Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Смещение глицерина на основе архимеда для измерения пористости электродов в свинцо-кислотных батареях

1K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/69319

⸱

7 апреля 2026 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

Здесь мы представляем простой и недорогой метод смещения глицерила, основанный на принципе Архимеда для измерения пористости электродов свинцово-кислотных батарей. Метод демонстрирует хорошую воспроизводимость и безопаснее традиционных методов, требуя низкоопасных химикатов и оборудования. Сочетание метода с микроструктурным анализом с помощью рентгеновской дифракции даёт информацию о свойствах электродов батареи и их деградации.

Аннотация

Эффективность свинцово-кислотных аккумуляторов сильно зависит от структурных и поверхностных свойств активных материалов электродов. Помимо важности фазового состава материала в любой момент применения, его площадь поверхности и пористость влияют на общую производительность батареи. Ртутная поросиметрия, использующая репрезентативный образец активного материала для анализа, традиционно применялась для измерения пористости батарейных пластин. Помимо возможности возникновения трещин и полостей в материале при взятке образца, многие лаборатории отказались от использования ртуть из-за её токсичности. Техника смещения глицерина на основе Архимеда имеет преимущество в том, что является простым методом, учитывающим пористость всей батарейной пластины. Хотя метод может не давать подробной информации о распределении пор материала, воспроизводимость достигается как для отдельных пластин, так и для групп пластин, взятых как из одной ячейки, так и с шести элементов батареи. Метод рассчитывает пористость на основе абсолютной и оболоченной плотности материала, используя объём поглощённого глицерина для измерения средней пористости по всей пластине. Свинцово-кислотные аккумуляторы обычно подвергаются стареющим механизмам, которые влияют на структурную целостность активного материала и его поверхностные свойства. В этом исследовании описывается использование метода смещения глицерола для измерения пористости батарейных пластин, в сочетании с характеристикой порошкового рентгеновского дифракционного материала для понимания механизмов деградации аккумуляторов, подвергшихся циклу срока службы ёмкости и календарному старению или сроку хранения соответственно. Результаты показали, что механизмы отказа батарей существенно различаются, а химические и физические свойства активного материала взаимозависимы; поэтому нельзя полагаться только на один аналитический инструмент для интерпретации механизма отказа.

Введение

Свинцово-кислотная батарея — одна из старейших коммерческих перезаряжаемых батарей. В 1859 году французский физик Гастон Плант продемонстрировал принцип работы батареи, погрузив две свинцовые пластины в серную кислоту. Потенциал коммерциализации был реализован только через 20 лет, когда технологии были улучшены с использованием клеевых пластин, позволяющих разряжать и заряжать батарею через обратныйток 1.

Ещё на ранних этапах изобретения стало очевидно значение открытой поверхности и пористости материала аккумулятора. Считалось, что чем больше площадь поверхности материала, тем больше ёмкостьбатареи 2. В то время коммерциализация аккумулятора обрела уникальное применение в развивающейся автомобильной промышленности1, позволив запускать двигатели внутреннего сгорания не только для легковых автомобилей, но и для более крупных двигателей, применявшихся в армии, таких как танки исамолёты 3, 4, 5.

По мере совершенствования производственных технологий развивались и достижения в химическом анализе и понимании процессов, происходящих в батарее. Всегда будет необходимо совершенствовать производственный процесс, чтобы обеспечить стабильный продукт, который не только конкурентоспособен по цене, но и имеет хорошее качество и может обеспечивать электрическую резервную работу на более длительное время.

Химический состав батареи, называемый теорией двойного сульфата, уникален по сравнению с другими типами батарей. В данном случае электролит или кислота входят в механизм реакции во время процесса разряда изаряда 6.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
Рисунок 1: Схематическая иллюстрация механизмов реакции зарядки и разряда свинцово-кислотной батареи. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Здесь электроды или пластины, проводящие электричество, реагируют с кислотой, образуя сульфат свинца, который можно рассматривать как изолятор (рисунок 1). Не весь материал на пластине используется в процессе сброса. Электрохимическая реакция преимущественно происходит на поверхности материала, подвергшегося воздействию кислоты, и когда батарея заряжается, изолирующий материал сульфата свинца превращается обратно в проводящий диоксид свинца и свинец на двух пластинах, которые называются катод и анод соответственно. 5. Чем больше площадь поверхности, тем больше разрядных реакций может происходить и тем больше ёмкости можно получить. Пластины проектируются относительно тонкими и обычно специфичны для конкретного применения. Для высокой мощности на короткие промежутки времени, например, при запуске автомобиля, желательна большая площадь, где кислота может легко распространяться или диффундировать в середину пластины, тогда как для аккумуляторов, предназначенных для обеспечения большей ёмкости на длительные промежутки времени при более низких скоростях разряда, обычно используют более толстые пластины. Это становится компромиссом между доступным материалом, в который кислота может легко мигрировать или диффундировать, и обеспечением более толстой и жёсткой опоры пластины, чтобы дольше держаться при нанесении.

Анализ активного вещества внутри батареи всегда был сложным из-за его разрушительного характера. Батарею нужно разрезать, а пластины разобрать; Это может дать лишь снимок времени в состоянии батареи. Обычно это связано с тем, что учёные хотят узнать состояние заряда батареи (SoC) и состояние здоровья (SoH). В батарее самыми важными и, вероятно, единственными химическими параметрами, которые аналитик может с уверенностью измерить, являются химические свойства, включая её элементный и фазовый состав. Эти методы обычно опираются на атомную абсорбцию или рентгеновскую флуоресцентную технику, а также на продвинутые методы, такие как сканирующая электронная микроскопия и порошковая рентгеновская дифракция. Также применяются электрохимические аналитические методы, включая импедансную спектроскопию и циклическую вольтамметрию, среди прочих.

С другой стороны, физико-химические свойства включают прочность пластин, доступную площадь поверхности и пористость активного материала. Анализ поверхностной площади обычно проводится методами адсорбции азота, и в этом исследовании измерялась пористость пластин, используемых в свинцо-кислотной батарее. Пористость связана с доступным свободным пространством внутри активного материала, в котором кислота свободно перемещается и контактирует с активными участками, что затем позволяет провести электрохимическую реакцию. Если пористость слишком высока, соединительные пути между различными активными частицами будут ограничены, что увеличивает вероятность разрыва. Если пористость слишком мала, меньше кислоты сможет попасть в активные участки, тем самым снижая доступную ёмкость.

Традиционно пористость твёрдых материалов с порами микро- или мезоразмером измеряется ртутной поросиметрией. Это требовало физического удаления активного материала из пластины, чтобы поместиться в держатель для проб инструмента. У этого есть ряд недостатков, а именно: берутся только представительная выборка из площади пластины; образец как таковой отключается от сетки или токосборника, вызывая дополнительные трещины и полости в материале; и многие лаборатории отказались от использования ртуть из-за её токсичности. Преимущество этой техники заключается в её способности оценить распределение размера пор материала в определённом диапазоне.

В данном исследовании предлагается метод, при котором используется вся пластина для измерения общей пористости активного материала с помощью принципа Архимеда. В контексте определения плотности материала принцип Архимеда утверждает, что плавающая сила на объект, погруженный в жидкость, равна весу жидкости, вытесненной этим объектом. Этот принцип позволяет рассчитывать плотность объекта, измеряя его вес в воздухе и вес в известной жидкости. Эта плавающая сила затем используется для расчёта объема смещённой жидкости, равного объёму объекта.

Эту технику можно легко установить в лаборатории для измерения пористости свинцово-кислотных батарейных пластин, подвергшихся определённым условиям производства или испытаний. Хотя техника всё ещё разрушительна в смысле необходимости разрезать батарею для удаления пластин для анализа, учитывается пористость всей пластины. Таким образом, метод измеряет среднюю пористость по всей плите, фиксируя вариации определённых областей плиты, которые обычно не учитываются. Эти вариации обычно происходят при работе с относительно большими пластинами, где возможные производственные несоответствия и влияние кислотной стратификации могут влиять на отдельные области пластин со временем. Однако ограничением метода смещения глицерила является измерение пористости на основе проницаемых пор. Это означает, что можно недооценить пористость пластины, если глицерин не проникает полностью в поры активной массы. При наличии закрытых пор техника косвенно коррелирует с тем, что происходит внутри батареи во время применения, поскольку кислота также не сможет полностью проникнуть в области активной массы с закрытыми порами. Несмотря на это ограничение, метод остаётся безопасным и экономичным, а также подходит для измерения пористости батарейных пластин.

В этом исследовании измеряется пористость как отрицательных, так и положительных пластин относительно небольшой свинцово-кислотной батареи (VRLA) мощностью 7,2 А·ч. Эти батареи обычно используются в бытовых системах сигнализации и управления моторами ворот. Влияние на пористость пластин и химический фазовый состав батарей изучалось с точки зрения возможного механизма старения, которому подвергалась батарея. Одна — чрезмерное старение или срок годности, другая — многократные циклы загрузки без достаточной подзарядки. Это типичные условия, которым подвергаются такие батареи. Те, что остаются на полках оптовиков электроэнергии месяцами, а иногда и годами, без дополнительной платы. Кроме того, батареи, используемые в резервных системах питания, подвергаются повторяющимся циклам «переключения нагрузки», когда зарядка инверторной системы недостаточна для обеспечения необходимой энергии для полной зарядки аккумулятора в течение коротких периодов перезарядки.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол похож на ранее описанный Фергом и др.7. Оборудование и реагенты, использованные в исследовании, перечислены в Таблице материалов. Изображение оборудования, используемого для измерения пористости электродов, приведено на рисунке 2.

figure-protocol-1
Рисунок 2: Простое оборудование, используемое для измерения пористости электродов на основе смещения глицерола. Система состоит из (1) цифрового электронного баланса, (2) насадки для балансов с крокодильими зажимами, (3) прочной конструкции каркаса, (4) негативной батарейной пластины, (5) контейнера с глицерином и (6) лабораторного джека. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

1. Подготовка образца

  1. Извлечение пластин для измерения пористости
    1. Используя пилу для резания пластика, аккуратно откройте свинцово-кислотную батарею, медленно разрезая по шву между корпусом и крышкой.
      ВНИМАНИЕ: Ознакомьтесь с данными по безопасности материалов (MSDS) для всех материалов, используемых в этом протоколе. Свинцово-кислотная батарея содержит коррозионную серную кислоту и токсичные свинцовые пластины. Медленно разрезать его в хорошо проветриваемом капюшоне с химическим паром, надевая полные средства индивидуальной защиты, включая кислотостойкие перчатки, чтобы избежать возможных травм. Также держите рядом нейтрализующие агенты и аварийные службы.
    2. Аккуратно разберите свинцово-кислотный аккумулятор.
    3. Удалите каждую батарейную ячейку и разделите её компоненты, убедившись, что положительные и отрицательные пластины удалены без изменений.
  2. Подготовка пластин для измерения пористости
    1. Аккуратно промыйте тарелки водой, чтобы удалить остаточную кислоту.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что пластины свободны от остаточной кислоты, так как она может реагировать при погружении в глицерин.
    2. Высушите отрицательную пластину в духовке в инертной атмосфере, такой как азот, чтобы предотвратить окисление свинца. Сушить при 110 °C в течение 6 часов или до достижения постоянной массы.
    3. Сушите положительную тарелку в духовке при 110 °C в течение 24 часов.
      ПРИМЕЧАНИЕ: В случае наклеенных тарелок внешнюю бумагу следует снимать перед сушкой в духовке.
    4. Снимите тарелки из духовки и дайте им остыть в осушителе, чтобы предотвратить впитывание влаги.
    5. Отрежьте выступы пластин и убедитесь, что пластины сухие, прежде чем начинать измерение пористости, чтобы зафиксировать точные массы.

2. Измерение пористости

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом исследовании использовался цифровой электронный баланс (максимальная ёмкость: 500 г; точность: 0,01 г).

  1. Разместите электронный баланс на прочной каркасной конструкции над подходящим контейнером с глицеролом известной плотности.
    ПРИМЕЧАНИЕ: плотность глицерина будет использована позже в расчётах.
  2. Снимите сухую пластину из десиккатора, положите её на электронный баланс с затяжкой и запишите массу как массу сухой пластины.
  3. Прикрепите телескопическую (удлиняющуюся) зажимку крокодила к верхней части свинцовой сетки.
  4. Полностью погрузите пластину в глицерин, чтобы удлинённая часть зажимки оставалась над жидкостью для удобства извлечения пластины из глицерина. Пузырьки, застрявшие в пластине, должны начать появляться.
  5. Накройте крышку контейнера и вставьте пробку.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Крышка контейнера должна быть спроектирована с участием вакуумного применения.
  6. Подключите установку к низковакуумному источнику и создайте вакуум примерно на 100 мбар, пока боковые части контейнера не появятся небольшие вмятины, затем выключите пылесос. Это делается для того, чтобы глицерин проникал во все поры.
  7. Держите пластину в вакууме не менее 15 минут.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если пузырьки воздуха всё ещё заметно появляются из свинцовой пластины после этого периода, продлите время вакуума ещё немного. Среднюю пористость пластин можно недооценить, если глицерин не проникает полностью во все поры.
  8. Поставьте насадку для баланса на покрытые весы и запишите массу.
  9. Снимите пластину с глицерина и прикрепите её к двум крокодиловым зажимам на насадке для баланса. Убедитесь, что пластина ровная, и при необходимости отрегулируйте её.
  10. Поставьте насадку для баланса с пропитанной пластиной на весы и дайте пластине повиснуть над глицерином на 8 минут, чтобы удалить лишний глицерин, который остался на поверхности пластины.
  11. Сотрите капли с дна тарелки.
  12. Поставьте насадку для баланса на весы и запишите массу как массу глицериновым насыщенной пластины.
  13. Медленно поднимайте контейнер с глицером, используя лабораторный домкрат, пока верхняя часть пластины не будет полностью погружена под воду. Запишите эту массу как массу погружённой глицериновой пластины.
  14. Повторите эксперимент в трёх экземплярах.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Утилизировать все остатки как опасные химические отходы в соответствии с руководящими принципами учреждения по управлению отходами.

3. Анализ данных пористости

ПРИМЕЧАНИЕ: Данные, необходимые для расчёта пористости пластин, были адаптированы из Ferg et al.7, а подробная выводка формул приведена в дополнительном файле 17,8,9.

  1. Данные, необходимые для расчёта пористости электрода
    1. Определите необходимые параметры. Параметры, необходимые для анализа процентной пористости, определяются следующим образом:
      Масса сухой пластины (g) = A
      Масса глицериновой насыщенной пластины (g) = B (измеряется в тройном экземпляре)
      Масса погружённой пластины с глицерином (g) = C (измеряется в тройном экземпляре)
      Масса сетчатого сплава (g) = D
      Плотность сетчатого сплава (г/см 3) = E (ПРИМЕЧАНИЕ: это определяется типом используемого свинцового сплава)
      Плотность глицерина (г/см 3) = F
      Активная масса материала (g), G = (A - D)
      Абсолютная плотность активного материала (г/см 3),figure-protocol-2
      Удельный объём пор (см 3/г), figure-protocol-3
      Объёмная плотность (г/см 3),figure-protocol-4
      % пористости, K = IJ x 100
  2. Генерация оставшихся данных, необходимых для вычислений
    1. Определите массу сетки, аккуратно удаляя активный материал электрода.
      ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунках 6A,B показаны положительные и отрицательные свинцово-кислотные батарейные пластины с соответствующими активными материалами, а на рисунке 6C, D — соответствующие сетки.
  3. Анализ данных
    1. Откройте таблицу и введите каждый параметр, указанный на шаге 3.1, и соответствующие формулы в соответствующие столбцы.
    2. Введите массу сухой пластины, A в колонку.
    3. Введите тройные массы глицериновой насыщенной пластины B в колонку.
    4. Введите тройные массы погружённой пластины C в колонку.
    5. Введите массу сетчатого сплава D, в колонку.
    6. Введите плотность сетчатого сплава E, в колонку. (В зависимости от типа используемого свинцового сплава).
    7. Введите плотность глицерина F, в колонку.
    8. Введите формулу для определения массы активного материала пластины G в столбце, вычитая массу сухой пластины A из массы сетчатого сплава D, чтобы вычислить соответствующие значения.
      Масса активного материала пластины, G = (A -D) (1)
    9. Введите формулу для определения абсолютной плотности активного материала H, в столбец для вычисления соответствующих значений.
      figure-protocol-5
    10. Введите формулу для определения конкретного объёма пор I, в столбец для вычисления соответствующих значений.
      figure-protocol-6
    11. Введите формулу для определения плотности активного материала J в столбец для вычисления соответствующих значений.
      Объёмная плотность активного материала, figure-protocol-7
    12. Введите формулу для вычисления % пористости массы активного материала на пластине K, в столбец для вычисления соответствующих значений.
      % пористости, K = IJ x 100 (5)
    13. Определите среднюю процентную пористость и стандартное отклонение пластин с помощью соответствующей функции в таблице.

4. Микроструктурный анализ с помощью порошковой рентгеновской дифракции

ПРИМЕЧАНИЕ: Микроструктурный анализ порошковой рентгеновской дифракции был проведён на реплицированных пластинах из той же батареи, подвергшейся одинаковому состоянию, чтобы убедиться, что полученные данные сопоставимы и нет структурных помех.

  1. Подготовка образца для рентгеновской дифракции поверхности электрода
    1. Аккуратно разрежьте засохший образец пластины по нужной форме, чтобы он поместился в держатель для образца.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Это следует делать аккуратно, чтобы не изменить поверхность электрода.
    2. Перенесите образец в чистый держатель, убедившись, что высота поверхности пластины совпадает с верхним краем держателя.
  2. Подготовка образца для рентгеновской дифракции активного материала
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для удобства обратной загрузки образца в держатель проба использовалась станция для подготовки образцов, полученная от Malvern Panalitic.
    1. Удалите засохший образец активного материала пластины из сетки.
    2. Измельчите активный материал в порошок в ступке и пестике, чтобы равномерно уменьшить размер частиц и обеспечить достаточное количество порошка для заполнения стандартного держателя образца.
    3. Очистите держатель пробы и стол для подготовки образцов на станции подготовки образцов.
    4. Положите верхнюю пластину двухкомпонентного держателя для образцов плоской стороной вниз на стол для подготовки образцов и закрепите её, нажав и отпустив кнопку зажима стола для подготовки образцов.
    5. Переполните верхнюю пластину держателя для образца порошком с помощью лопатки.
    6. Аккуратно сжимайте порошок на верхней пластине держателя образца, плотно и равномерно прижимая блоком пресса на станции подготовки образцов. Убедитесь, что высота образца совпадает с верхним краем держателя образца.
    7. Очистите края держателя для образцов щеткой, чтобы удалить лишнюю пудру.
    8. Прижмите нижнюю часть держателя для образца пробника лицом вниз лицом вниз к верхней пластине, пока он не щёлкнет.
    9. Переверните стол для подготовки образцов и нажмите кнопку зажима, чтобы освободить держатель для образца. Убедитесь, что поверхность порошка гладкая и совпадает с верхним краем держателя образца.
  3. Сбор данных XRD
    ПРИМЕЧАНИЕ: Порошковые рентгеновские дифракционные картины были зафиксированы в диапазоне 2 тета от 5° до 80° в 15-минутном сканировании с использованием настольного дифрактометра с кобальтовой (Co) анодной рентгеновской трубкой.
    1. Загрузите держатель образца на дифрактометр XRD.
    2. Выберите подходящую программу измерения и введите данные образца в дифрактометр.
    3. Начинайте измерение.
    4. После сбора данных перейдите в меню управления данными дифрактометра и экспортируйте результаты в нужную папку.
  4. Усовершенствование Ритвельда
    ПРИМЕЧАНИЕ: ДИФРАК. EVA версии 4.3 и DIFFRAC. Для идентификации фаз и количественного уточнения Rietveld использовались версии 6 TOPAS соответственно.
    1. Определите фазы, доступные в образце, с помощью специального программного обеспечения для идентификации фаз.
    2. Откройте DIFFRAC. EVA и нажмите на вкладку импорта из файлов , чтобы загрузить XRD-скан (. RAW) в программное обеспечение для идентификации пика.
    3. Нажмите на вкладку Поиск/Сопоставление (сканирование) в командной панели Data .
    4. Нажмите на выпадающее меню рядом с вкладкой химического фильтра . Кликните правой кнопкой, чтобы выбрать все элементы периодической таблицы, затем снова правой кнопкой, чтобы изменить выбранные элементы на «отброшены».
    5. Снимите галочки из интересующих элементов, содержащихся в образце, нажав на символ элемента.
    6. Нажмите на выпадающую кнопку рядом с фильтром базы данных и выберите выбранную базу данных.
    7. Нажмите на вкладку совпадения , чтобы сопоставить дифракционный образ с базой данных данных и определить фазы.
    8. Количественно определите выявленные фазы в выборке с помощью специального программного обеспечения для количественного анализа.
    9. Откройте DIFFRAC. Программное обеспечение TOPAS и нажмите на файлы загрузки сканирования, чтобы импортировать сырые XRD-данные в программное обеспечение для количественной доработки Rietveld.
    10. Нажмите на выпадающую кнопку рядом с названием исходного файла.
    11. Кликните правой кнопкой мыши на вкладке профиля выбросов и загрузите профиль выбросов.
    12. Нажмите на вкладку фона и уточните параметры фона.
    13. Нажмите на вкладку прибора и уточните параметры в зависимости от конфигурации инструмента.
    14. Нажмите на вкладку коррекции и уточните нулевые ошибки, смещение образца и коэффициенты поляризации Лоренца.
    15. Нажмите на вкладку Load STR(s), чтобы загрузить структурные файлы идентифицированных фаз из базы данных CoD программного обеспечения TOPAS.
    16. Уточнить параметры решётки и атомные положения кристаллической структуры(ов).
    17. Нажмите на вкладку Run , чтобы начать доработку.
    18. Продолжайте дорабатывать до тех пор, пока коэффициент качества посадки и взвешенного профиля (Rwp) не окажется ниже допустимого стандарта.

5. Модификации и устранение неисправностей

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе изложены ключевые шаги протокола, которые могут повлиять на точность и воспроизводимость измерений пористости в свинцовых пластинах, а также рекомендации по решению распространённых проблем, возникающих в ходе протокола.

  1. Хрупкие пластины
    1. Пластины, подвергшиеся обычным условиям батареи, могут стать хрупкими и разрушиться при обращении. Аккуратно обращайтесь с пластинами, избегая давления на активный материал.
  2. Неполное высыхание пластин
    1. Если пластины не высохнут полностью, остаточная влага может привести к неточностям в массе сухой пластины и, следовательно, во всех последующих расчетах. Убедитесь, что пластины полностью сухие перед началом измерения пористости и убедитесь, что достигнута постоянная масса.
  3. Остаточные кислотные пластины
    1. Остаточная кислота в пластинах может реагировать при погружении в глицерин. Аккуратно, но тщательно промыйте тарелки водой, чтобы удалить остатки кислоты, обеспечив полное удаление.
  4. Неполное проникновение пор
    1. Если глицерин не проникает полностью во все поры, рассчитанный объём пор будет ниже фактического значения, что влияет на среднюю пористость пластин. После 15 минут вакуумной инфильтрации наличие пузырьков воздуха указывает на наличие пор, которые ещё не заполнены; Продолжайте пылесосить, пока пузырь не прекратится. Хотя для большинства размеров пластин должно быть 15 минут, оптимизируйте время проникновения в зависимости от размера пластины.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Испытания ёмкости проводились на трёх коммерчески приобретённых свинцово-кислотных батареях VRLA на 12 В и 7,2 Ач с частотой C10 до более низкого предела напряжения 10,5 В. Все испытания пропускной способности проводились при 25 °C. После получения аккумуляторы заряжались при 14,8 В в течение 10 часов, с максимальным током 2,9 А. За этим последовали два теста с мощностьюC 10 со стандартным шагом перезарядки при 14,8 В в течение 24 часов при максимальной температуре...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Тесты ёмкости показали, что батарея 1 обеспечивала 92% номинальной ёмкости (6,62 А), батарея 2 — 50% (3,58 А) с частичным восстановлением 3,32 Ач даже после повторного этапа перезарядки, а батарея 3 — 91% номинальной ёмкости (6,57 А·ч) (Таблица 1).

Вариации концентрацииH2SO4 в порах PAM, вызванные химическими реакциями, происходящими в пластинах во время цикла пропускной способности, влияют на структуру и морфологию PbO₂,...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что работа, представленная в этой статье, свободна от конфликтующих интересов

Благодарности

Авторы благодарят uYilo и постдокторскую программу Университета Нельсона Манделы (NMU) за финансирование проекта

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Настольный порошковый рентгеновский дифрактометр AerisMalvern Panalytical B.V., Алмело, НидерландыДля микроструктурного анализа 
Насадка для баланса с крокодиловыми зажимамиДля взвешивания насыщенной и погружённой пластины
Аккумуляторные элементы (12 В, 7,2 А·ч) Н/ДН/ДAny 
DIFFRAC. EVA V 4.3Bruker AXS  GmbH,  Карлсруэ, ГерманияВерсия 4.3Программное обеспечение для идентификации фаз
DIFFRAC. TOPAS V6Bruker AXS  GmbH,  Карлсруэ, ГерманияВерсия 6Программное обеспечение для количественной оценки фаз
Цифровой электронный балансDixon Science, КитайEG5001-AЦифровой электронный баланс с максимальной ёмкостью 500 г и точностью 0,01 г
Центральная вакуумная линия лабораторииДля вакуумного применения контейнера для облегчения инфильтрации глицерина в пластины.
Лабораторный ДжекКарл-Курт Юххайм Лаборгер ä te, GmbH, Германия2290Чтобы поднять контейнер с глицеролом, пока верх пластины не будет полностью погружен
Держатели для образцов порошкаMalvern Panalytical B.V., Алмело, НидерландыДля хранения образцов порошка для анализа XRD
Станция подготовки образцовMalvern Panalytical B.V., Алмело, Нидерланды9,43,00,17,70,101Для удобства обратной загрузки порошков в держатели образцов для XRD-анализа
Прочная каркасная конструкцияAny 
Подходящий контейнер с крышкойAny 
Телескопический крокодильДля погружения пластин в глицерин
Датчик вакуумного давленияWIKA Alexander Wiegand SE & Рота KG, Клингенберг, ГерманияМодель: 611.10Для измерения давления приложенного вакуума

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Смещение глицерина на основе архимеда для измерения пористости электродов в свинцо-кислотных батареях
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.