Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.

Methodenartikel

Archimedes-gebaseerde glycerolverplaatsing voor het meten van elektrodeporositeit in loodzuurbatterijen

1K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/69319

⸱

7 april 2026

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

In dit artikel

Samenvatting

Hier presenteren we een eenvoudige en goedkope glycerolverplaatsingsmethode gebaseerd op het principe van Archimedes voor het meten van de porositeit van loodzuurbatterij-elektroden. De methode toont een goede reproduceerbaarheid en is veiliger dan traditionele technieken, omdat chemicaliën en apparatuur met een laag risico nodig zijn. Door de techniek te combineren met microstructurele analyse via röntgendiffractie wordt informatie verlicht over de eigenschappen en degradatie van de batterij-elektroden.

Samenvatting

De prestaties van loodzuurbatterijen zijn sterk afhankelijk van de structurele en oppervlakte-eigenschappen van de actieve materialen van de elektroden. Naast het belang van de fasesamenstelling van het materiaal op elk moment bij toepassing, dragen het oppervlak en de porositeit bij aan de algehele prestaties van de batterij. Kwikporosimetrie, die een representatief monster van het actieve materiaal gebruikt voor de analyse, is traditioneel gebruikt om de porositeit van batterijplaten te meten. Afgezien van de mogelijkheid dat er scheuren en holtes in het materiaal ontstaan tijdens het nemen van het monster, zijn veel laboratoria weggegaan van het gebruik van kwik vanwege de toxiciteit ervan. De op Archimedes gebaseerde glycerolverplaatsingstechniek heeft als voordeel dat het een eenvoudige methode is die rekening houdt met de porositeit van de gehele batterijplaat. Hoewel de methode mogelijk geen gedetailleerde informatie geeft over de porievolumeverdeling van het materiaal, wordt reproduceerbaarheid bereikt voor individuele platen evenals groepen platen afkomstig van een enkele cel of zes cellen uit een batterij. De methode berekent porositeit op basis van de absolute en envelopedichtheid van het materiaal, waarbij gebruik wordt gemaakt van geabsorbeerd glycerolvolume om de gemiddelde porositeit over de hele plaat te meten. Loodzuurbatterijen worden meestal blootgesteld aan verouderingsmechanismen die de structurele integriteit en oppervlakte-eigenschappen van het actieve materiaal beïnvloeden. Deze studie beschrijft het gebruik van de glycerolverplaatsingstechniek voor het meten van batterijplaatporositeiten, gecombineerd met karakterisering van poederröntgendiffractiemateriaal om de afbraakmechanismen van batterijen te begrijpen die respectievelijk werden onderworpen aan capaciteitscyclus en kalenderveroudering of houdbaarheid. De resultaten toonden aan dat de faalmechanismen van batterijen significant verschillen en dat zowel de chemische als de fysieke eigenschappen van het actieve materiaal onderling afhankelijk zijn; Daarom kan men niet vertrouwen op één enkel analytisch instrument om alleen een faalmechanisme te interpreteren.

Inleiding

De loodzuuraccu is een van de oudste commerciële oplaadbare batterijen. In 1859 demonstreerde de Franse natuurkundige Gaston Plante het werkingsprincipe van de batterij door twee loden platen onder te dompelen in zwavelzuur. Het potentieel voor commercialisering werd pas 20 jaar later gerealiseerd, toen verbeteringen aan de technologie werden aangebracht door gebruik te maken van geplakte platen waarmee de batterij kon worden ontladen en opgeladen via een omgekeerde stroom1.

Zelfs in de vroege stadia van de uitvinding werd het belang van het blootgestelde oppervlak en de porositeit van het batterijmateriaal duidelijk. Het was duidelijk dat hoe groter het oppervlak van het materiaal, hoe groter de capaciteit van de batterij2. Destijds vond de commercialisering van de batterij een unieke toepassing in de opkomendeauto-industrie, waardoor verbrandingsmotoren niet alleen voor personenauto's maar ook voor grotere motoren die in het leger werden gebruikt, zoals tanks en vliegtuigen 3,4,5 in het startkapitaal mogelijk konden worden.

Naarmate de productietechnologieën in de loop der jaren verbeterden, namen ook de vooruitgang in chemische analyse en het begrip van de processen die in de batterij plaatsvinden toe. Er zal altijd behoefte zijn aan het verbeteren van het productieproces om een consistent product te garanderen dat niet alleen prijsconcurrerend is, maar ook van goede kwaliteit en dat langere tijd elektrische back-up kan bieden.

De chemie die in de batterij voorkomt, aangeduid als een dubbele sulfaattheorie, is uniek in vergelijking met andere batterijtypes. In dit geval maakt de elektrolyt of het zuur deel uit van het reactiemechanisme tijdens het ontladings- en laadproces6.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
Figuur 1: Schematische illustratie van de laad- en ontlaadmechanismen van een loodzuurbatterij. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Hier reageren de elektroden of platen die elektriciteit kunnen geleiden met het zuur om loodsulfaat te vormen, dat als isolator kan worden gezien (Figuur 1). Niet al het materiaal dat op een plaat zit, wordt gebruikt bij het ontladingsproces. De elektrochemische reactie vindt voornamelijk plaats aan het oppervlak van het materiaal dat aan het zuur wordt blootgesteld, en wanneer de batterij is opgeladen, wordt het isolerende loodsulfaatmateriaal vervolgens weer omgezet in het geleidende looddioxide en lood op de twee platen die respectievelijk de kathode en anode worden genoemd. Hoe groter het oppervlak, hoe meer ontladingsreacties kunnen plaatsvinden en hoe meer capaciteit kan worden verkregen. Platen zijn ontworpen om relatief dun te zijn en meestal specifiek voor de toepassing. Voor hoog vermogen over korte tijd, zoals bij het starten van een auto, is een groot oppervlak wenselijk waar het zuur gemakkelijk kan reizen of diffunderen naar het midden van de plaat, terwijl voor batterijen die bedoeld zijn om meer capaciteit te bieden over langere periodes met lagere ontlaadsnelheden, meestal dikkere platen worden gebruikt. Dit vormt een afweging tussen het beschikbare materiaal waarin het zuur gemakkelijk kan migreren of diffunderen, en het bieden van een dikkere, stijvere ondersteuning zodat de plaat langer kan meegaan tijdens de toepassing.

De analyse van het actieve materiaal in een batterij is altijd een uitdaging geweest vanwege de destructieve aard ervan. De batterij moet worden opengesneden en de platen uit elkaar gehaald; Dat kan dan alleen een momentopname geven van de toestand of toestand van de batterij. Dit heeft meestal te maken met wetenschappers die de laadtoestand (SoC) en gezondheidstoestand (SoH) van de batterij willen weten. In een batterij zijn de belangrijkste en waarschijnlijk enige chemische parameters die men als analist comfortabel kan meten de chemische eigenschappen, waaronder de elementaire en fasesamenstelling. Deze technieken zijn meestal gebaseerd op atomaire absorptie of röntgenfluorescentietechnieken, evenals geavanceerde methoden zoals scanning-elektronenmicroscopie en poeder-röntgendiffractie. Er zijn ook elektrochemische analysetechnieken die kunnen worden toegepast, waaronder impedantiespectroscopie en cyclische voltammetrie, onder andere.

Aan de andere kant omvatten fysisch-chemische eigenschappen de sterkte van de platen, het beschikbare oppervlak en de porositeit van het actieve materiaal. Oppervlakteanalyse wordt doorgaans uitgevoerd met stikstofadsorptietechnieken, en in deze studie werd de porositeit van de platen die in de loodzuurbatterij werden gebruikt, gemeten. Porositeit heeft betrekking op de beschikbare vrije ruimte binnen het actieve materiaal waar het zuur vrij kan bewegen en in contact kan komen met de actieve sites, waardoor een elektrochemische reactie kan plaatsvinden. Als de porositeit te hoog is, zijn er beperkte verbindingspaden tussen de verschillende actieve deeltjes van het materiaal, wat de kans op ontkoppeling vergroot. Als de porositeit te laag is, kan minder zuur de actieve plekken bereiken, waardoor de beschikbare capaciteit afneemt.

Traditioneel wordt de porositeit van vaste materialen met micro- tot meso-grootte poriën gemeten met kwikporosimetrie. Dit vereiste dat het actieve materiaal fysiek van de plaat werd verwijderd om in de monsterhouder van het instrument te passen. Dit heeft een aantal nadelen, namelijk dat er slechts een representatief monster van een plaatgebied wordt genomen; het monster als zodanig wordt losgekoppeld van het rooster of de stroomcollector, waardoor extra scheuren en holtes in het materiaal ontstaan; en veel laboratoria zijn weggegaan van het gebruik van kwik vanwege de toxiciteit ervan. Het voordeel van de techniek is het vermogen om een schatting te maken van de poriegrootteverdeling van het materiaal binnen een bepaald bereik.

Deze studie stelt een techniek voor waarbij de gehele plaat wordt gebruikt om de totale porositeit van het actieve materiaal te meten met behulp van het principe van Archimedes. In de context van het bepalen van materiaaldichtheid stelt het principe van Archimedes dat de opwaartse kracht op een object dat in een vloeistof is ondergedompeld gelijk is aan het gewicht van de vloeistof die door dat object wordt verplaatst. Dit principe maakt het mogelijk om de dichtheid van een object te berekenen door het gewicht in lucht en het gewicht te meten wanneer het ondergedompeld is in een bekende vloeistof. Deze drijfkracht wordt vervolgens gebruikt om het volume van de verplaatste vloeistof te berekenen, dat gelijk is aan het volume van het object.

De techniek kan eenvoudig in een laboratorium worden opgezet om de porositeit van loodzuur-batterijplaten te meten die aan bepaalde productie- of testomstandigheden zijn blootgesteld. Hoewel de techniek nog steeds destructief is in de zin dat de batterij moet worden opengesneden om de platen te verwijderen voor analyse, wordt de porositeit van de hele plaat meegenomen. Daarom meet de methode de gemiddelde porositeit over de hele plaat, waarbij variaties van bepaalde delen van de plaat worden vastgelegd die meestal niet worden meegenomen. Deze variaties treden meestal voor bij het werken met relatief grote platen, waar productieinconsistenties en de effecten van zuurstratificatie specifieke plaatgebieden in de loop van de tijd kunnen beïnvloeden. Een beperking van de glycerolverplaatsingsmethode is echter dat deze porositeit meet op basis van doorlatende poriën. Dit betekent dat het mogelijk is de porositeit van de plaat te onderschatten als glycerol niet volledig door de poriën van de actieve massa dringt. Wanneer gesloten poriën aanwezig zijn, correleert de techniek indirect met wat er tijdens het aanbrengen in de batterij gebeurt, omdat het zuur ook niet volledig in de gebieden van de actieve massa met gesloten poriën kan doordringen. Ondanks deze beperking blijft de methode veilig en kosteneffectief en is deze geschikt om de porositeit van batterijplaten te meten.

In deze studie worden de porositeiten van zowel de negatieve als positieve platen van een relatief kleine 7,2 Ah klepgereguleerde loodzuur (VRLA) batterij gemeten. Deze batterijen worden doorgaans gebruikt in huishoudelijke alarm- en poortmotorbesturingssystemen. Het effect op de porositeit van de plaat en de chemische fasesamenstelling van de batterijen werd bestudeerd in termen van het mogelijke verouderingsmechanisme waaraan de batterij werd blootgesteld. Eén is overmatige kalenderveroudering of houdbaarheid, en de andere herhaalde capaciteitscyclus zonder voldoende opladen. Dit zijn typische omstandigheden waaraan dergelijke batterijen worden blootgesteld. Degenen die maandenlang en soms jaren op de schappen van de elektrische groothandelaar blijven staan zonder een boost-tarief te ontvangen. Bovendien worden de batterijen die in standby-stroomsystemen worden gebruikt onderworpen aan herhaalde "load-shedding-type" capaciteitscycling, waarbij de oplaadperiode van het invertersysteem onvoldoende is om de benodigde energie te leveren om de batterij volledig op te laden tijdens de korte oplaadperiodes.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

OPMERKING: Het protocol lijkt op het protocol dat eerder door Ferg et al.7 is beschreven. De apparatuur en reagentia die in de studie zijn gebruikt, staan vermeld in de Materiaallijst. Een afbeelding van de apparatuur die werd gebruikt voor de porositeitsmeting van de elektroden is te zien in Figuur 2.

figure-protocol-1
Figuur 2: Eenvoudige apparatuur gebruikt voor glycerolverplaatsingsgebaseerde porositeitsmeting van elektroden. De opstelling bestaat uit (1) een digitale elektronische weegschaal, (2) een balansopzetstuk met krokodillenklemmen, (3) een stevige frameconstructie, (4) een negatieve batterijplaat, (5) een container met glycerol, en (6) een laboratorium-intrekwerk. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

1. Monstervoorbereiding

  1. Extractie van de platen voor porositeitsmeting
    1. Open voorzichtig met een kunststof zaagmachine de loodzuuraccu door langzaam langs de naad tussen de behuizing en het deksel te zagen.
      VOORZICHTIG: Bekijk het materiaalveiligheidsdatablad (MSDS) voor alle materialen die in dit protocol worden gebruikt. Een loodzuurbatterij bevat bijtend zwavelzuur en giftige loden platen. Snijd langzaam open in een goed geventileerde chemische dampkap terwijl je volledige persoonlijke beschermingsmiddelen draagt, inclusief zuurbestendige handschoenen, om mogelijke verwondingen te voorkomen. Blijf ook agenten en noodvoorzieningen in de buurt neutraliseren.
    2. Haal de loodzuurbatterij voorzichtig uit elkaar.
    3. Verwijder elke batterijcel en scheid de componenten, zodat de positieve en negatieve platen zonder aanpassing worden verwijderd.
  2. Voorbereiding van de platen voor porositeitsmeting
    1. Spoel de borden voorzichtig af met water om het resterende zuur te verwijderen.
      OPMERKING: Zorg ervoor dat de platen vrij zijn van resterende zuur, omdat dit kan reageren wanneer het in de glycerol wordt ondergedompeld.
    2. Droog de negatieve plaat in een oven onder een inerte atmosfeer zoals stikstof om oxidatie van lood te voorkomen. Droog 6 uur bij 110 °C of totdat constante massa is bereikt.
    3. Droog de positieve plaat in de oven op 110 °C gedurende 24 uur.
      OPMERKING: Bij geplakte borden moet het buitenste papier worden verwijderd voordat het in de oven wordt gedroogd.
    4. Haal de borden uit de oven en laat ze afkoelen in een droogmachine om vochtopname te voorkomen.
    5. Knip de lugs van de platen af en zorg dat de platen droog zijn voordat je begint met de porositeitsmeting, om nauwkeurige massa's vast te leggen.

2. Porositeitsmeting

OPMERKING: In deze studie werd een digitale elektronische balans (maximale capaciteit: 500 g; nauwkeurigheid: 0,01 g) gebruikt.

  1. Plaats een elektronische balans op een stevige framestructuur boven een geschikte container die glycerol met een bekende dichtheid bevat.
    OPMERKING: De glyceroldichtheid wordt later in de berekeningen gebruikt.
  2. Verwijder de droge plaat van de desiccator, plaats deze op een getarde elektronische weegschaal en registreer de massa als de massa van de droge plaat.
  3. Bevestig de telescopische (uitschuifbare) krokodillenclip bovenop het loodrooster.
  4. Doe de plaat volledig onder glycerol, waarbij het verlengde deel van de clip boven de vloeistof blijft zodat de plaat eenvoudig van de glycerol wordt verwijderd. Er zouden belletjes die in de plaat vastzitten moeten beginnen te verschijnen.
  5. Zet het deksel op de container en steek de stop erin.
    OPMERKING: Het deksel van de container moet zo ontworpen zijn dat het vacuümtoepassing mogelijk maakt.
  6. Sluit de opstelling aan op een laagvacuümtoevoer en breng een vacuüm van ongeveer 100 mbar aan totdat de zijkanten van de container een lichte deuk tonen, en zet dan het vacuüm uit. Dit is om ervoor te zorgen dat glycerol alle poriën binnendringt.
  7. Houd het bord minstens 15 minuten onder vacuüm.
    OPMERKING: Als er na deze periode nog steeds luchtbellen uit de loodplaat komen, verleng dan de vacuümtijd iets langer. De gemiddelde porositeit van de platen kan worden onderschat als glycerol niet volledig door alle poriën dringt.
  8. Plaats het balansopzetstuk op een getarde weegschaal en registreer de massa.
  9. Haal de plaat van de glycerol en bevestig deze aan de twee krokodillenklemmen van de balansbevestiging. Zorg dat de plaat waterpas staat en stel het indien nodig bij.
  10. Plaats de balansbevestiging met de doorweekte plaat op de weegschaal en laat de plaat 8 minuten boven de glycerol hangen om het overtollige glycerol op het oppervlak van de plaat te verwijderen.
  11. Veeg eventuele druppels aan de onderkant van het bord af.
  12. Plaats de balansbevestiging op de weegschaal en registreer de massa als de massa van de glycerolverzadigde plaat.
  13. Tilt de glycerolcontainer langzaam op met de laboratoriumjack totdat de bovenkant van de plaat net onder water is. Noteer deze massa als de massa van de glycerolondergedompelde plaat.
  14. Herhaal het experiment in drievoud van de proef.
    OPMERKING: Verwijder alle residuen als gevaarlijk chemisch afval, volgens de afvalbeheerrichtlijnen van de instelling.

3. Analyse van de porositeitsgegevens

OPMERKING: De gegevens die nodig waren om de porositeit van de platen te berekenen, zijn overgenomen van Ferg et al.7, en een gedetailleerde afleiding van de formules is gegeven in Supplementair bestand 1 7,8,9.

  1. Gegevens nodig om de porositeit van de elektrode te berekenen
    1. Definieer de vereiste parameters. De parameters die nodig zijn voor de analyse van het percentage porositeit worden als volgt gedefinieerd:
      Massa van de droge plaat (g) = A
      Massa van glycerolverzadigde plaat (g) = B (te meten in drievoud)
      Massa van glycerol ondergedompelde plaat (g) = C (Te meten in drievoud)
      Massa van de roosterlegering (g) = D
      Dichtheid van de roosterlegering (g/cm3) = E (OPMERKING: dit wordt bepaald door het type gebruikte loodlegering)
      Dichtheid van glycerol (g/cm3) = F
      Actieve materiaalmassa (g), G = (A - D)
      Absolute dichtheid van actief materiaal (g/cm3),figure-protocol-2
      Specifiek porievolume (cm3/g), figure-protocol-3
      Bulkdichtheid (g/cm3),figure-protocol-4
      % porositeit, K = IJ x 100
  2. Het genereren van de resterende gegevens die nodig zijn voor de berekeningen
    1. Bepaal de massa van het rooster door zorgvuldig het actieve materiaal van de elektrode te verwijderen.
      OPMERKING: Figuur 6A,B toont positief gevormde loodzuur-batterijplaten met bijbehorende actieve materialen, terwijl Figuur 6C, D de respectievelijke roosters tonen.
  3. Data-analyse
    1. Open een spreadsheet en voer elke parameter in stap 3.1 en de bijbehorende formules in de juiste kolommen.
    2. Voer de massa van de droge plaat, A, in een kolom in.
    3. Voer de drievoudige massa's van de glycerolverzadigde plaat, B, in een kolom in.
    4. Voer de drievoudige massa's van de ondergedompelde plaat, C, in in een kolom.
    5. Voeg de massa van de roosterlegering, D, in een kolom in.
    6. Voer de dichtheid van de roosterlegering, E, in een kolom in. (Afhankelijk van het type loodlegering dat wordt gebruikt).
    7. Voer de dichtheid van de glycerol, F, in een kolom in.
    8. Voer de formule in voor het bepalen van de actieve materiaalmassa van de plaat, G, in een kolom door de massa van de droge plaat, A, af te trekken van de massa van de roosterlegering, D, om de overeenkomstige waarden te berekenen.
      De actieve materiaalmassa van de plaat, G = (A -D) (1)
    9. Voer de formule voor het bepalen van de absolute dichtheid van het actieve materiaal, H, in een kolom in om de overeenkomstige waarden te berekenen.
      figure-protocol-5
    10. Voer de formule voor het bepalen van het specifieke porievolume, I, in een kolom in om de overeenkomstige waarden te berekenen.
      figure-protocol-6
    11. Voer de formule in voor het bepalen van de bulkdichtheid van het actieve materiaal, J, in een kolom om de overeenkomstige waarden te berekenen.
      De bulkdichtheid van het actieve materiaal, figure-protocol-7
    12. Voer de formule in voor het berekenen van het percentage porositeit van de actieve materiaalmassa op de plaat, K, in een kolom om de overeenkomstige waarden te berekenen.
      % porositeit, K = IJ x 100 (5)
    13. Bepaal het gemiddelde percentage porositeit en standaarddeviatie van de platen met behulp van de juiste functie in de spreadsheet.

4. Microstructurele analyse door poederröntgendiffractie

OPMERKING: Poederröntgendiffractiemicrostructurele analyse is uitgevoerd op replicatieplaten van dezelfde batterij die aan dezelfde omstandigheden zijn blootgesteld, om te waarborgen dat de verkregen gegevens vergelijkbaar zijn en dat er geen structurele interferentie is.

  1. Monstervoorbereiding voor röntgendiffractie van het elektrodeoppervlak
    1. Snijd het gedroogde monster van de plaat voorzichtig in de juiste vorm zodat het in de monsterhouder past.
      OPMERKING: Dit moet voorzichtig gebeuren om te voorkomen dat het oppervlak van de elektrode verandert.
    2. Breng het monster over in een schone monsterhouder, waarbij wordt gewaarborgd dat de hoogte van het plaatoppervlak uitgelijnd is met de bovenrand van de monsterhouder.
  2. Monstervoorbereiding voor röntgendiffractie van actief materiaal bulk
    OPMERKING: Een monstervoorbereidingsstation verkregen van Malvern Panalytical werd gebruikt om het poedermonster eenvoudig terug te laden in de monsterhouder.
    1. Verwijder het gedroogde monster van het actieve materiaal van de plaat van het rooster.
    2. Maal het actieve materiaal tot poeder met een vijzel en stamper om de deeltjesgrootte gelijkmatig te verminderen en ervoor te zorgen dat er voldoende poeder is om een standaard monsterhouder te vullen.
    3. Maak de monsterhouder en de monstervoorbereidingstafel van het monstervoorbereidingsstation schoon.
    4. Plaats de bovenplaat van de 2-delige poedermonsterhouder plat naar beneden op de tafel voor de monstervoorbereiding en zet deze vast door op de klemknop van de monstertafel te drukken en los te laten.
    5. Vul de bovenplaat van de monsterhouder met het poedermonster met een spatel.
    6. Pers het poeder voorzichtig samen op de bovenste plaat van de monsterhouder door stevig en gelijkmatig te drukken met het poederpersblok van het monstervoorbereidingsstation. Zorg ervoor dat de hoogte van het monster uitlijnt met de bovenrand van de monsterhouder.
    7. Maak de randen van de monsterhouder schoon met een stofborstel om het overtollige poeder te verwijderen.
    8. Druk de onderkant van de 2-delige poedermonsterhouder met de voorkant naar beneden op het bovenste plaatje totdat het klikt.
    9. Draai de tafel voor de monstervoorbereiding om en druk op de klemknop om de monsterhouder los te maken. Controleer of het poederoppervlak glad is en uitlijnt met de bovenrand van de monsterhouder.
  3. XRD-gegevensverzameling
    OPMERKING: Poederröntgendiffractiepatronen werden geregistreerd over een 2-theta bereik van 5°-80°, in een 15 minuten scan met een bench-difractometer uitgerust met een cobalt (Co) anode röntgenbuis.
    1. Laad de monsterhouder op de XRD diffraktometer.
    2. Selecteer het juiste meetprogramma en voer de monstergegevens in in de difractometer.
    3. Begin met meten.
    4. Nadat de gegevens zijn verzameld, ga je naar het gegevensbeheermenu van de difractometer en exporteer je de resultaten naar de gewenste map.
  4. Verfijning van Rietveld
    OPMERKING: De DIFFRAC. EVA versie 4.3 en DIFFRAC. TOPAS versie 6 werd respectievelijk gebruikt voor de fase-identificatie en de kwantitatieve Rietveld-verfijning.
    1. Identificeer de beschikbare fasen in het monster met behulp van een speciale faseidentificatiesoftware.
    2. Open de DIFFRAC. EVA-software en klik op het tabblad importeren uit bestanden om het XRD-scanbestand te laden (. RAW-bestand) op de software voor piekidentificatie.
    3. Klik op het tabblad Zoeken/Matchen (scannen) in het Data-commandopaneel .
    4. Klik op de dropdownknop naast het tabblad chemisch filter . Klik met de rechtermuisknop om alle elementen in het periodiek systeem te selecteren, en klik daarna met de rechtermuisknop om de geselecteerde elementen te veranderen in 'weggegooid'.
    5. Verwijder het vinkje bij de elementen van interesse die in het monster zitten door op het elementsymbool te klikken.
    6. Klik op de dropdownknop naast het tabblad databasefilter en selecteer de database van keuze.
    7. Klik op het tabblad match om het diffractiepatroon te matchen met de referentiedatabase en de fasen te identificeren.
    8. Kwantificeer de geïdentificeerde fasen in de steekproef met behulp van een speciale kwantitatieve analysesoftware.
    9. Open de DIFFRAC. TOPAS-software en klik op de load scan-bestanden om de ruwe XRD-gegevens in de software te importeren voor kwantitatieve Rietveld-verfijning.
    10. Klik op de dropdownknop naast de naam van het ruwe bestand.
    11. Klik met de rechtermuisknop op het tabblad emissieprofiel en laad het emissieprofiel.
    12. Klik op het tabblad achtergrond en verfijn de achtergrondparameters.
    13. Klik op het instrumententabblad en verfijn de parameters op basis van de instrumentconfiguratie.
    14. Klik op het correctietabblad en verfijn de nulfout, monsterverplaatsing en Lorentz-polarisatiefactoren.
    15. Klik op het tabblad STR(s) laden om de structuurbestanden van de geïdentificeerde fasen te laden uit de CoD-database van de TOPAS-software.
    16. Verfijn de roosterparameters en atomaire posities van de kristalstructuur(s).
    17. Klik op het tabblad Run om de verfijning te starten.
    18. Blijf verfijnen totdat de goodness-of-fit en gewogen profiel R-factor (Rwp) onder de acceptabele standaard ligt.

5. Aanpassingen en probleemoplossing

OPMERKING: Deze sectie beschrijft kritieke protocolstappen die de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van porositeitsmetingen in loden platen kunnen beïnvloeden en biedt richtlijnen voor het aanpakken van veelvoorkomende problemen die tijdens het protocol kunnen optreden.

  1. Breekbare platen
    1. Platen die aan typische batterijomstandigheden worden blootgesteld, kunnen fragiel worden en tijdens het hanteren uiteenvallen. Hanteer platen voorzichtig, zonder druk op het actieve materiaal.
  2. Onvolledige droog van borden
    1. Als de platen niet volledig zijn gedroogd, kan restvocht onnauwkeurigheden veroorzaken in de massa van de droge plaat en dus in alle daaropvolgende berekeningen. Zorg ervoor dat de platen volledig droog zijn voordat u met de porositeitsmeting begint, en controleer dat er een constante massa is bereikt.
  3. Residuele zuurplaten
    1. Restzuur in de platen kan reageren wanneer het in glycerol wordt ondergedompeld. Spoel de borden voorzichtig maar grondig af met water om het resterende zuur te verwijderen, zodat je het volledig verwijdert.
  4. Onvolledige poriënpenetratie
    1. Als glycerol niet volledig door alle poriën dringt, zal het berekende porievolume lager zijn dan de werkelijke waarde, wat de gemiddelde porositeit van de platen beïnvloedt. Na 15 minuten vacuümondersteunde infiltratie geeft de aanwezigheid van luchtbellen aan dat er poriën zijn die nog niet gevuld zijn; Blijf stofzuigen totdat de bubbel stopt. Hoewel 15 minuten geschikt zou moeten zijn voor de meeste plaatgroottes, optimaliseer je de infiltratietijd op basis van de plaatgrootte.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

Capaciteitstests werden uitgevoerd op drie commercieel aangeschafte 12 V, 7,2 Ah VRLA loodzuurbatterijen met deC10-snelheid tot een lagere spanningslimiet van 10,5 V. Alle capaciteitstests werden uitgevoerd bij 25 °C. Bij ontvangst werden de batterijen opgeladen op 14,8 V gedurende 10 uur, met een maximale stroom van 2,9 A. Hierop volgden twee C10-capaciteitstests met een standaard oplaadstap van 14,8 V gedurende 24 uur bij maximaal 2,9 A. De resultaten van de init...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Capaciteitstests toonden aan dat Batterij 1 92% van de nominale capaciteit leverde (6,62 Ah), Batterij 2 50% (3,58 Ah) met slechts een gedeeltelijke opbrengst van 3,32 Ah, zelfs na een herhaalde oplaadstap, en Batterij 3 91% van de nominale capaciteit leverde (6,57 Ah) (Tabel 1).

Variaties in de concentratie van H2 SO4 in de PAM-porieën, veroorzaakt door chemische reacties die in de platen plaatsvinden tijdens capaciteits...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs verklaren dat het werk in dit artikel vrij is van belangenconflicten

Dankbetuigingen

De auteurs waarderen uYilo en het postdoctorale programma van de Nelson Mandela University (NMU) voor de financiering van het project

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Aeris benchtop powder X-ray diffractometerMalvern Panalytical B.V., Almelo, The NetherlandVoor de microstructuuranalyse 
Balance Attachment with crocodile clipsOm het weegplateau van de verzadigde en ondergedompelde plaat te kunnen wegen
Battery cells (12 V, 7.2 Ah) N/AN/AElke 
DIFFRAC.EVA V 4.3Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, GermanyVersie 4.3Software voor fase-identificatie
DIFFRAC.TOPAS V6Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, GermanyVersie 6Software voor fase-kwantificering
Digital Electronic BalanceDixon Science, ChinaEG5001-ADigitale elektronische weegschaal met een maximaal gewicht van 500 g en een nauwkeurigheid van 0,01 g
Laboratory central vacuum lineOm vacuüm toe te passen op de container om het infiltreren van glycerol in de platen te vergemakkelijken.
Laboratory JackKarl-Kurt Juchheim Laborgeräte, GmbH, Germany2290Om de glycerolcontainer te verhogen totdat de bovenkant van de plaat net ondergedompeld is
Powder sample holdersMalvern Panalytical B.V., Almelo, The NetherlandVoor het vasthouden van poedermonsters voor XRD-analyse
Sample Preparation StationMalvern Panalytical B.V., Almelo, The Netherland9,43,00,17,70,101Om poeders eenvoudig terug te laden in de monstershouders voor XRD-analyse
Sturdy frame structureElke 
Suitable container with lidElke 
Telescopic crocodile clipVoor het onderdompelen van de platen in de glycerol
Vacuum Pressure GuageWIKA Alexander Wiegand SE & Co. KG, Klingenberg, GermanyModel: 611.10Om de druk van het toegepaste vacuüm te meten

Referenties

  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).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Tags

Principe van Archimedesporositeit van batterijplatenkwikporosimetriepoeder r ntgendiffractieoppervlakteanalyseveroudering van batterijen
Archimedes-gebaseerde glycerolverplaatsing voor het meten van elektrodeporositeit in loodzuurbatterijen
Neem contact met ons op
Aanbevelen aan de bibliotheek

Privacy

Gebruiksvoorwaarden

Beleidsoverzicht

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Alle rechten voorbehouden.