Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Kurşun-Asit Pillerde Elektrot Gözenekliği Ölçümü için Arşimet Bazlı Gliserol Deplasmanı

1K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/69319

⸱

7 Nisan 2026

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

Bu makalede

Özet

Burada, Arşimet'in kurşun-asit pil elektrot gözeneklerini ölçmek için temel alınan basit ve düşük maliyetli gliserol yer değiştirme yöntemini sunuyoruz. Bu yöntem iyi tekrarlanabilirlik gösterir ve geleneksel tekniklerden daha güvenlidir; düşük riskli kimyasallar ve ekipmanlar gerektirir. Bu tekniği X-ışını kırınımı ile mikrostruktural analizle birleştirmek, pil elektrodlarının özellikleri ve bozulması hakkında bilgi sağlar.

Özet

Kurşun-asit pillerin performansı, elektrotların aktif malzemelerinin yapısal ve yüzey özelliklerine büyük ölçüde bağlıdır. Uygulamada herhangi bir anda malzemenin faz bileşiminin öneminin yanı sıra, yüzey alanı ve gözenekliliği pilin genel performansına katkıda bulunur. Aktif maddenin temsilli bir örneğini analiz etmek için kullanılan cıva porosimetrisi, geleneksel olarak batarya plakalarının gözenekliliğini ölçmek için kullanılmıştır. Numune alınırken malzemede çatlaklar ve boşluklar oluşma ihtimalinin yanı sıra, birçok laboratuvar cıva kullanımından toksisitesi nedeniyle uzaklaşmıştır. Arşimet tabanlı gliserol yer değiştirme tekniği, tüm batarya plakasının gözenekliliğini dikkate alan basit bir yöntem olma avantajına sahiptir. Yöntem malzemenin gözenek hacmi dağılımı hakkında ayrıntılı bilgi vermese de, tek plakalar ve bir pilden alınan tek ya da altı hücreden alınan plaka grupları için tekrarlanabilirlik sağlanır. Yöntem, malzemenin mutlak ve zarf yoğunluğuna göre gözenekliliği hesaplar; bu da emilmiş gliserol hacmi kullanılarak tüm plaka üzerindeki ortalama gözenekliliği ölçür. Kurşun-asit piller genellikle aktif malzemenin yapısal bütünlüğünü ve yüzey özelliklerini etkileyen yaşlanma mekanizmalarına maruz kalırlar. Bu çalışma, pil plakası gözeneklerinin ölçümü için gliserol yer değiştirme tekniğinin kullanımını ve pudra X-ışını kırınım malzemesinin karakterizasyonu ile birleştirilerek kapasite ömrü döngüsü ve takvim yaşlanması veya raf ömrüne maruz kalan pillerin bozulma mekanizmalarını anlamayı anlatır. Sonuçlar, pillerin arıza mekanizmalarının önemli ölçüde farklı olduğunu ve aktif malzemenin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin birbirine bağımlı olduğunu gösterdi; Bu nedenle, tek bir analitik aracın sadece bir arıza mekanizmasını yorumlaması mümkün değildir.

Giriş

Kurşun-asit pil, ticari olarak yeniden şarj edilebilir olan en eski pillerden biridir. 1859'da Fransız fizikçi Gaston Plante, iki kurşun plakayı sülfürik asite batırarak bataryanın çalışma prensibini gösterdi. Ticarileştirme potansiyeli ancak 20 yıl sonra, aktarın ters akım ile boşalıp şarj edilmesine olanak tanıyan yapıştırılmış plakalar kullanılarak teknolojide iyileştirmeler yapılmasıylagerçekleşti.

Bulatın ilk aşamalarında bile, açık yüzey alanının ve pil malzemesinin gözenekliliğinin önemi belirginleşti. Malzemenin yüzey alanı ne kadar büyükse, pilin kapasitesinin o kadar yüksek olduğuanlaşılıyordu 2. O dönemde, bataryanın ticarileştirilmesi, gelişmekte olan otomotiv endüstrisinde benzersiz bir uygulama buldu; sadece binek araçlarının değil, aynı zamanda orduda kullanılan tanklar ve uçaklar gibi daha büyük motorların da içten yanmalımotorlarının kullanılmasını mümkün kıldı 3,4,5.

Yıllar içinde üretim teknolojileri geliştikçe, kimyasal analizdeki gelişmeler ve pil içinde gerçekleşen süreçlerin anlaşılması da arttı. Üretim sürecinin geliştirilmesi gerekecek; böylece sadece fiyat rekabetçi değil, aynı zamanda kaliteli ve daha uzun süre elektrik yedek sağlayabilen tutarlı bir ürün elde edilecektir.

Pilde meydana gelen kimya, çift sülfat teorisi olarak adlandırılır ve diğer batarya tipleriyle karşılaştırıldığında benzersizdir. Bu durumda, elektrolit veya asit, deşarj ve yük sürecinde reaksiyon mekanizmasının bir parçasınıoluşturur 6.

figure-introduction-1

figure-introduction-2
Şekil 1: Kurşun-asit pilin şarj ve boşaltma reaksiyon mekanizmalarının şematik çizimi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Burada, elektriği iletebilen elektrotlar veya plakalar asitle reaksiyona girerek kurşun sülfatı oluşturur; bu bir yalıtkan olarak görülebilir (Şekil 1). Plakadaki tüm malzeme boşaltma sürecinde kullanılmaz. Elektrokimyasal reaksiyon ağırlıklı olarak aside maruz kalan malzemenin yüzeyinde gerçekleşir ve pil şarj edildiğinde, yalıtkan kurşun sülfat malzemesi, sırasıyla katot ve anot olarak adlandırılan iki plakada iletken kurşun dioksit ve kurşunadönüşür 5. Yüzey alanı ne kadar büyükse, o kadar fazla deşarj reaksiyonu gerçekleşebilir ve o kadar fazla kapasite elde edilebilir. Plakalar nispeten ince olacak şekilde tasarlanmıştır ve genellikle uygulamaya özgü olur. Kısa sürede yüksek güç için, örneğin bir arabanın çalıştırılmasında, asidin kolayca ulaşabileceği veya plakanın ortasına yayılabileceği geniş bir alan tercih edilir; oysa daha düşük deşarj hızlarında daha uzun sürelerde daha fazla kapasite sağlamak için tasarlanan piller için genellikle daha kalın plakalar kullanılır. Bu, asidin kolayca göç edebildiği veya yayılabileceği mevcut malzeme ile plakanın uygulamada daha uzun dayanması için daha kalın, daha sert bir destek sağlaması arasında bir denge oluşturur.

Bir bataryanın içindeki aktif malzemenin analizi, yıkıcı doğası nedeniyle her zaman zor olmuştur. Pil kesilip plakaların sökülmesi gerekir; Bu durum ancak pilin durumu veya durumuna dair zaman açısından anlık bir görüntü sağlayabilir. Bu genellikle bilim insanlarının pilin şarj durumunu (SoC) ve sağlık durumunu (SoH) öğrenmek istemesiyle ilgilidir. Bir pilde, analist olarak rahatça ölçülebilecek en önemli ve muhtemelen tek kimyasal parametreler, element ve faz bileşimi gibi kimyasal özelliklerdir. Bu teknikler genellikle atomik emilim veya X-ışını floresans tipi tekniklerin yanı sıra taramalı elektron mikroskopisi ve toz X-ışını difraksiyonu gibi gelişmiş yöntemlere dayanır. Ayrıca, uygulanabilecek elektrokimyasal analitik teknikler de vardır; bunlara empedans spektroskopisi ve döngüsel voltametri gibi yöntemler de dahildir.

Öte yandan, fizikokimyasal özellikler plakaların dayanıklılığı, kullanılabilir yüzey alanı ve aktif malzemenin gözenekliliğini içerir. Yüzey alanı analizi genellikle azot adsorpsiyon teknikleriyle yapılır ve bu çalışmada kurşun-asit bataryasında kullanılan plakaların gözenekliliği ölçülmüştür. Gözeneklik, aktif madde içinde asidin serbestçe hareket edebilmesi ve elektrokimyasal reaksiyonun gerçekleşmesine olanak tanıyacak aktif bölgelerle temas halinde olması için mevcut boş alanı ifade eder. Gözeneklilik çok yüksekse, çeşitli aktif madde parçacıkları arasında sınırlı bağ yolları olur ve bu da kopma olasılığını artırır. Gözeneklilik çok düşükse, asitin daha azı aktif bölgelere ulaşabilir ve böylece mevcut kapasite azalır.

Geleneksel olarak, mikro ve mezo boyutlarında gözeneklere sahip katı malzemelerin gözenekliliği cıva porosimetrisi ile ölçülür. Bu, aktif malzemenin plakadan fiziksel olarak çıkarılmasını gerektiriyordu ki enstrümanın numune tutucusuna sığsın. Bunun birkaç dezavantajı vardır; yani, sadece bir plaka alanından temsil bir örnek alınır; Örnek bu şekilde ızgara veya akım toplayıcısından ayrılır, bu da malzemede ek çatlaklar ve boşluklar oluşturur; ve birçok laboratuvar, cıva kullanımından toksisitesi nedeniyle uzaklaşmıştır. Tekniğin avantajı, malzemenin gözenek boyutu dağılımının belirli bir aralık içinde tahmin edilmesi yeteneğidir.

Bu çalışma, aktif maddenin toplam gözenekliğini Arşimet prensibiyle ölçmek için tüm plakayı kullanan bir teknik önermektedir. Malzeme yoğunluğunu belirleme bağlamında, Arşimet prensibi, bir sıvıya batırılmış bir nesneye üzerindeki kaldırma kuvvetinin, o nesne tarafından yerinden edilen sıvının ağırlığına eşit olduğunu belirtir. Bu ilke, bir nesnenin yoğunluğunu, havadaki ağırlığını ve bilinen bir sıvının içinde kaldığı ağırlığını ölçerek hesaplamaya olanak tanır. Bu kaldırma kuvveti, yer değiştirilmiş sıvının hacmi hesaplanmak için kullanılır; bu hacim nesnenin hacmine eşittir.

Bu teknik, belirli üretim veya test koşullarına tabi tutulan kurşun-asit batarya plakalarının gözenekliliğini ölçmek için laboratuvarda kolayca kurulabilir. Teknik hâlâ yıkıcı olsa da, plakaları analiz için çıkarmak için pili kesmek zorunda kalsa da, tüm plakanın gözenekliliği dikkate alınır. Bu nedenle, yöntem tüm plaka boyunca ortalama gözenekliği ölçür ve genellikle dikkate alınmayan plakanın belirli bölgelerindeki varyasyonları yakalar. Bu varyasyonlar genellikle nispeten büyük plakalarla çalışırken ortaya çıkar; burada üretim tutarsızlıkları ve asit tabakalaşmasının etkileri zamanla belirli plaka bölgelerini etkileyebilir. Ancak, gliserol yer değiştirme yönteminin bir sınırlaması, geçirgen gözeneklere dayalı gözenekliliği ölçmesidir. Bu, gliserol aktif kütlenin gözeneklerine tam olarak girmezse plakanın gözenekliliğini hafife alabileceği anlamına gelir. Kapalı gözenekler olduğunda, bu teknik, uygulama sırasında pil içinde olanlarla dolaylı olarak ilişkilidir, çünkü asit kapalı gözenekli aktif kütle bölgelerine tamamen nüfuz edemez. Bu sınırlamaya rağmen, yöntem güvenli ve maliyet etkin olmaya devam etmekte ve pil plakalarının gözenekliliğini ölçmek için uygundur.

Bu çalışmada, nispeten küçük 7.2 Ah valfli regülasyonlu kurşun-asit (VRLA) pilin hem negatif hem de pozitif plakalarının gözenekliliği ölçülmektedir. Bu piller genellikle ev alarmı ve kapı motor kontrol sistemlerinde kullanılır. Pillerin plaka gözenekliği ve kimyasal faz bileşimi üzerindeki etkisi, pilin maruz kaldığı olası yaşlanma mekanizması açısından incelendi. Biri takvim yaşlanması veya raf ömrü, diğeri ise yeterli şarj olmadan tekrar tekrar kapasite döngüsü. Bunlar, bu tür pillerin maruz kaldığı tipik koşullardır. Elektrik toptancılarının raflarında aylarca, bazen yıllarca ve yükseltme ücreti almadan kalanlar. Ayrıca, bekleme güç kaynağı sistemlerinde kullanılan piller, inverter sisteminin şarj süresi, mevcut kısa şarj sürelerinde pili tam olarak şarj etmek için gerekli enerjiyi sağlamak için yeterli olmadığı tekrarlayan "yük kesintisi türü" kapasite döngüsüne maruz kalır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

NOT: Protokol, daha önce Ferg ve ark.7 tarafından tanımlanan protokole benzer. Çalışmada kullanılan ekipman ve reaktifler Malzeme Tablosu'nda listelenmiştir. Elektrotların gözenekliliği ölçümü için kullanılan ekipmanın görüntüsü Şekil 2'de sunulmaktadır.

figure-protocol-1
Şekil 2: Elektrotların gliserol yer değiştirme bazlı gözenekliliği ölçümü için kullanılan basit ekipman. Kurulum (1) dijital elektronik denge, (2) timsah klipsli denge atı, (3) sağlam bir çerçeve yapısı, (4) negatif pil plakası, (5) gliserol içeren bir kap ve (6) laboratuvar jack'i içerir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

1. Numune hazırlama

  1. Gözeneklik ölçümü için plakaların çıkarılması
    1. Plastik kesme testereyi kullanarak, kılıf ile kapak arasındaki dikiş boyunca yavaşça keserek kurşun-asit bataryayı dikkatlice açın.
      DIKKAT: Bu protokolde kullanılan tüm malzemeler için malzeme güvenlik veri formunu (MSDS) inceleyin. Kurşun-asit batarya, aşındırıcı kükürt asit ve toksik kurşun plakalar içerir. Olası yaralanmaları önlemek için, iyi havalandırılan kimyasal bir duman kapüşonunda yavaşça açın, tam kişisel koruyucu ekipman takın, aside dirençli eldivenler dahil. Ayrıca, etrafta etkisiz edici ajanları ve acil durum tesislerini yakında bulundurun.
    2. Kurşun-asit pili dikkatlice sök.
    3. Her pil hücresini çıkarıp bileşenlerini ayırın, böylece pozitif ve negatif plakaların herhangi bir değişiklik olmadan çıkarılması sağlanır.
  2. Gözeneklik ölçümü için plakaların hazırlanması
    1. Plakaları nazikçe suyla durulayın, kalan asidi giderin.
      NOT: Plakaların herhangi bir kalıntı asitten arındığından emin olun, çünkü gliserol içine batırıldığında reaksiyona girebilir.
    2. Negatif plakayı azot gibi hareketsiz bir ortamda fırında kurutarak kurşunun oksitlenmesini önleyin. 110 °C'de 6 saat veya sabit kütle elde edilene kadar kurutun.
    3. Pozitif tabağı fırında 110 °C'de 24 saat kurutun.
      NOT: Yapıştırılmış tabaklarda, dış kağıt fırında kurutmadan önce çıkarılmalıdır.
    4. Tabakları fırından çıkarın ve nem emilimini önlemek için bir kurutucuda soğumasına izin verin.
    5. Doğru kütleleri kaydetmek için gözeneklilik ölçümüne başlamadan önce plakaların çıkıntılarını kesin ve kuru olduğundan emin olun.

2. Gözeneklilik ölçümü

NOT: Bu çalışmada Dijital Elektronik Denge (maksimum kapasite: 500 g; doğruluk: 0,01 g) kullanılmıştır.

  1. Elektronik bir denge, bilinen yoğunlukta gliserol içeren uygun bir kabın üzerindeki sağlam bir çerçeve yapısına yerleştirin.
    NOT: Gliserol yoğunluğu hesaplamaların ilerleyen bölümlerinde kullanılacaktır.
  2. Kuru plakayı kurutucudan çıkarın, asfaltlı elektronik bir dengeye yerleştirin ve koyunu kuru plakanın kütlesi olarak kaydedin.
  3. Teleskopik (uzatılabilir) timsah klipsini kurşun ızgaranın üstüne takın.
  4. Plakayı tamamen gliserol içine batırın, klipsin uzatılmış kısmının sıvının üzerinde tutulmasını sağlayarak plakanın gliserolden kolayca çıkarılmasını sağlar. Plakada sıkışmış kabarcıklar çıkmaya başlamalı.
  5. Kapağı kabın üzerine koyup stopperi takın.
    NOT: Kab kapağı, vakum uygulamasını mümkün kılacak şekilde tasarlanmalıdır.
  6. Sistemi düşük vakum kaynağına bağlayın ve yaklaşık 100 mbar vakum uygulayın, kabın yanlarında hafif bir çukur oluşana kadar, ardından vakumu kapatın. Bu, gliserolün tüm gözeneklere nüfuz etmesini sağlamak içindir.
  7. Plakayı en az 15 dakika vakum altında tutun.
    NOT: Bu süre sonra hava kabarcıkları kurşun plakadan gözle görülür şekilde çıkıyorsa, vakum süresini biraz daha uzatın. Gliserol tüm gözeneklere tam olarak nüfuz etmezse plakaların ortalama gözenekliliği hafife alınabilir.
  8. Denge ekleyicisini asfaltlı bir tarığa yerleştirin ve kütleyi kaydedin.
  9. Plakayı gliserolden çıkarın ve denge bağlantısındaki iki timsah klipsine takın. Plakanın düz olduğundan emin olun ve gerekirse ayarlayın.
  10. Denge topunu ıslanmış plakayla birlikte tarazın üzerine yerleştirin ve plakanın gliserolün üzerinde 8 dakika asılı kalmasına izin verin, böylece plakanın yüzeyindeki fazla gliserol giderilir.
  11. Tabağın altındaki damlaları sil.
  12. Denge ekini tartıya yerleştirin ve kütleyi gliserol doygun plakanın kütlesi olarak kaydedin.
  13. Gliserol kabını laboratuvar krikosunu kullanarak yavaşça kaldırın, ta ki plakanın üstü tam suyun altına düşsün. Bu kütleyi, gliserol altında kalan plakanın kütlesi olarak kaydedin.
  14. Deneyi üç kez tekrarlayın.
    NOT: Tüm kalıntıları kurumun atık yönetimi yönergelerine uygun olarak tehlikeli kimyasal atık olarak bertaraf edin.

3. Gözeneklilik verilerinin analizi

NOT: Plakaların gözenekliliğini hesaplamak için gereken veriler Ferg ve S. al.7 ve formüllerin ayrıntılı türetilişi Ek dosya 1 7,8,9'da sunulmaktadır.

  1. Elektrotun gözenekliliğini hesaplamak için gereken veriler
    1. Gerekli parametreleri tanımlayın. Yüzde gözenekliliği analiz etmek için gereken parametreler aşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:
      Kuru plakanın kütlesi (g) = A
      Gliserol doymuş plakanın kütlesi (g) = B (Üçlü olarak ölçülecek)
      Gliserol daldırılmış plakanın kütlesi (g) = C (Üçlü olarak ölçülecek)
      Şebeke alaşımının kütlesi (g)= D
      Şebeke alaşımının yoğunluğu (g/cm 3) = E (NOT: bu, kullanılan kurşun alaşımının türüne göre belirlenir)
      Gliserol yoğunluğu (g/cm3) = F
      Aktif madde kütlesi (g), G = (A - D)
      Aktif malzeme mutlak yoğunluğu (g/cm3),figure-protocol-2
      Spesifik gözenek hacmi (cm3/g), figure-protocol-3
      Toplu yoğunluk (g/cm3),figure-protocol-4
      % gözeneklilik, K = IJ x 100
  2. Hesaplamalar için gereken kalan verileri üretmek
    1. Elektrotun aktif malzemesini dikkatlice çıkararak ızgaranın kütlesini belirleyin.
      NOT: Şekil 6A,B, pozitif ve negatif şekilli kurşun-asit batarya plakalarını ve ilgili aktif malzemeleri gösterirken, Şekil 6C, D ise ilgili ızgaraları göstermektedir.
  3. Veri analizi
    1. Bir elektronik tablo açın ve 3.1'de listelenen her parametreyi ve ilgili formülleri uygun sütunlara girin.
    2. Kuru plakanın kütlesini, A'yı bir sütuna girin.
    3. Gliserol doymuş plaka B'nin üçlü kütlelerini bir kolona girin.
    4. Battırılmış plakanın üçlü kütlelerini (C) bir sütuna girin.
    5. Şebekeye alaşımının kütlesi D'yi bir sütuna girin.
    6. Izgara alaşımının yoğunluğu olan E'yi bir sütuna girin. (Kullanılan kurşun alaşımının türüne bağlı olarak).
    7. Gliserol, F'nin yoğunluğunu bir sütuna girin.
    8. Plakanın aktif madde kütlesi G'yi, kuru plakanın kütlesi A'nın kütlesini ızgara alaşımının D'sinden çıkararak bir sütuna girerek karşılık gelen değerleri hesaplayın.
      Plakanın aktif madde kütlesi, G = (A -D) (1)
    9. Aktif maddenin mutlak yoğunluğunu belirlemek için formül olan H'yi bir sütuna girerek karşılık gelen değerleri hesaplayın.
      figure-protocol-5
    10. Belirli gözenek hacmi olan I'yi belirlemek için formülü bir sütuna girerek karşılık gelen değerleri hesaplayın.
      figure-protocol-6
    11. Aktif malzemenin hacim yoğunluğunu belirlemek için formülü (J) bir sütuna girerek karşılık gelen değerleri hesaplayın.
      Aktif malzemenin toplu yoğunluğu, figure-protocol-7
    12. Plakadaki aktif madde kütlesinin %'nin gözenekliliğini hesaplama formülünü bir sütuna girerek karşılık gelen değerleri hesaplayın.
      % gözeneklilik, K = IJ x 100 (5)
    13. Tablodaki uygun fonksiyonu kullanarak plakaların ortalama gözeneklilik yüzdesi ve standart sapmasını belirleyin.

4. Toz X-ışını kırınımı ile mikrostruktural analiz

NOT: Aynı duruma maruz kalmış aynı pilden kopyalanan plakalar üzerinde toz X-ışını kırınım mikrostruktural analizi, elde edilen verilerin karşılaştırılabilir olduğundan ve yapısal bir parazit olmadığından emin olmak için yapılmıştır.

  1. Elektrot yüzeyinin X-ışını kırınımı için örnek hazırlığı
    1. Kurumuş tabak numunesini örnek tutucuya uyacak şekilde dikkatlice kesin.
      NOT: Elektrotun yüzeyini değiştirmemek için bu dikkatli yapılmalıdır.
    2. Numuneyi temiz bir numune tutucuya aktarın; plaka yüzeyinin yüksekliğinin örnek tutucunun üst kenarıyla hizalı olduğundan emin olun.
  2. Aktif madde kalınının X-ışını kırınımı için örnek hazırlığı
    NOT: Malvern Panalytical'den alınan bir numune hazırlama istasyonu, toz örneğinin numune tutucusuna kolayca geri yüklenmesini sağlamak için kullanıldı.
    1. Plakanın aktif malzemesinin kurumuş örneğini ızgaradan çıkarın.
    2. Aktif malzemeyi harç ve tokla toz haline getirerek parçacık boyutunu eşit şekilde azaltın ve standart numune tutucusunu dolduracak kadar toz olduğundan emin olun.
    3. Numune tutucusunu ve numune hazırlama istasyonunun numune hazırlama tablosunu temizleyin.
    4. 2 parçalı toz numune tutucusunun üst plakasını düz yüzü aşağı pozisyonda numune hazırlama masasına yerleştirin ve numune hazırlama masasının kelepçe düğmesine basıp bırakarak sabitleyin.
    5. Numune tutucusunun üst plakasını spatula kullanarak toz örneğiyle doldurun.
    6. Tozu numune tutma istasyonunun toz pres bloğuyla sağlam ve eşit basarak numune tutucusunun üst plakasına nazikçe sıkıştırın. Örnek yüksekliğinin numune tutucusunun üst kenarıyla hizalı olduğundan emin olun.
    7. Fazla tozu çıkarmak için numune tutucusunun kenarlarını bir tozlama fırçasıyla temizleyin.
    8. 2 parçalı toz numune tutucusunun altını yüzü aşağı üst plakaya bastırın, tıklayana kadar.
    9. Numune hazırlama tablosunu çevirin ve numune tutucusunu serbest bırakmak için kelepçe düğmesine basın. Toz yüzeyinin düzgün olduğundan ve numune tutucusunun üst kenarıyla hizalı olduğundan emin olun.
  3. XRD veri toplama
    NOT: Toz X-ışını kırınım desenleri, kobalt (Co) anotlu X-ışını tüpü ile donatılmış tezgah üstü difraktometre kullanılarak 15 dakikalık taramada, 5°-80° aralığında 2-theta aralığında kaydedildi.
    1. Numune tutucusunu XRD difraktometreye yükleyin.
    2. Uygun ölçüm programını seçin ve örnek detaylarını difraktometreye girin.
    3. Ölçüme başlayın.
    4. Veriler toplandıktan sonra, difraktometrenin veri yönetim menüsüne gidin ve sonuçları istediğiniz klasöre aktarın.
  4. Rietveld iyileştirmesi
    NOT: DIFFRAK. EVA sürüm 4.3 ve DIFFRAC. TOPAS versiyon 6, sırasıyla faz tanımlaması ve nicel Rietveld iyileştirmesi için kullanıldı.
    1. Örnekte bulunan fazları özel bir faz tanımlama yazılımı kullanarak tanımlayın.
    2. DIFFRAC'ı açın. EVA yazılımı ve dosyalardan import sekmesine tıklayarak XRD tarama dosyasını (. RAW dosyası) ile birlikte zirve tanımlama için yazılıma yönlendirildi.
    3. Veri komut panelindeki Ara/Eşleştir (tarama) sekmesine tıklayın.
    4. Kimyasal filtre sekmesinin yanındaki açılır menü düğmesine tıklayın. Periyodik tablodaki tüm elemanları seçmek için sağ tıklayın, sonra tekrar sağ tıklayarak seçilen elementleri 'atılmış' olarak değiştirin.
    5. Örnekte bulunan ilgi çekici öğeleri işaretinden çıkararak eleman sembolüne tıklayın.
    6. Veritabanı filtre sekmesinin yanındaki açılır menü düğmesine tıklayın ve tercih ettiğiniz veritabanını seçin.
    7. Fazları belirlemek için kırınım desenini referans veritabanı ile eşleştirmek için eşleşme sekmesine tıklayın.
    8. Örnekte belirlenen aşamaları özel bir nicel analiz yazılımı kullanarak nicelikleştirin.
    9. DIFFRAC'ı açın. TOPAS yazılımını açın ve ham XRD verilerini nicel olarak iyileştirme için yazılıma aktarmak için yükleme tarama dosyalarına tıklayın.
    10. Ham dosyanın adının yanındaki açılır menüye tıklayın.
    11. Emisyon profili sekmesine sağ tıklayın ve emisyon profilini yükleyin.
    12. Arka plan sekmesine tıklayın ve arka plan parametrelerini iyileştirin.
    13. Enstrüman sekmesine tıklayın ve parametreleri enstrüman konfigürasyonuna göre daha iyi hale getirin.
    14. Düzeltme sekmesine tıklayın ve sıfır hata, örnek yer değiştirme ve Lorentz polarizasyon faktörlerini iyileştirin.
    15. TOPAS yazılımının CoD veritabanından belirlenen aşamaların yapı dosyalarını yüklemek için Load STR(s) sekmesine tıklayın.
    16. Kristal yapı(lar)ın kafes parametrelerini ve atomik konumlarını arıtın.
    17. Geliştirmeyi başlatmak için Çalıştır sekmesine tıklayın.
    18. Uygunluk ve ağırlıklı profil R-faktörü (Rwp) kabul edilebilir standardın altına düşene kadar iyileştirmeye devam edin.

5. Değişiklikler ve sorun giderme

NOT: Bu bölüm, kurşun plakalarda gözeneklilik ölçümlerinin doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini etkileyebilecek kritik protokol adımlarını özetler ve protokol sırasında karşılaşılabilen yaygın sorunların ele alınması için rehberlik sağlar.

  1. Kırılgan plakalar
    1. Tipik pil koşullarına maruz kalan plakalar kırılgan hale gelebilir ve kullanım sırasında parçalanabilir. Plakaları nazikçe tutun, aktif malzemeye baskı yapmadan.
  2. Plakaların eksik kurutması
    1. Plakalar tamamen kurutmazsa, kalan nem kuru plakanın kütlesinde ve dolayısıyla sonraki tüm hesaplamalarda yanlışlıklara yol açabilir. Gözeneklilik ölçümüne başlamadan önce plakaların tamamen kuru olduğundan emin olun ve sabit bir kütle elde edildiğinden emin olun.
  3. Kalıntı asit plakaları
    1. Plakalardaki kalıntı asit, gliserol içinde batırıldığında reaksiyona girebilir. Tabakları nazikçe ama iyice suyla durulayın, kalan asidi tamamen çıkarmanızı sağlar.
  4. Eksik gözenek penetrasyonu
    1. Gliserol tüm gözeneklere tam olarak nüfuz etmezse, hesaplanan gözenek hacmi gerçek değerden daha düşük olur ve bu da plakaların ortalama gözenekliliğini etkiler. 15 dakika vakum destekli sızma işleminden sonra, hava kabarcıklarının varlığı henüz doldurulmamış gözenekler olduğunu gösterir; Baloncuk durana kadar süpürmeye devam edin. 15 dakika çoğu plaka boyutu için uygun olsa da, sızma süresini plaka boyutuna göre optimize et.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Kapasite testleri, ticari olarak satın alınan üç adet 12 V, 7.2 Ah VRLA karacık-asit pil üzerinde C10 hızında, 10.5 V alt voltaj sınırına kadar yapıldı. Tüm kapasite testleri 25 °C'de yapıldı. Teslim alındığında, piller 10 saat boyunca 14,8 V'da şarj edildi ve maksimum akım 2,9 A'ya ulaştı. Bunu 24 saat ve maksimum 2.9 A ile 14.8 V'da standart şarj adımı olan iki C10 kapasite testi izledi. Başlangıç C10 kapasitelerinin sonuçları Tablo 1'de

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Kapasite testleri, Pil 1'in nominal kapasitenin %92'sini (6,62 Ah), Pil 2'nin %50'sini (3,58 Ah) sağladığını ve tekrar tekrar şarj edildikten sonra bile sadece kısmi 3,32 Ah geri kazandığını ve Pil 3'ün nominal kapasitenin %91'ini (6,57 Ah) sağladığını gösterdi (Tablo 1).

PAM gözeneklerinde H2SO4 konsantrasyonundaki değişiklikler, kapasite döngüsü sırasında plakalarda gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardan kaynaklanırken, p...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, bu makalede sunulan çalışmanın çıkar çatışmalarından uzak olduğunu belirtiyor

Teşekkürler

Yazarlar, projeyi finanse eden için uYilo ve Nelson Mandela Üniversitesi (NMU) doktora sonrası programına teşekkür eder

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Aeris tezgah üstü toz X-ışını difraktometresiMalvern Panalytical B.V., Almelo, HollandaMikroyapısal analiz  için;
Timsah Klipsleriyle Denge BağlantısıDoygun ve suya batmış plakanın tartılmasına olanak sağlamak için
Batarya hücreleri (12 V, 7.2 Ah) & nbsp;YokYokAny 
DIFFRAK. EVA V 4.3Bruker AXS  GmbH,  Karlsruhe, AlmanyaSürüm 4.3Faz tanımlama yazılımı
DIFFRAK. TOPAS V6Bruker AXS  GmbH,  Karlsruhe, AlmanyaSürüm 6Faz niceliklendirme yazılımı
Dijital Elektronik DengeDixon Bilimi, ÇinEG5001-AMaksimum 500 g kapasiteye ve 0,01 g doğruluğa sahip Dijital Elektronik Denge
Laboratuvar merkezi vakum hattıGliserol'ün plakalara sızmasını kolaylaştırmak için kaba vakum uygulamak.
Laboratuvar JackKarl-Kurt Juchheim Işçi Yardımcısı; te, GmbH, Almanya2290Gliserol kabını plakanın üstü yeni su altında kalana kadar kaldırmak
Toz numune tutucularıMalvern Panalytical B.V., Almelo, HollandaXRD analizi için toz örneklerini tutmak için
Numune Hazırlama İstasyonuMalvern Panalytical B.V., Almelo, Hollanda9,43,00,17,70,101XRD analizi için tozların örnek tutuculara kolayca geri yüklenmesini sağlamak
Sağlam şasi yapısıAny 
Kapaklı uygun kapAny 
Teleskopik timsah klipiPlakaları gliserole batırmak için
Vakum Basınç GöstergesiWIKA Alexander Wiegand SE & KG Şirketi, Klingenberg, AlmanyaModel: 611.10Uygulanan vakumun basıncını ölçmek için

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Ar imet lkesiBatarya Plakas G zeneklili iC va PorozimetrisiToz X I n K r n mY zey Alan AnaliziBatarya Ya lanmas
Kurşun-Asit Pillerde Elektrot Gözenekliği Ölçümü için Arşimet Bazlı Gliserol Deplasmanı
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.