "tipo turn-shedding", dove la ricarica del sistema inverter è insufficiente a fornire l'energia necessaria per ricaricare completamente la batteria durante i brevi periodi di ricarica disponibili.
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Protocollo
NOTA: Il protocollo è simile a quello precedentemente descritto da Ferg et al.7. Le attrezzature e i reagenti utilizzati nello studio sono elencati nella Tabella dei Materiali. Un'immagine dell'apparecchiatura utilizzata per la misurazione della porosità degli elettrodi è presentata nella Figura 2.
Figura 2: Apparecchiatura semplice utilizzata per la misurazione della porosità degli elettrodi basata sullo spostamento del glicerolo. L'allestimento comprende (1) una bilancia elettronica digitale, (2) un attacco bilanciere con clip a coccodrillo, (3) una struttura robusta del telaio, (4) una piastra della batteria negativa, (5) un contenitore con glicerolo e (6) un jack da laboratorio . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
1. Preparazione del campione
- Estrazione delle lastre per la misurazione della porosità
- Utilizzando una sega da taglio in plastica, apri con cura la batteria al piombo tagliando lentamente lungo la giuntura tra il rivestimento e il coperchio.
ATTENZIONE: Consultare la scheda dati di sicurezza dei materiali (MSDS) per tutti i materiali utilizzati in questo protocollo. Una batteria al piombo-acido contiene acido solforico corrosivo e piastre di piombo tossico. Apri lentamente in una cappa chimica ben ventilata indossando dispositivi di protezione individuale completi, inclusi guanti resistenti agli acidi, per prevenire potenziali infortuni. Inoltre, continua a neutralizzare agenti e strutture di emergenza nelle vicinanze. - Smonta con cura la batteria al piombo.
- Rimuovere ogni cella della batteria e separarne i componenti, assicurandosi che le piastre positive e negative vengano estratte senza alcuna modifica.
- Utilizzando una sega da taglio in plastica, apri con cura la batteria al piombo tagliando lentamente lungo la giuntura tra il rivestimento e il coperchio.
- Preparazione delle lastre per la misurazione della porosità
- Sciacquare delicatamente i piatti con acqua per rimuovere l'acido residuo.
NOTA: Assicurati che le placche siano libere da qualsiasi residuo di acido, poiché questo potrebbe reagire quando immerso nel glicerolo. - Asciuga la piastra negativa in un forno sotto un'atmosfera inerte come l'azoto per prevenire l'ossidazione del piombo. Asciugare a 110 °C per 6 ore o fino a raggiungere una massa costante.
- Asciuga la piastra positiva in forno a 110 °C per 24 ore.
NOTA: Nel caso di piatti incollati, la carta esterna va rimossa prima di asciugarla in forno. - Rimuovi i piatti dal forno e lasciali raffreddare in un essiccatore per evitare l'assorbimento dell'umidità.
- Taglia le asette delle piastre e assicurati che siano asciutte prima di iniziare la misurazione della porosità per registrare le masse con precisione.
- Sciacquare delicatamente i piatti con acqua per rimuovere l'acido residuo.
2. Misurazione della porosità
NOTA: In questo studio è stata utilizzata una bilancia elettronica digitale (capacità massima: 500 g; precisione: 0,01 g).
- Posizionare una bilancia elettronica su una struttura robusta sopra un contenitore adatto che contiene il glicerolo di densità nota.
NOTA: La densità di glicerolo sarà utilizzata successivamente nei calcoli. - Rimuovi la piastra asciutta dal dissecatore, posizionala su una bilancia elettronica tarata e registra la massa come massa della piastra asciutta.
- Attacca la clip telescopica (estesibile) per coccodrillo alla sommità della griglia di piombo.
- Immergi completamente la piastra nel glicerolo, assicurandoti che la porzione estesa della clip sia mantenuta sopra il liquido per facilitare la rimozione della piastra dal glicerolo. Le bolle intrappolate nella piastra dovrebbero iniziare a emergere.
- Metti il coperchio sul contenitore e inserisci il tappo.
NOTA: Il coperchio del contenitore dovrebbe essere progettato per consentire l'applicazione del vuoto. - Collega l'impianto a un alimentatore a basso vuoto e applica un vuoto di circa 100 mbar finché i lati del contenitore non mostrano una leggera incavazione, poi spegni il vuoto. Questo serve a garantire che il glicerolo penetri in tutti i pori.
- Tieni la piastra sotto vuoto per almeno 15 minuti.
NOTA: Se le bolle d'aria emergono ancora visibilmente dalla piastra di piombo dopo questo periodo, estendi il tempo di vuoto per un po' di più. La porosità media delle placche può essere sottostimata se il glicerolo non penetra completamente in tutti i pori. - Posiziona l'attacco del bilanciere su una bilancia tareggiata e registra la massa.
- Rimuovi la piastra dal glicerolo e attaccala alle due clip di coccodrillo sull'attacco della bilancia. Assicurati che la piastra sia in linea e regola se necessario.
- Posiziona l'attacco di bilanciamento con il piatto bagnato sulla bilancia e lascia che il piatto penda sopra il glicerolo per 8 minuti per rimuovere l'eccesso di glicerolo presente sulla superficie del piatto.
- Pulisci eventuali gocce sul fondo della piastrella.
- Posiziona l'attacco di bilanciamento sulla bilancia e registra la massa come massa della piastra satura di glicerolo.
- Alza lentamente il contenitore del glicerolo usando il cricche da laboratorio finché la parte superiore della piastra non è completamente sommersa. Registra questa massa come la massa della piastra sommersa con glicerolo.
- Ripeti l'esperimento in triplice.
NOTA: Smaltire tutti i residui come rifiuti chimici pericolosi, seguendo le linee guida di gestione dei rifiuti dell'istituzione.
3. Analisi dei dati sulla porosità
NOTA: I dati necessari per calcolare la porosità delle lastre sono stati adattati da Ferg et al.7, e una derivazione dettagliata delle formule è fornita nel file supplementare 1 7,8,9.
- Dati necessari per calcolare la porosità dell'elettrodo
- Definisci i parametri richiesti. I parametri necessari per analizzare la percentuale di porosità sono definiti come segue:
Massa della piastra secca (g) = A
Massa di piastra saturata di glicerolo (g) = B (da misurare in triplice)
Massa di piastra sommersa da glicerolo (g) = C (da misurare in triplice)
Massa della lega a griglia (g)= D
Densità della lega di griglia (g/cm 3) = E (NOTA: questo è determinato dal tipo di lega di piombo utilizzata)
Densità di glicerolo (g/cm 3) = F
Massa del materiale attivo (g), G = (A - D)
Densità assoluta del materiale attivo (g/cm 3),
Volume specifico dei pori (cm3/g),
Densità aggregata (g/cm 3),
% Porosità, K = IJ x 100
- Definisci i parametri richiesti. I parametri necessari per analizzare la percentuale di porosità sono definiti come segue:
- Generare i dati rimanenti necessari per i calcoli
- Determinare la massa della griglia rimuovendo con attenzione il materiale attivo dell'elettrodo.
NOTA: Le Figure 6A,B mostrano piastre di batterie al piombo formate positivamente e negativamente con materiali attivi corrispondenti, mentre le Figure 6C, D mostrano le rispettive griglie.
- Determinare la massa della griglia rimuovendo con attenzione il materiale attivo dell'elettrodo.
- Analisi dei dati
- Apri un foglio di calcolo e inserisci ogni parametro elencato nel passo 3.1 e le relative formule nelle colonne appropriate.
- Inserisci la massa della piastra secca, A, in una colonna.
- Inserire le masse triplice della piastra satura di gliceroli, B, in una colonna.
- Inserisci le masse triplice della piastra sommersa, C, in una colonna.
- Inserisci la massa della lega della griglia, D, in una colonna.
- Inserisci la densità della lega della griglia, E, in una colonna. (A seconda del tipo di lega di piombo utilizzata).
- Inserisci la densità del glicerolo, F, in una colonna.
- Si inserisce la formula per determinare la massa del materiale attivo della placca, G, in una colonna sottraendo la massa della piastra secca, A, dalla massa della lega a griglia, D, per calcolare i valori corrispondenti.
La massa del materiale attivo della placca, G = (A -D) (1) - Inserisci la formula per determinare la densità assoluta del materiale attivo, H, in una colonna per calcolare i valori corrispondenti.
- Inserisci la formula per determinare il volume specifico dei pori, I, in una colonna per calcolare i valori corrispondenti.
- Inserire la formula per determinare la densità complessiva del materiale attivo, J, in una colonna per calcolare i valori corrispondenti.
La densità complessiva del materiale attivo,
- Inserire la formula per calcolare la % di porosità della massa del materiale attivo sulla piastra K, in una colonna per calcolare i valori corrispondenti.
% Porosità, K = IJ x 100 (5) - Determina la percentuale media di porosità e deviazione standard delle lastre utilizzando la funzione appropriata nel foglio di calcolo.
4. Analisi microstrutturale tramite diffrazione a raggi X in polveri
NOTA: L'analisi microstrutturale a raggi X con diffrazione di polveri è stata effettuata su piastre replicate della stessa batteria esposte alle stesse condizioni, per garantire che i dati ottenuti siano comparabili e che non vi siano interferenze strutturali.
- Preparazione del campione per la diffrazione a raggi X della superficie dell'elettrodo
- Taglia con cura il campione essiccato della piastra nella forma appropriata per farla entrare nel portacampioni.
NOTA: Questo va fatto con attenzione per evitare alterazioni della superficie dell'elettrodo. - Trasferire il campione in un portacampioni pulito, assicurandosi che l'altezza della superficie della lastra sia allineata con il bordo superiore del portacampione.
- Taglia con cura il campione essiccato della piastra nella forma appropriata per farla entrare nel portacampioni.
- Preparazione del campione per la diffrazione a raggi X di materiale attivo in massa
NOTA: Una stazione di preparazione del campione ottenuta da Malvern Panalytical è stata utilizzata per consentire un facile caricamento del campione di polvere nel portacampioni.- Rimuovere il campione essiccato del materiale attivo della lastra dalla griglia.
- Macinare il materiale attivo in polvere con un mortaio e un pestello per ridurre uniformemente la dimensione delle particelle e assicurarsi che ci sia abbastanza polvere per riempire un contenitore standard per il campione.
- Pulisci il portacampioni e la tabella di preparazione del campione della stazione di preparazione.
- Posiziona la piastra superiore del portacampioni da 2 pezzi con la parte piatta verso il basso sul tavolo di preparazione del campione e fissala premendo e rilasciando il pulsante di morsaggio del tavolo di preparazione del campione.
- Riempire troppo la piastra superiore del portacampioni con il campione in polvere usando una spatola.
- Comprimi delicatamente la polvere sulla piastra superiore del portacampioni premendo con decisione e uniformità con il blocco della pressa della postazione di preparazione del campione. Assicurati che l'altezza del campione sia allineata con il bordo superiore del portacampione.
- Pulisci i bordi del portacampioni con un pennello per rimuovere l'eccesso di polvere.
- Premi la parte inferiore del portacampioni da 2 pezzi con la faccia in giù sulla piastra superiore finché non si scatta.
- Gira il tavolo di preparazione del campione e premi il pulsante di serratura per rilasciare il portacampioni. Conferma che la superficie della polvere sia liscia e allineata con il bordo superiore del portacampioni.
- Acquisizione dati XRD
NOTA: Pattern di diffrazione a raggi X in polvere sono stati registrati su un intervallo 2-theta da 5°-80°, in una scansione di 15 minuti utilizzando un diffrattometro da banco dotato di tubo a raggi X anodo di cobalto (Co).- Carica il portacampioni sul diffrattometro XRD.
- Seleziona il programma di misura appropriato e inserisci i dettagli del campione nel diffrattometro.
- Inizia la misurazione.
- Dopo aver raccolto i dati, vai al menu di gestione dati del diffrattometro ed esporta i risultati nella cartella desiderata.
- Affinamento di Rietveld
NOTA: Il DIFFRAC. EVA versione 4.3 e DIFFRAC. La versione 6 di TOPAS fu utilizzata rispettivamente per l'identificazione delle fasi e il raffinamento quantitativo di Rietveld.- Identificare le fasi disponibili nel campione utilizzando un software dedicato all'identificazione delle fasi.
- Apri il DIFFRAC. EVA software e clicca sulla scheda importa dai file per caricare il file di scansione XRD (. RAW) sul software per l'identificazione dei picchi.
- Clicca sulla scheda Cerca/Confronta (scansione) nel pannello dei comandi Dati .
- Clicca sul menu a tendina accanto alla scheda del filtro chimico . Clicca con il tasto destro per selezionare tutti gli elementi nella tavola periodica, poi clicca di nuovo con il tasto destro per cambiare gli elementi selezionati in 'scartati'.
- Deseleziona gli elementi di interesse contenuti nel campione cliccando sul simbolo dell'elemento.
- Clicca sul pulsante a tendina accanto alla scheda filtro del database e seleziona il database preferito.
- Clicca sulla scheda corrispondenza per abbinare il pattern di diffrazione al database di riferimento e identificare le fasi.
- Quantifica le fasi identificate nel campione utilizzando un software dedicato all'analisi quantitativa.
- Apri il DIFFRAC. software TOPAS e clicca sui file di carica per importare i dati XRD grezzi nel software per il raffinamento quantitativo di Rietveld.
- Clicca sul menu a tendina accanto al nome del file grezzo.
- Clicca con il tasto destro sulla scheda profilo di emissione e carica il profilo di emissione.
- Clicca sulla scheda sfondo e affina i parametri dello sfondo.
- Clicca sulla scheda dello strumento e affina i parametri in base alla configurazione dello strumento.
- Clicca sulla scheda correzione e affina l'errore zero, lo spostamento del campione e i fattori di polarizzazione di Lorentz.
- Clicca sulla scheda Carica STR(s) per caricare i file di struttura delle fasi identificate dal database CoD del software TOPAS.
- Affinare i parametri del reticolo e le posizioni atomiche della struttura cristallina.
- Clicca sulla scheda Run per avviare il perfezionamento.
- Continuare a perfezionare finché il fattore R (Rwp) di buona vestibilità e profilo ponderato non sarà inferiore allo standard accettabile.
5. Modifiche e risoluzione dei problemi
NOTA: Questa sezione illustra i passaggi critici del protocollo che possono influenzare l'accuratezza e la riproducibilità delle misurazioni di porosità nelle piastre di piombo e fornisce indicazioni per affrontare i problemi comuni che possono incontrarsi durante il protocollo.
- Piastre fragili
- Le piastre esposte a condizioni tipiche di batteria possono diventare fragili e disintegrarsi durante la manovrazione. Maneggia delicatamente le piastre per evitare pressione sul materiale attivo.
- Asciugatura incompleta delle lastre
- Se le lastre non sono completamente essiccate, l'umidità residua può causare imprecisioni nella massa della lastra secca e, di conseguenza, in tutti i calcoli successivi. Assicurarsi che le piastre siano completamente asciutte prima di iniziare la misurazione della porosità e verificare che sia stata raggiunta una massa costante.
- Piastre acidiche residue
- L'acido residuo nelle placche può reagire quando sommerso nel glicerolo. Risciacqua delicatamente ma accuratamente i piatti con acqua per rimuovere eventuali residui di acido, assicurandone la rimozione completa.
- Penetrazione incompleta dei pori
- Se il glicerolo non penetra completamente in tutti i pori, il volume calcolato dei pori sarà inferiore al valore reale, influenzando la porosità media delle placche. Dopo 15 minuti di infiltrazione assistita dal vuoto, la presenza di bolle d'aria indica che ci sono pori ancora da riempire; Continua a aspirare finché la bolla non smette. Sebbene 15 minuti siano sufficienti per la maggior parte delle dimensioni di piastre, ottimizza il tempo di infiltrazione in base alla dimensione della piastra.
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Risultati
I test di capacità furono condotti su tre batterie al piombo-acido VRLA da 12 V, 7,2 Ah acquistate commercialmente con la velocità C10 fino a un limite di tensione inferiore di 10,5 V. Tutti i test di capacità sono stati eseguiti a 25 °C. Al ricevimento, le batterie venivano ricaricate a 14,8 V per 10 ore, con una corrente massima di 2,9 A. A questo è seguito due test a capacità C10 con un passaggio di ricarica standard a 14,8 V per 24 ore a 2,9 A al massimo. I ris...
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Discussione
I test di capacità hanno mostrato che la Batteria 1 ha fornito il 92% della capacità nominale (6,62 Ah), la Batteria 2 ha fornito il 50% (3,58 Ah) con un recupero parziale di 3,32 Ah anche dopo una ricarica ripetuta, e la Batteria 3 ha fornito il 91% della capacità nominale (6,57 Ah) (Tabella 1).
Le variazioni nella concentrazione di H2SO4 all'interno dei pori PAM, derivanti da reazioni chimiche che avvengono nelle placch...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano che il lavoro presentato in questo articolo è privo di interessi conflittuali
Ringraziamenti
Gli autori apprezzano uYilo e il programma post-dottorato della Nelson Mandela University (NMU) per aver finanziato il progetto
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Diffrattometro a raggi X da banco Aeris da banco | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Paesi Basi | Per l'analisi microstrutturale | |
| Attacco bilanciamento con clip a coccodrillo | Per consentire la pesatura della piastra satura e sommersa | ||
| Celle della batteria (12 V, 7,2 Ah) e nbsp; | N/A | N/A | Any |
| DIFFRAC. EVA V 4.3 | Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Germania | Versione 4.3 | Software per l'identificazione delle fasi |
| DIFFRAC. TOPAS V6 | Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Germania | Versione 6 | Software per la quantificazione della fase |
| Bilancia elettronica digitale | Dixon Science, Cina | EG5001-A | Bilancia elettronica digitale con una capacità massima di 500 g e una precisione di 0,01 g |
| Linea centrale di vuoto per laboratorio | Applicare il vuoto al contenitore per facilitare l'infiltrazione del glicerolo nelle piastre. | ||
| Jack del laboratorio | Karl-Kurt Juchheim Operaioä te, GmbH, Germania | 2290 | Sollevare il contenitore del glicerolo finché la parte superiore del piatto non è appena sommersa |
| Portacampioni di polvere | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Paesi Basi | Per la conservazione di campioni di polvere per l'analisi XRD | |
| Stazione di preparazione campioni | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Paesi Basi | 9,43,00,17,70,101 | Per consentire un facile caricamento delle polveri nei portacampioni per l'analisi XRD |
| Struttura robusta del telaio | Any | ||
| Contenitore adatto con coperchio | Any | ||
| Clip telescopica per coccodrillo | Per immergere le placche nel glicerolo | ||
| Manometro a vuoto | WIKA Alexander Wiegand SE & Contia KG, Klingenberg, Germania | Modello: 611.10 | Per misurare la pressione del vuoto applicato |
Riferimenti
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