Przedstawiamy tutaj prostą i tańszą metodę wypróżniania glicerolu opartą na zasadzie Archimedesa do pomiaru porowatości elektrod akumulatorów kwasowo-ołowiowych. Metoda ta wykazuje dobrą powtarzalność i jest bezpieczniejsza niż tradycyjne techniki, wymagając niskoniebezpiecznych chemikaliów i sprzętu. Połączenie tej techniki z analizą mikrostrukturalną za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej dostarcza informacji o właściwościach elektrod baterii i ich degradacji.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Wypor glicerolu na bazie Archimedesa do pomiaru porowatości elektrod w akumulatorach kwasowo-ołowiowych
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Wydajność akumulatorów kwasowo-ołowiowych w dużej mierze zależy od właściwości strukturalnych i powierzchniowych aktywnych materiałów elektrod. Poza znaczeniem składu fazowego materiału w danym momencie zastosowania, jego powierzchnia i porowatość wpływają na ogólną wydajność baterii. Porozymetria rtęciowa, która do analizy wykorzystuje reprezentatywną próbkę aktywnego materiału, tradycyjnie była stosowana do pomiaru porowatości płyt baterii. Poza możliwością powstawania pęknięć i ubytków w materiale podczas pobierania próbki, wiele laboratoriów odeszło od stosowania rtęci ze względu na jej toksyczność. Technika wypróżniania glicerolu oparta na Archimedesie ma tę zaletę, że jest prostą metodą uwzględniającą porowatość całej płyty baterii. Chociaż metoda może nie dostarczać szczegółowych informacji o rozkładzie objętości porów materiału, powtarzalność osiąga się zarówno dla pojedynczych płyt, jak i grup płyt pobranych z pojedynczego lub sześciu ogniw z baterii. Metoda oblicza porowatość na podstawie bezwzględnej i gęstości otoczki materiału, wykorzystując objętość pochłoniętego glicerolu do pomiaru średniej porowatości na całej płytce. Akumulatory kwasowo-ołowiowe są zazwyczaj poddawane mechanizmom starzenia, które wpływają na integralność strukturalną i właściwości powierzchniowe aktywnego materiału. Niniejsze badanie opisuje zastosowanie techniki przesunięcia glicerolu do pomiaru porowatości płyt baterii, połączonych z charakterystyką materiałów dyfrakcji rentgenowskiej w proszku, aby zrozumieć mechanizmy degradacji baterii poddanych cyklowi żywotności pojemności oraz kalendarzowemu starzeniu lub okresowi przydatności. Wyniki wykazały, że mechanizmy awarii baterii są istotnie różne, a zarówno właściwości chemiczne, jak i fizyczne aktywnego materiału są ze sobą zależne; dlatego nie można polegać wyłącznie na jednym narzędziu analitycznym w celu interpretacji mechanizmu awarii.
Wprowadzenie
Akumulator kwasowo-ołowiowy jest jednym z najstarszych komercyjnych akumulatorów wielokrotnego ładowania. W 1859 roku francuski fizyk Gaston Plante zademonstrował zasadę działania baterii, zanurzając dwie płyty ołowiowe w kwasie siarkowym. Potencjał komercjalizacji został zrealizowany dopiero 20 lat później, gdy wprowadzono ulepszenia technologii poprzez zastosowanie płyt klejonych pozwalających na rozładowanie i ładowanie baterii za pomocą prądu wstecznego1.
Już na wczesnym etapie wynalazku znaczenie odsłoniętej powierzchni i porowatości materiału baterii stawały się widoczne. Rozumiano jednak, że im większa powierzchnia materiału, tymwiększa pojemność baterii. W tym czasie komercjalizacja baterii znalazła unikalne zastosowanie w rozwijającym się przemyśle motoryzacyjnym1, umożliwiając uruchomienie silników spalinowych nie tylko w pojazdach osobowych, ale także w większych silnikach używanych w wojsku, takich jak czołgi i samoloty 3,4,5.
Wraz z rozwojem technologii produkcyjnych na przestrzeni lat, postępy w analizie chemicznej i zrozumieniu procesów zachodzących w baterii rosły. Zawsze będzie potrzeba ulepszania procesu produkcji, aby zapewnić spójny produkt, który jest nie tylko konkurencyjny cenowo, ale także dobrej jakości i może zapewnić zasilanie elektryczne przez dłuższy czas.
Chemia występująca w baterii, określana jako teoria podwójnych siarczanów, jest wyjątkowa w porównaniu z innymi typami baterii. W tym przypadku elektrolit lub kwas stanowi część mechanizmu reakcji podczas procesu wyładowania i ładowania6.
Rysunek 1: Schematyczna ilustracja mechanizmów reakcji ładowania i rozładowywania akumulatora kwasowo-ołowiowego. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Elektrody lub płyty przewodzące prąd elektryczny reagują z kwasem, tworząc siarczan ołowiu, który można traktować jako izolator (Rysunek 1). Nie cały materiał znajdujący się na płycie jest używany w procesie rozładunku. Reakcja elektrochemiczna zachodzi głównie na powierzchni materiału wystawionego na działanie kwasu, a po naładowaniu akumulatora izolujący materiał siarczanowy ołowiu przekształca się z powrotem w przewodzące dwutlenek ołowiu i ołów na dwóch płytach zwanych odpowiednio katodą i anodą,odpowiednio 5. Im większa powierzchnia, tym więcej reakcji wyładowanych może zachodzić i tym większa jest wydajność. Płyty są projektowane tak, aby były stosunkowo cienkie i zazwyczaj dostosowane do zastosowania. Dla wysokiej mocy i krótkiego czasu, jak przy uruchamianiu samochodu, pożądana jest duża powierzchnia, gdzie kwas może łatwo przemieszczać się lub rozpraszać do środka płyty, natomiast w przypadku baterii mających zapewnić większą pojemność przez dłuższy czas przy niższych rozładowaniach, zwykle stosuje się grubsze płyty. Jest to kompromis między dostępnym materiałem, do którego kwas może łatwo migrować lub dyfundować, a zapewnieniem grubszego, sztywniejszego wsparcia dla płyty, która dłużej utrzymuje się podczas aplikacji.
Analiza aktywnego materiału wewnątrz baterii zawsze była trudna ze względu na jej destrukcyjny charakter. Baterię trzeba rozciąć, a płytki rozebrać; To może jedynie dać migawkę w czasie stanu lub stanu baterii. Zazwyczaj dotyczy to chęci naukowców poznania stanu naładowania (SoC) i zdrowia baterii (SoH). W baterii najważniejszym, a prawdopodobnie jedynym parametrem chemicznym, które analityk może komfortowo zmierzyć, są właściwości chemiczne obejmujące jej skład pierwiastkowy i fazowy. Techniki te zazwyczaj opierają się na technikach absorpcji atomowej lub fluorescencji rentgenowskiej, a także zaawansowanych metodach, takich jak skaningowa mikroskopia elektronowa i dyfrakcja rentgenowska proszku. Istnieją także elektrochemiczne techniki analityczne, które można zastosować, w tym spektroskopia impedancji i cykliczna woltammetria, między innymi.
Z kolei właściwości fizykochemiczne obejmują wytrzymałość płyt, dostępną powierzchnię oraz porowatość materii aktywnej. Analiza powierzchni jest zazwyczaj wykonywana technikami adsorpcji azotu, a w tym badaniu mierzono porowatość płyt używanych w akumulatorze kwasowo-ołowiowym. Porowatość odnosi się do dostępnej wolnej przestrzeni w materiale aktywnym, do której kwas może swobodnie wchodzić i mieć kontakt z aktywnymi miejscami, co pozwala na reakcję elektrochemiczną. Jeśli porowatość jest zbyt wysoka, będą ograniczone ścieżki łączności między różnymi aktywnymi cząstkami materiału, co zwiększa prawdopodobieństwo rozłączenia. Jeśli porowatość jest zbyt niska, mniej kwasu dotrze do miejsc aktywnych, co zmniejsza dostępną pojemność.
Tradycyjnie porowatość materiałów stałych posiadających pory wielkości mikro- do mezometrycznych mierzy się za pomocą porozymetrii rtęciowej. Wymagało to fizycznego usunięcia aktywnego materiału z płyty, aby zmieścić się w uchwycie próbki instrumentu. Ma to wiele wad, mianowicie pobierana jest tylko reprezentatywna próbka z obszaru płyty; próbka jako taka jest odłączona od siatki lub kolektora prądowego, co powoduje dodatkowe pęknięcia i ubytki w materiale; Wiele laboratoriów odeszło od stosowania rtęci ze względu na jej toksyczność. Zaletą tej techniki jest jej zdolność do oszacowania rozkładu wielkości porów materiału w określonym zakresie.
Niniejsze badanie proponuje technikę wykorzystującą całą płytę do pomiaru całkowitej porowatości materii aktywnej przy użyciu zasady Archimedesa. W kontekście określania gęstości materiału zasada Archimedesa mówi, że siła wyporu działająca na obiekt zanurzony w cieczy jest równa masie cieczy wypieranej przez ten obiekt. Zasada ta pozwala obliczyć gęstość obiektu poprzez pomiar jego masy w powietrzu oraz wagi zanurzonej w znanym płynie. Ta siła wyporu jest następnie wykorzystywana do obliczenia objętości wypieranej cieczy, która jest równa objętości obiektu.
Technikę tę można łatwo wdrożyć w laboratorium, aby mierzyć porowatość płyt akumulatorów kwasowo-ołowiowych, które zostały poddane określonym warunkom produkcyjnym lub testowym. Mimo że technika ta jest nadal destrukcyjna, ponieważ trzeba przeciąć baterię, aby usunąć płytki do analizy, bierze się pod uwagę porowatość całej płyty. Dlatego metoda mierzy średnią porowatość na całej płycie, rejestrując zmiany niektórych obszarów płyty, które zwykle nie są brane pod uwagę. Te różnice zazwyczaj występują przy pracy z relatywnie dużymi płytami, gdzie możliwe niespójności produkcyjne oraz efekty stratyfikacji kwasowej mogą wpływać na konkretne obszary płyt w czasie. Jednak ograniczeniem metody przemieszczenia glicerolu jest mierzenie porowatości na podstawie porów przepuszczalnych. Oznacza to, że można niedoszacować porowatości płytki, jeśli glicerol nie przenika całkowicie przez pory aktywnej masy. Gdy obecne są zamknięte pory, technika ta pośrednio koreluje z tym, co dzieje się wewnątrz baterii podczas aplikacji, ponieważ kwas nie byłby w stanie całkowicie przeniknąć przez obszary aktywnej masy, które mają zamknięte pory. Pomimo tego ograniczenia, metoda pozostaje bezpieczna i opłacalna, a także nadaje się do pomiaru porowatości płyt baterii.
W tym badaniu mierzone są porowatości zarówno płyt ujemnych, jak i dodatnich stosunkowo małej baterii ołowiowo-kwasowo-ołowiowej o regulacji zaworowej 7,2 Ah (VRLA). Baterie te są zazwyczaj stosowane w systemach sterowania alarmami i bramami. Wpływ na porowatość płyty baterii oraz chemiczny skład fazowy analizowano pod kątem możliwego mechanizmu starzenia, na który bateria była narażona. Jednym z nich jest nadmierne starzenie się w kalendarzu lub okres przydatności, a drugim powtarzające się cykle pojemności bez odpowiedniego ładowania. To typowe warunki, na jakie takie baterie są narażone. Te, które pozostają na półkach hurtownika elektrycznego przez wiele miesięcy, a czasem lat, bez otrzymania dodatkowej opłaty. Ponadto baterie używane w systemach zasilania awaryjnego są poddawane powtarzającym się cyklom przepustowości typu "load-shedding", gdzie ładowanie systemu inwertera jest niewystarczające, aby zapewnić niezbędną energię do pełnego naładowania baterii podczas krótkich okresów ładowania.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
UWAGA: Protokół jest podobny do wcześniej opisanego przez Ferga i in.7. Sprzęt i odczynniki użyte w badaniu są wymienione w Tabeli Materiałów. Obraz urządzenia używanego do pomiaru porowatości elektrod przedstawiono na Rysunku 2.
Rysunek 2: Proste urządzenia używane do pomiaru porowatości elektrod na podstawie przemieszczeń glicerolowych. Układ składa się z (1) cyfrowej wagi elektronicznej, (2) dodatku do wagi z klipsami do krokodyla, (3) solidnej konstrukcji ramy, (4) ujemnej płytki baterii, (5) pojemnika z glicerolem oraz (6) laboratoryjnego gniazda. Prosimy kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.
1. Przygotowanie próbki
- Ekstrakcja płyt do pomiaru porowatości
- Używając piły do cięcia plastiku, ostrożnie otwórz akumulator kwasowo-ołowiowy, powoli tnąc szew między obudową a pokrywą.
UWAGA: Przejrzyj kartę bezpieczeństwa materiałów (MSDS) dla wszystkich materiałów używanych w tym protokole. Akumulator kwasowo-ołowiowy zawiera żrący kwas siarkowy oraz toksyczne płytki ołowiowe. Rozciń go powoli w dobrze wentylowanym okapu chemicznym, mając na twarzy pełny sprzęt ochronny, w tym rękawiczki odporne na kwas, aby zapobiec potencjalnym obrażeniom. Również nieustannie neutralizuj agentów i placówki ratunkowe w pobliżu. - Ostrożnie rozłóż akumulator kwasowo-ołowiowy.
- Usuń każdą ogniwo baterii i oddziel jego elementy, dbając o to, by płytka dodatnia i ujemna zostały wyjęte bez żadnych zmian.
- Używając piły do cięcia plastiku, ostrożnie otwórz akumulator kwasowo-ołowiowy, powoli tnąc szew między obudową a pokrywą.
- Przygotowanie płyt do pomiaru porowatości
- Delikatnie opłucz płytki wodą, aby usunąć resztki kwasu.
UWAGA: Upewnij się, że płytki są wolne od resztek kwasu, ponieważ może on reagować po zanurzeniu w glicerolu. - Susz płytkę ujemną w piecu pod atmosferą obojętną, taką jak azot, aby zapobiec utlenianiu ołowiu. Susz w temperaturze 110 °C przez 6 godzin lub do osiągnięcia stałej masy.
- Susz pozytywną płytkę w piekarniku w 110 °C przez 24 godziny.
UWAGA: W przypadku talerzy przyklejonych należy usunąć zewnętrzny papier przed suszeniem w piekarniku. - Wyjmij talerze z piekarnika i pozwól im ostygnąć w osuszarce, aby zapobiec wchłanianiu wilgoci.
- Odetnij zawory płytek i upewnij się, że są suche przed rozpoczęciem pomiaru porowatości, aby zarejestrować dokładne masy.
- Delikatnie opłucz płytki wodą, aby usunąć resztki kwasu.
2. Pomiar porowatości
UWAGA: W tym badaniu zastosowano Cyfrową Wagę Elektroniczną (maksymalna pojemność: 500 g; dokładność: 0,01 g).
- Umieść wagę elektroniczną na solidnej konstrukcji ramowej nad odpowiednim pojemnikiem zawierającym glicerol o znanej gęstości.
UWAGA: Gęstość glicerolu zostanie wykorzystana później w obliczeniach. - Wyjmij płytkę suchą z suszarki, umieść ją na tarowanej wagi elektronicznej i zapisz masę jako masę płyty suchej.
- Przymocuj teleskopowy (wysuwany) klips krokodyla na górze siatki ołowianej.
- Zanurz płytkę całkowicie w glicerole, dbając o to, aby wydłużona część klipsa była umieszczona nad płynem, aby łatwo usunąć płytkę z gliceroli. Powinny zacząć się pojawiać bąbelki uwięzione w talerzu.
- Załóż pokrywkę na pojemnik i włóż korek.
UWAGA: Pokrywa pojemnika powinna być zaprojektowana tak, aby umożliwiać aplikację próżniową. - Podłącz urządzenie do niskopróżniowego zasilania i przystosuj podciśnienie o średnicy około 100 mbar, aż boki pojemnika pokażą lekkie wgłębienie, następnie wyłącz odkurzacz. Ma to zapewnić, że glicerol przenika przez wszystkie pory.
- Trzymaj talerz pod próżnią przez co najmniej 15 minut.
UWAGA: Jeśli po tym okresie pęcherzyki nadal widocznie wypływają z płyty ołowianej, przedłuż czas próżni o nieco dłużej. Średnia porowatość płytek może być niedoszacowana, jeśli glicerol nie przenika całkowicie przez wszystkie pory. - Przyłóż przystawkę do wagi tarowej i zapisz masę.
- Zdejmij płytkę z glicerolu i przymocuj ją do dwóch klipsów krokodylowych na zaczepaniu balansu. Upewnij się, że płytka jest wypoziomowana i w razie potrzeby dostosuj ją.
- Przyłóż nastawkę do wagi z namoczonym talerzem i pozwól jej zawiesić nad glicerolem przez 8 minut, aby usunąć nadmiar glicerolu z powierzchni talerza.
- Zetrzyj krople z dna talerza.
- Umieść przystawkę wagi na wadze i zapisz masę jako masę płytki nasyconej glicerolem.
- Powoli podnosz pojemnik glicerolu, używając podnośnika laboratoryjnego, aż górna część płytki będzie zanurzona. Zarejestruj tę masę jako masę zanurzonej płytki glicerolowej.
- Powtórz eksperyment w trzech egzemplarzach.
UWAGA: Utylizacja wszystkich pozostałości jako niebezpiecznych odpadów chemicznych, zgodnie z wytycznymi instytucji dotyczącymi gospodarki odpadami.
3. Analiza danych o porowatości
UWAGA: Dane potrzebne do obliczenia porowatości płyt zostały zaadaptowane z Ferg i al.7, a szczegółowe wyprowadzenie wzorów znajduje się w pliku uzupełniającym 1 7,8,9.
- Dane potrzebne do obliczenia porowatości elektrody
- Zdefiniuj wymagane parametry. Parametry wymagane do analizy procentowej porowatości definiuje się następująco:
Masa płyty suchej (g) = A
Masa płytki nasyconej glicerolem (g) = B (Mierzyć w trzech egzemplarzach)
Masa zanurzonej płytki glicerolowej (g) = C (Do mierzenia w potrójnych egzemplarzach)
Masa stopu siatki (g)= D
Gęstość stopu siatki (g/cm3) = E (UWAGA: zależy to od rodzaju użytego stopu ołowiu)
Gęstość glicerolu (g/cm3) = F
Masa aktywnego materiału (g), G = (A - D)
Bezwzględna gęstość aktywnego materiału (g/cm3),
Objętość porów (cm 3/g),
Gęstość objętości (g/cm3),
% Porowatość, K = IJ x 100
- Zdefiniuj wymagane parametry. Parametry wymagane do analizy procentowej porowatości definiuje się następująco:
- Generowanie pozostałych danych potrzebnych do obliczeń
- Masę siatki określ poprzez ostrożne usunięcie aktywnej materii elektrody.
UWAGA: Rysunek 6A,B pokazuje dodatnie i ujemnie formowane płyty akumulatorów kwasowo-ołowiowych z odpowiadającymi im materiałami aktywnymi, natomiast Rysunek 6C, D przedstawia odpowiednie siatki.
- Masę siatki określ poprzez ostrożne usunięcie aktywnej materii elektrody.
- Analiza danych
- Otwórz arkusz kalkulacyjny i wprowadź każdy parametr wymieniony w kroku 3.1 oraz odpowiadające im wzory do odpowiednich kolumn.
- Wprowadź masę płyty suchej, A, do kolumny.
- Wprowadź potrójne masy płytki nasyconej glicerolem, B, do kolumny.
- Wprowadź potrójne masy zanurzonej płyty, C, do kolumny.
- Wprowadź masę stopu siatki, D, do kolumny.
- Wprowadź gęstość stopu siatki, E, do kolumny. (W zależności od rodzaju użytego stopu ołowiu).
- Wprowadź gęstość gliceru, F, do kolumny.
- Wprowadź wzór do określenia masy materii aktywnej płyty, G, do kolumny, odejmując masę płyty suchej, A, od masy stopu siatki D, aby obliczyć odpowiednie wartości.
Masa aktywnego materiału płyty, G = (A -D) (1) - Wprowadź wzór do określenia gęstości bezwzględnej materii aktywnej, H, do kolumny, aby obliczyć odpowiednie wartości.
- Wprowadź wzór do określenia konkretnej objętości porów, I, do kolumny, aby obliczyć odpowiadające im wartości.
- Wprowadź wzór do określenia gęstości objętości substancji aktywnej, J, do kolumny, aby obliczyć odpowiednie wartości.
Gęstość objętości materiału aktywnego,
- Wprowadź wzór obliczający procentową porowatość masy materii aktywnej na płycie, K, do kolumny, aby obliczyć odpowiednie wartości.
% porowatość, K = IJ x 100 (5) - Określ średnią procentową porowatość i odchylenie standardowe tablic, używając odpowiedniej funkcji w arkuszu kalkulacyjnym.
4. Analiza mikrostrukturalna za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej proszku
UWAGA: Mikrostrukturalna analiza dyfrakcji rentgenowskiej wykonano na replikowanych płytach z tej samej baterii, które były wystawione na podobne warunki, aby zapewnić porównywalność danych i brak zakłóceń strukturalnych.
- Przygotowanie próbki do dyfrakcji rentgenowskiej powierzchni elektrody
- Ostrożnie wytnij wysuszoną próbkę na odpowiedni kształt, aby pasował do pojemnika na próbkę.
UWAGA: Należy to robić ostrożnie, aby nie zmieniać powierzchni elektrody. - Przenieś próbkę do czystego uchwytu na próbkę, dbając o to, aby wysokość powierzchni płytki była wyrównana z górną krawędzią uchwytu próbki.
- Ostrożnie wytnij wysuszoną próbkę na odpowiedni kształt, aby pasował do pojemnika na próbkę.
- Przygotowanie próbki do dyfrakcji rentgenowskiej masy materiału aktywnego
UWAGA: Zastosowano stację do przygotowania próbki uzyskaną z Malvern Panalytical ułatwiającą wpłatę próbki z powrotem do uchwytu próbki.- Usuń wysuszoną próbkę aktywnego materiału z płyty z siatki.
- Zmielić aktywny materiał na proszek moździerzem i tłuczkiem, aby równomiernie zmniejszyć rozmiar cząstek i upewnić się, że jest wystarczająco dużo proszku do standardowego pojemnika próbek.
- Wyczyść uchwyt na próbkę oraz stół do przygotowywania próbek na stanowisku przygotowania próbek.
- Umieść górną płytkę dwuczęściowego uchwytu na próbkę płasko do dołu na stole do przygotowania próbki i zabezpiecz ją, naciskając i zwalniając przycisk zaciskowy stołu do przygotowywania próbki.
- Przepełnij górną płytkę uchwytu próbki próbką próbką za pomocą szpatuły.
- Delikatnie sprężaj proszek na górną płytkę uchwytu próbki, mocno i równomiernie naciskając blokiem prasy proszkowej stacji do przygotowania próbki. Upewnij się, że wysokość próbki jest wyrównana z górną krawędzią uchwytu na próbkę.
- Oczyść krawędzie uchwytu na próbkę pędzlem do kurzu, aby usunąć nadmiar proszku.
- Naciśnij dółną część dwuczęściowego uchwytu na próbkę proszku twarzą do górnej płyty, aż zatrzask się zatrzeszczy.
- Odwróć stół do przygotowania próbki i naciśnij przycisk zacisku, aby zwolnić uchwyt na próbkę. Upewnij się, że powierzchnia proszku jest gładka i wyrównuje się z górną krawędzią uchwytu na próbkę.
- Akwizycja danych XRD
UWAGA: Wzory dyfrakcji rentgenowskiej proszku zostały zarejestrowane w zakresie 2 theta od 5° do 80°, podczas 15-minutowego skanowania za pomocą dyfraktometru stołowego wyposażonego w anodę rentgenowską z kobaltu (Co).- Załaduj uchwyt próbki na dyfraktometr XRD.
- Wybierz odpowiedni program pomiarowy i wprowadź dane próbki do dyfraktometru.
- Rozpocznij pomiar.
- Po zebraniu danych przejdź do menu zarządzania danymi dyfraktometru i wyeksportuj wyniki do wybranego folderu.
- Udoskonalenie Rietvelda
UWAGA: DIFFRAC. EVA wersja 4.3 i DIFFRAC. Do identyfikacji fazy i ilościowego doprecyzowania Rietvelda użyto odpowiednio wersji 6 TOPAS 6.- Zidentyfikuj fazy dostępne w próbce za pomocą dedykowanego oprogramowania do identyfikacji faz.
- Otwórz DIFFRAC. EVA i kliknij zakładkę import from files , aby załadować plik skanowania XRD (. pliku RAW) do oprogramowania do identyfikacji szczytów.
- Kliknij zakładkę Search/Match (skan) w panelu poleceń Data .
- Kliknij przycisk rozwijany obok zakładki filtra chemicznego . Kliknij prawym przyciskiem, aby zaznaczyć wszystkie elementy układu okresowego, a następnie ponownie kliknij prawym przyciskiem, aby zmienić wybrane elementy na 'odrzucone'.
- Odznacz elementy interesujące w próbce, klikając symbol elementu.
- Kliknij przycisk rozwijany obok zakładki filtra bazy danych i wybierz wybraną bazę danych.
- Kliknij zakładkę dopasowania , aby dopasować wzór dyfrakcji do bazy danych referencyjnych i zidentyfikować fazy.
- Zmierz zidentyfikowane fazy próbki za pomocą dedykowanego oprogramowania do analizy ilościowej.
- Otwórz DIFFRAC. TOPAS i kliknij na pliki load scan, aby zaimportować surowe dane XRD do oprogramowania w celu ilościowego doprecyzowania Rietvelda.
- Kliknij przycisk rozwijany obok nazwy pliku RAW.
- Kliknij prawym przyciskiem myszy na zakładkę profilu emisji i wczytaj profil emisji.
- Kliknij na zakładkę tła i dopracuj parametry tła.
- Kliknij zakładkę instrumentów i doprecyzuj parametry w oparciu o konfigurację instrumentu.
- Kliknij zakładkę korekcji i dopracuj zerowy błąd, przemieszczenie próbki oraz współczynniki polaryzacji Lorentza.
- Kliknij zakładkę Load STR(s), aby załadować pliki struktur zidentyfikowanych faz z bazy danych CoD oprogramowania TOPAS.
- Doprecyzuj parametry sieci i położenia atomowe struktury krystalicznej(-ów).
- Kliknij zakładkę Run , aby rozpocząć dopracowywanie (doprecyzowanie).
- Kontynuuj dopracowywanie, aż współczynnik dopasowania i współczynnik R o profilu ważonym (Rwp) będą poniżej akceptowalnego standardu.
5. Modyfikacje i rozwiązywanie problemów
UWAGA: Ta sekcja przedstawia kluczowe kroki protokołu, które mogą wpływać na dokładność i powtarzalność pomiarów porowatości w płytkach ołowianych, oraz dostarcza wskazówek dotyczących rozwiązywania typowych problemów pojawiających się podczas protokołu.
- Płytki delikatne
- Płyty wystawione na typowe warunki baterii mogą stać się kruche i mogą się rozpadać podczas użytkowania. Delikatnie trzymaj płyty, unikając nacisku na aktywny materiał.
- Niepełne wyschnięcie płyt
- Jeśli płyty nie zostaną całkowicie wysuszone, wilgoć pozostała może powodować niedokładności masy płyty suchej, a co za tym idzie, we wszystkich kolejnych obliczeniach. Upewnij się, że płyty są całkowicie suche przed rozpoczęciem pomiaru porowatości i sprawdź, czy osiągnięto stałą masę.
- Resztkowe płyty kwasowe
- Pozostałości kwasu w płytkach mogą reagować po zanurzeniu w glicerolu. Delikatnie, ale dokładnie opłucz płytki wodą, aby usunąć resztki kwasu i zapewnić całkowite usunięcie.
- Niepełne przenikanie porów
- Jeśli glicerol nie przeniknie całkowicie przez wszystkie pory, obliczona objętość porów będzie niższa niż rzeczywistość, co wpływa na średnią porowatość płytek. Po 15 minutach infiltracji wspomaganej próżnią obecność pęcherzyków powietrza wskazuje, że są pory, które nie zostały jeszcze wypełnione; Kontynuuj odkurzanie, aż bąbelek ustanie. Chociaż 15 minut powinno być odpowiednie dla większości rozmiarów płytek, optymalizuj czas infiltracji w zależności od rozmiaru płyty.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Testy mocy przeprowadzono na trzech komercyjnie zakupowanych bateriach ołowiowych 12 V, 7,2 Ah VRLA o wydajności C10 do niższego limitu napięcia 10,5 V. Wszystkie testy wydajności przeprowadzono w temperaturze 25 °C. Po otrzymaniu baterie ładowano napięciem 14,8 V przez 10 godzin, z maksymalnym prądem 2,9 A. Następnie odbyły się dwa testy o pojemności C10 ze standardowym krokiem ładowania przy 14,8 V przez 24 godziny przy maksymalnej mocy 2,9 A. Wyniki początkowych pojemności C10 są podsu...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
Testy pojemności wykazały, że bateria 1 dostarczała 92% mocy nominalnej (6,62 Ah), bateria 2 50% (3,58 Ah) z jedynie częściowym odzyskiem 3,32 Ah nawet po wielokrotnym naładowaniu, a bateria 3 dostarczała 91% mocy nominalnej (6,57 Ah) (Tabela 1).
Zmiany stężenia H2SO4 w porach PAM, wynikające z reakcji chemicznych zachodzących w płytkach podczas cyklu przepustowości, wpływają na strukturę i morfologię PbO₂ powstałego w płytach11. P...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Oświadczenia
Autorzy twierdzą, że prace przedstawione w tym artykule są wolne od konfliktowych interesów
Podziękowania
Autorzy doceniają uYilo oraz program podoktorski Uniwersytetu Nelsona Mandeli (NMU) za finansowanie projektu
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Dyfraktometr rentgenowski Aeris Labor Aeris | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Holandia | Do analizy mikrostrukturalnej | |
| Stabilizacja równowagi z klipsami do krokodyla | Aby umożliwić ważenie nasyconej i zanurzonej płyty | ||
| Ogniwa baterii (12 V, 7,2 Ah) i nie do końca; | Nie ma | Nie ma | Dowolny |
| DIFFRAC. EVA V 4.3 | Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Niemcy | Wersja 4.3 | Oprogramowanie do identyfikacji faz |
| DIFFRAC. TOPAS V6 | Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Niemcy | Wersja 6 | Oprogramowanie do kwantyfikacji fazowej |
| Cyfrowa Waga Elektroniczna | Dixon Science, Chiny | EG5001-A | Cyfrowa waga elektroniczna o maksymalnej pojemności 500 g i dokładności 0,01 g |
| Centralna linia próżniowa laboratorium | Zastosowanie próżni do pojemnika, aby ułatwić infiltrację glicerolu do płyt. | ||
| Laboratory Jack | Karl-Kurt Juchheim Laborgerä te, GmbH, Niemcy | 2290 | Aby podnieść pojemnik glicerolowy tak, aż górna część płytki będzie zanurzona |
| Uchwyty próbek proszku | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Holandia | Do przechowywania próbek proszku do analizy XRD | |
| Stacja do przygotowywania próbek | Malvern Panalytical B.V., Almelo, Holandia | 9,43,00,17,70,101 | Aby umożliwić łatwe wnoszenie proszków do pojemników próbek do analizy XRD |
| Solidna konstrukcja ramy | Dowolny | ||
| Odpowiedni pojemnik z pokrywką | Dowolny | ||
| Teleskopowy klips krokodyla | Do zanurzania płytek w gliceroli | ||
| Miernik ciśnienia próżniowego | WIKA Alexander Wiegand SE & Kompania KG, Klingenberg, Niemcy | Model: 611.10 | Do pomiaru ciśnienia przyłożonego podciśnienia |
Bibliografia
- 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).
- Heth, C. L. Energy on demand: a brief history of the development of the battery. Substantia. 3 (2), 77-86 (2019).
- Catherino, H. A., Feres, F. F., Trinidad, F. Sulfation in lead-acid batteries. J Power Sources. 129 (1), 113-120 (2004).
- Pavlov, D. Lead-Acid Batteries: Science and Technology. , Elsevier. (2011).
- 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).
- Garche, J., Karden, E., Moseley, P. T., Rand, D. A. Lead-Acid Batteries for Future Automobiles. , Elsevier. (2017).
- Ferg, E., Loyson, P., Rust, N. Porosity measurements of electrodes used in lead-acid batteries. J Power Sources. 141 (2), 316-325 (2005).
- 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).
- 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).
- AXS, B. TOPAS v6: General Profile and Structure Analysis Software for Powder Diffraction Data. User's Manual. , Bruker AXS. Karlsruhe, Germany. (2017).
- 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).
- Romero, A. F., Ocón, P. Phase Transformation Processes in the Active Material of Lead-Acid Batteries. Phase Change Materials-Technology and Applications. , IntechOpen. (2022).
- 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).
- Hao, H., et al. A review of the positive electrode additives in lead-acid batteries. Int J Electrochem Sci. 13 (3), 2329-2340 (2018).
- 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).
- 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).
- Wall, M. T., et al. Growth mechanisms of nano-to micro-sized lead sulfate particles. ACS Omega. 6 (16), 10557-10567 (2021).
- Kubota, Y. Water adsorption on lead dioxide from ab initio molecular dynamics simulations. J Chem Phys. 158 (13), (2023).
- Iliev, V., Pavlov, D. Self-discharge and passivation phenomena in lead-acid batteries during storage. J Electrochem Soc. 129 (3), 458(1982).
- 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).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Przedruki i uprawnienia
