Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Даянов Алексей Даяфович

Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты
<
Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты
>

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Даянов Алексей Даяфович. Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты : диссертация ... кандидата химических наук : 05.17.03 / Даянов Алексей Даяфович; [Место защиты: Ин-т высокотемператур. электрохимии УрО РАН].- Екатеринбург, 2007.- 118 с.: ил. РГБ ОД, 61 07-2/858

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Назначение расширителей. 7

1.2. Влияние расширителя на пористость и удельную поверхность отрицательного электрода. 12

1.3 Влияние расширителя на поведение скелетной и энергетической структур при циклировании отрицательного электрода . 16

1.4. Влияние расширителя на электродные процессы. 23

1.5. Природа расширителя и его эффективность. 26

1.6. Влияние температуры на эффективность расширителя. 32

Глава 2. Методика эксперимента.

2.1. Объекты исследования. 38

2.1.1. Органические расширители. 38

2.1.2 Свинцовые сплавы. 39

2.2. Структура эксперимента. 40

2.3. Методика циклических вольтамперных исследований . 43

2.3.1. Режим поляризации. 43

2.3.2. Схема установки и ячейки для вольтамперных исследований. 43

2.3.3. Конструкция и подготовка гладких электродов. 45

2.4. Использованная аппаратура и реактивы. 46

2.5. Зарядно-разрядные характеристики батарей. 47

Глава 3. Результаты и обсуждение.

3.1. Вольтамперные исследования на гладком электроде. 49

3.1.1. Общие закономерности при циклировании гладкого свинцового электрода. 49

3.1.2. Влияние расширителей на разрядную емкость электродов при циклировании . 53

3.1.3. Влияние органических расширителей на катодный процесс. 55

3.1.4. Влияние температуры на разрядную емкость электрода при циклировании в электролите без добавок и с добавками расширителей Ванисперс А и Р1. 57

3.1.5. Влияние модифицирующих добавок свинцовых сплавов на вольтамперные характеристики гладкого электрода. 62

3.2. Исследование структуры гладкого свинцового электрода. 68

Глава 4. Методология оценки применимости веществ в качестве расширителей свинцово-сульфатного электрода.

4.1. Разработка методики. 80

4.1.1. Методы исследования расширителей 80

4.1.2. Обобщение и анализ вольтамперных характеристик 85

4.2. Применение методики оценки эффективности расширителей. 94

4.2.1. Оценка приема заряда аккумулятором. 94

4.2.2. Оценка оптимальной дозировки расширителя в пасте. 96

4.2.3. Оценка влияния температуры на эффективность расширителя. 99

4.2.4. Оценка влияния модифицирующих добавок свинцовых сплавов на эффективность расширителя. 101

4.3. Испытания батарей промышленного производства. 107

4.3.1. Емкость батарей при 20-часовом режиме разряда. 107

4.3.2. Характеристики батарей при испытании током холодной прокрутки. 109 Выводы. 113 Список литературы.

Введение к работе

Органические расширители играют важную роль в поддержании высоких энергетических характеристик отрицательного электрода свинцово-кислотного аккумулятора (СКА). Известно, что коэффициент использования активной массы отрицательного электрода СКА составляет не более 55%. Отсутствие расширителя резко снижает и без того невысокий коэффициент использования активной массы отрицательного электрода и его ресурс в циклах. Исследования последних 30 лет показывают, что ухудшение характеристик отрицательного электрода СКА во многом связано с разрушением молекул расширителя, приводящим к потере его активности.

Непрерывное ужесточение требований к сроку службы и плотности энергии СКА вынуждает искать новые пути их повышения. Один из методов - создание герметизированных батарей (VRLA) с замкнутым газовым циклом. В такой батарее молекулы расширителя разрушаются значительно быстрее, чем в традиционном СКА из-за повышенного давления, температуры и протекания рекомбинации кислорода на отрицательном электроде. Это становится фактором, ограничивающим срок службы VRLA-батареи. Проблема поиска новых, более стабильных в условиях VRLA, расширителей обостряется все сильнее из-за того, что производители постепенно отказываются от традиционной конструкции СКА и переходят на VRLA.

Поиск новых эффективных органических расширителей связан со значительными трудностями. В основном, из-за невозможности точного определения их химического строения, недостатком аналитических средств определения его концентрации. Теоретические представления, позволяющие предсказывать поведение того или иного вещества в качестве расширителя, находятся в начальной стадии развития.

Из литературы известно, что на сегодняшний день единственным способом получения количественных данных об эффективности

расширителей является тестирование полноценных опытных образцов аккумуляторов, созданных по существующей технологии. Такой метод требует значительного времени, средств и наличия действующих производственных мощностей. Необходимо принять во внимание то, что к настоящему моменту нет ни одной теории хотя бы приблизительно описывающей связь химического строения вещества и его активности в качестве расширителя. Более того, нет ни одной методики предсказания эффективности расширителя при специфических условиях работы батареи. Так, два разных расширителя одинаково увеличивающих емкость электрода, имеют очень разное влияние на его ресурс или на работу при низких температурах; предсказать это на основе известных емкостных характеристик невозможно, а можно лишь проверить экспериментально.

Понятно, что в числе прочих причин, отсутствие такой теории сдерживает развитие герметичных СКА. С другой стороны, отсутствие такой теории вызвано, в том числе, и недостатком данных о влиянии тех или иных веществ на характеристики СКА из-за высокой стоимости и длительности таких экспериментов и некоторых других причин.

Очевидно, что невозможно создать универсальный свинцово-кислотный аккумулятор; для батарей различного применения нужно использовать разные расширители, максимально подходящие для предполагаемых условий эксплуатации. Сегодня свинцово-кислотные батареи практически всех назначений производятся с использованием одного и того же расширителя.

В течение последних 30 лет в мировой аккумуляторной промышленности стандартом расширителя де-факто стал Ванисперс А (производства США). Он представляет собой продукт окисления лигнина -оксилигнин высокой чистоты. Химическое строение этого вещества точно не установлено. В СССР использовались главным образом олигомерные синтетические продукты на основе нафталинсульфоновых кислот (ГКД, БНФ и ФС). Однако, несмотря на сравнимые с Vanisperse характеристики, на

сегодняшний день они практически не используются, все российские заводы работают на импортном американском расширителе. В литературе имеются данные о быстрой деградации БНФ и ГКД в VRLA-батареях.

Актуальность темы. Учитывая многообразие физико-химических механизмов, определяющих необходимые технологические свойства, различие химической природы веществ, в той или иной мере обеспечивающих эти свойства, сложность выбора расширителя становится очевидной. В связи с этим чрезвычайно возрастает роль методики определения эффективности расширителя при специфических условиях работы батареи. Предсказать на основе существующих методов измерения емкостных характеристик эффективность исследуемых добавок невозможно.

Наличие метода определения эффективности веществ в качестве расширителей, позволит не только накопить достаточный экспериментальный материал, необходимый для совершенствования технологии производства, но и создаст предпосылки к более широкому теоретическому обобщению.

Таким образом, разработка экспериментально-аналитического метода оценки эксплуатационных свойств расширителей позволит уже на стадии предварительных испытаний выявлять наиболее пригодные для этих целей вещества и лишь затем испытывать их на полноценных макетах или батареях.

Цель работы заключается в исследовании влияния органических расширителей на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода, а также разработке ускоренного метода подбора веществ, пригодных для использования в качестве расширителей отрицательного электрода свинцово-кислотного аккумулятора и подборе нового органического расширителя.

Влияние расширителя на поведение скелетной и энергетической структур при циклировании отрицательного электрода

Электрохимическое формирование отрицательного электрода протекает в две стадии. Во время первой, трехосновный оксид свинца 3PbOPbS04-H20 электрохимически восстанавливается до металлического свинца, и частично реагирует с серной кислотой. Этот процесс сопровождается выделением воды и протекает в нейтральной среде. На этом этапе образуется скелетная структура. Первая стадия занимает около половины всего времени цикла формирования.

Сразу после восстановления большей части трехосновного сульфата начинается вторая стадия формирования, во время которой происходит восстановление кристаллов сульфата свинца на поверхности скелета. В результате этого процесса образуется вторичная (энергетическая) структура, представляющая собой множество мелких свинцовых кристаллов, осажденных на скелет.

Саймон [1] указывает на то, что расширитель способствует образованию игольчатых либо сферических кристаллов свинца. Бербанк [15] объясняет эти отличия разницей в технологиях их изготовления.

Павлов с соавторами [16] обнаружили, что к концу первой стадии формирования, в пластинах, не содержащих расширитель, обнаруживаются хорошо ограненные кристаллы PbS04 размером 1-2 мкм, а в пластинах с расширителем кристаллы сульфата свинца огранены хуже и имеют большой разброс размеров. Скелетные структуры в обоих случаях одинаковы, но в присутствии расширителя поверхность ветвей более шероховата.

К концу второй стадии формирования в отрицательных электродах с расширителем и без него обнаруживаются значительные отличия энергетических структур. Отсутствие расширителя приводит к образованию гладких коралловидных свинцовых дендритов связанных между собой. В присутствии расширителя на поверхности скелетной структуры образуется осадок мелких свинцовых кристаллов игольчатой или призматической формы. В значительной степени на морфологию кристаллов энергетической структуры влияет природа расширителя. Например, синтетический расширитель EzeSkitan обусловливает образование мелких свинцовых кристаллов нерегулярных форм, а лигнин - кристаллов большего размера и лучшей огранки. Эти различия связаны, вероятно, с тем, что различные расширители по-разному влияют на процессы зародышеобразования и роста кристаллов энергетической структуры [2].

Расширитель оказывает влияние и на морфологию кристаллов сульфата свинца. В чистом электролите образуются крупные кристаллиты PbS04, а в присутствии расширителя - мелкие. Наличие множества зародышей сульфата на гранях более крупных кристаллов свидетельствует о влиянии расширителя на процессы зародышеобразования и роста кристаллов сульфата свинца.

В противоположность энергетическим, скелетные структуры свежеотформированных отрицательных электродов, с расширителем и без него, не отличаются. В обоих случаях они состоят из бесформенных переплетенных свинцовых ветвей. После первого разрядно-зарядного цикла качественных отличий между ними не наблюдается.

Таким образом, на начальном этапе циклирования аккумулятора расширитель оказывает существенное влияние на энергетическую структуру и практически не влияет на скелетную.

При длительном циклировании аккумулятора в активной массе происходят заметные изменения. Такая активная масса представляет собой сеть бесформенных переплетенных кристаллов свинца. Авторы [2] связывают это со снижением эффективности расширителя в процессе циклирования.

При циклировании пластин, не содержащих расширитель, кристаллы сульфата свинца уменьшаются в размерах и теряют форму. В присутствии расширителя форма и размер кристаллов PbSC 4 остаются неизменными.

Состояние скелетной структуры после продолжительного циклирования аккумулятора в значительной мере зависит от присутствия расширителя. Ветви свинцового скелета пластин, не содержащих расширитель, значительно утолщаются, структура становится более плотной, в отдельных местах образуются глубокие гладкие раковины. Наличие расширителя поддерживает нормальную структуру скелета: в процессе циклирования происходит небольшое утолщение ветвей и одновременное укрупнение пор, структура становится более рыхлой (рис. 1.3).

А. Боден [6], изучая влияние лигносульфонатов и синтетических расширителей (Vanisperse A, Maracell ХС-2, Kraftplex, Indulin AT, Lomar В, ГКД и БНФ) на морфологию кристаллов отрицательного электрода VRLA-ячейки, нашел, что все исследованные добавки приводят к образованию мелких эквиаксиальных кристаллов.

Введение расширителя увеличивает удельную поверхность и пористость паст. Сравнение отрицательных пластин VRLA-ячеек после 5 циклов, 100 циклов и в конце срока службы выявило снижение пористости, увеличение плотности активного материала и увеличение размеров кристаллов PbS04 с 1-3 до 5-8 мкм. Такая разница конечных размеров PbS04 в VRLA-ячейках по сравнению с традиционными батареями, вероятно, связана со специфическими условиями работы электродов в VRLA-ячейке.

Саймон с соавторами [1] обнаружили, что заряженная активная масса отрицательного электрода, не содержащего расширитель, состоит из сети переплетенных между собой свинцовых дендритов. Диаметр ветви такого дендрита порядка 3 мкм, он имеет гладкую поверхность. Саймон впервые делает предположение, что такая сеть представляет собой матрицу, выполняющую функцию каркаса. Присутствие лигнина в пасте существенно изменяет кристаллическую структуру каркаса: длинные переплетенные дендриты замещаются сферическими образованиями - агломератами с очень развитой шероховатой поверхностью. Позже Павлов с соавторами [16], детально изучая поверхность таких агломератов, установили, что именно они является энергетической структурой отрицательного электрода. Саймон заключает, что сферическая форма и отсутствие длинных ориентированных дендритных цепей свидетельствует о том, что они являются отдельными самостоятельными поликристаллами, выросшими из индивидуальных зародышей. Очевидно, что лигнины вызывают значительные изменения микроструктур отрицательного электрода как в заряженном, так и в разряженном состоянии. Лигнин замедляет рост свинцовых дендритов в процессе заряда, уменьшая их протяженность и диаметр. Еще большие изменения лигнин вызывает при осаждении сульфата свинца во время разряда. Положительный эффект лигнина проявляется как при заряде, так и при разряде электрода.

Методика циклических вольтамперных исследований

Конструкция и подготовка гладких электродов Рабочие электроды представляли собой литые цилиндры диаметром 8-11 мм, длиной 50-55 мм, изготовленные из свинца марки СО и сплавов на основе свинца (табл. 2.2). Рабочей поверхностью служила торцевая часть электрода. При изготовлении электродов, их боковую поверхность шлифовали мелкой наждачной бумагой, полировали фетром и изолировали от электролита при помощи пластичной фторопластовой ленты. Перед помещением электрода в электролит, рабочую поверхность зачищали стальным шабером до однородного блеска. Во избежание попадания в электролит посторонних веществ, предварительной химической подготовки поверхности рабочего электрода не проводили. Сразу после обновления рабочей поверхности электрода он помещался в электролит ячейки - водный раствор серной кислоты плотностью 1,270 г/см3 и поляризовался катодно при плотности тока 1 мА/см в течение 20 минут для удаления возможных оксидных пленок. После этого электрод подвергался циклированию в течение 1 часа (15 циклов) в исследованном диапазоне потенциалов. После этого циклирование останавливали и прибавляли 1 мл концентрированного водного раствора органической добавки к 100 мл электролита до получения содержания добавки в электролите равного 10, 20 или 30 ррт. После этого электрод выдерживался в ячейке в течение 1 часа для равномерного распределения добавки в объеме электролита и установления адсорбционного равновесия на рабочей поверхности электрода.

Для электронно-микроскопического исследования скелетной структуры образцы подвергали травлению в водном растворе 5% уксусной кислоты и 15% ацетата аммония при 100 С [2, 13].

Для приготовления электролита использовали серную кислоту квалификации «осч» и дистиллированную воду.

Для мытья электрохимической ячейки и вспомогательного стекла применялась следующая процедура. Сначала для удаления сульфонатов ячейку промывали 300 г/л раствором NaOH квалификации «ч» и ополаскивали дистиллированной водой. Затем промывали подкисленным серной кислотой раствором КМп04 для удаления следов органических веществ, после этого - 30% раствором перекиси водорода для удаления следов марганца, после чего трижды ополаскивали дистиллированной водой.

Концентрированные растворы органических добавок приготавливали растворением навесок в дистиллированной воде.

Для травления свинцовых образцов применяли раствор ледяной уксусной кислоты квалификации «осч» и ацетат аммония квалификации «хч».

Циклирование проводилось при помощи потенциостата ПИ-50.1, вольтамперные кривые регистрировались самописцем ПДП-4. Режим поляризации задавался программатором ГТР-8. Морфологию частиц скелетной и энергетической структуры исследовали при помощи сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-5900LV. Вольтамперные кривые оцифрованы на сканере Canon 656NU для последующей обработки данных в программных пакетах Turbo Cad 6.0 и MS Excel 2003.

Для проверки выводов об эффективности новой добавки Р1, сделанных на основании предлагаемой экспресс-методики, на действующем аккумуляторном заводе МПКФ «Алькор», г. Тюмень, были изготовлены и испытаны стартерные свинцово-кислотные батареи 6СТ55АЗ. Принимая во внимание высокую стоимость промышленного производства и испытаний опытной партии полноценных свинцово-кислотных батарей, натурные образцы были изготовлены с использованием только двух добавок: ВанисперсА и Р1. Батареи с расширителем Ванисперс А, серийно производимые МПКФ «Алькор» использованы в качестве контрольных, поскольку их характеристики удовлетворяют всем требованиям ГОСТ 959-2002. Рецептура пасты отрицательного электрода не приводится, поскольку является предметом ноу-хау технологии производителя.

Влияние расширителей на разрядную емкость электродов при циклировании

Влияние органических расширителей на катодный процесс Обратный ход поляризационной кривой (из области положительных потенциалов к отрицательным) характеризуется нулевой плотностью тока вплоть до достижения потенциала равновесия Pb/PbS04, за которым следует резкий подъем плотности катодного тока. Процесс заряда свинцово-сульфатного электрода также протекает через стадию ионизации -химического растворения сульфата свинца с выделением иона РЬ и его последующим восстановлением до металлического свинца [49].

После достижения пикового значения icatmax плотность тока быстро снижается. Высокая скорость восстановления приводит к неполному восстановлению сульфата до металла из-за затягивания кристаллов соли металлической пленкой.

Подобное явление часто наблюдается при слишком высокой температуре во время формирования отрицательных электродов. Расширитель покрывает кристаллы сульфата свинца адсорбционной пленкой [4, 31, 39], тормозящей их растворение, и предотвращает их затягивание металлической пленкой, что повышает эффективность конверсии соли в металл. Адсорбция на металлическом свинце тормозит рост его кристаллов, препятствуя образованию крупных свинцовых дендритов.

Это подтверждается вольтамперными исследованиями. На рис. 3.7 приведены катодные участки потенциодинамических кривых, снятых на гладких свинцовых электродах. Из графика следует, что расширитель создает значительные кинетические затруднения процесса восстановления сульфата свинца - резкий пик предельного тока icatmax, характерный для электролита без добавок, изменяется на пологую площадку предельного тока. На первом цикле габаритная пиковая плотность тока восстановления сульфата свинца в электролите без добавок составляет 2,5 - 3 мА/см и достигается при потенциале около -1,0 В (по Hg/Hg2S04 электроду сравнения). Введение всех исследованных добавок в электролит приводит к снижению пикового значения габаритной катодной плотности тока до 1,0 -1,5 мА/см . Потенциал катодного пика индивидуален для каждой из добавок и лежит в диапазоне от -1,150 до -1,200 В. Подобное изменение характера вольтамперной кривой при введении расширителей отмечается также в работах [37, 39-41].

Из исследованных веществ менее всего тормозит зарядный процесс вещество Р1, несколько сильнее тормозит Ванисперс А и наиболее сильное торможение вызывают добавки ФС и БНФ.

Влияние температуры на разрядную емкость электрода при циклировании в электролите без добавок и с добавками расширителей Ванисперс иР1

Известно [42], что температура оказывает существенное влияние на все характеристики электродов свинцового аккумулятора и особенно отрицательного. При понижении температуры снижается скорость жидкофазной реакции, катодное восстановление кристаллов PbS04 идет по твердофазному механизму, что приводит к затяжке кристаллов соли свинцовой металлической пленкой; полноценный заряд отрицательного электрода становится невозможным. Толщина адсорбционного слоя расширителя резко возрастает, что приводит к блокированию активной поверхности его молекулами. При снижении температуры ниже нуля возможно локальное образование кристаллов льда, т.к. при разряде электролит разбавляется [42]. Размер образующихся при разряде кристаллов PbSC 4 резко снижается, и они образуют очень плотный пассивирующий слой. Возрастает вязкость электролита, что затрудняет его диффузию в поры.

При температуре -18 С плотности тока катодного и анодного пиков снижаются как в электролите как без добавок (рис 3.8, а), так и с добавками 20 ррт Ванисперс А (рис 3.8, б) и Р1 (рис 3.8, в). На шестисотом цикле в электролите без добавок плотности тока анодного пика составляют 2,5 и 35 мА/см , а разрядные емкости - 18,4 и 194 мА с/см для температур -18 и 20 С соответственно. Интересно отметить, что в при снижении температуры в присутствии добавок более выражено подавляются не только катодный, но и анодный процессы (рис 3.9). Так на шестисотом цикле при температуре -18 С в присутствии добавок Ванисперс А и Р1 разрядные емкости электродов составляют 2,73 и 3,11, а при 20 С 774 и 900 мА с/см2 соответственно. Повышение температуры приводит к обратному эффекту: катодный и анодный пики увеличиваются. При этом анодный пик расширяется, а потенциал тока пика сдвигается в сторону более положительных значений: в электролите без добавок при температурах - 18, 20 и 40 С, потенциалы тока анодного пика составляют -960, -890 и -850 мВ (по Hg/Hg2S04 электроду сравнения) соответственно. Этот факт, объясняется образованием более рыхлой сульфатной пленки [35], образованной более крупными кристаллами, что впоследствии подтверждено проведенными электронно-микроскопическими исследованиями.

Обобщение и анализ вольтамперных характеристик

Этот факт неоднократно констатировался многими авторами [37 - 41, 43, 48], однако объяснения не получил.

Возможность использования разрядной емкости гладкого свинцового электрода, отдаваемой им при потенциодинамическом циклировании, для оценки свойств расширителя выдвинута Махато в работе [37]. Важность разрядной емкости как характеристики гладкого электрода заключается в том, что она количественно выражает его способность генерировать

электрический ток во внешнюю цепь. Согласно [37, 39, 41], именно разрядная емкость несет достоверную информацию о глубине электрохимического растворения свинцового электрода в условиях образования пассивирующего сульфатного слоя.

Несмотря на большой объем выполненных работ по изучению расширителей до сих пор не существует методики количественной оценки пригодности веществ для использования их в качестве расширителей. Основным методом оценки эффективности расширителя является комплексное определение производительности пастированных пластин и батарей. На результаты таких исследований всегда влияют методы и условия изготовления электрода, которые обычно плохо воспроизводятся. Все это ограничивает понимание того, как расширитель воздействует на сложную динамическую систему свинцово-сульфатного электрода. Следовательно, необходимо выработать методики для изучения механизма действия расширителей, их отбора и оценки эффективности. Актуальность темы резко возрастает с вытеснением классических свинцовых батарей герметизированными (VRLA).

Обобщение и анализ вольтамперных характеристик

При механической подготовке образцов невозможно добиться абсолютной воспроизводимости рабочей поверхности электродов; образцы имели различную площадь и различную шероховатость. По этой причине емкость электродов воспроизводится плохо, особенно в начале циклирования. Заметная разница остается даже при их длительном циклировании. Возрастание разрядной емкости электродов в процессе циклирования при одинаковых условиях (концентрация электролита, температура, материал и подготовка электрода) показано на (рис. 4.3). Видно, что в начале циклирования значения разрядной емкости электродов заметно отличаются (27, 42 и 49 мА с/см ).

Подобный характер поведения электродов наблюдался в большинстве экспериментов, даже на одном и том же образце. К окончанию циклирования емкости электродов также существенно отличаются; разница емкостей составляет более 100% (200, 410 и 450 мА с/см для электродов 1, 2 и 6 соответственно).

Очевидно, что при таком разбросе проведение сравнительного анализа емкостных характеристик лишено смысла. С такой же проблемой столкнулись авторы работ [37, 39]. Анализ экспериментальных данных показал, что разброс значений емкости, получаемых при циклировании электрода можно существенно сузить. Для того чтобы можно было сравнивать экспериментальные результаты, полученные на разных электродах, предложены специальные приемы обработки данных.

В работах Махато [37, 39] описывается способ устранения значительной разницы начальных емкостей электродов. После механической подготовки электрода и помещения его в электролит, не содержащий добавок, ему сообщалось 150 циклов заряд-разряд в потенциодинамическом режиме при скорости развертки 0,5 мВ/с (процедура занимала около двух суток). Затем определялась разрядная емкость этого электрода, и все последующие измерения разрядной емкости относились к ней. Оказалось, что такая процедура значительно повышает воспроизводимость результатов, получаемых в параллельных экспериментах. Автор работ [37, 39] не приводит объяснений причин этого феномена.

Электронно-микроскопическое исследование структуры образцов, которые подвергались циклированию в электролите, не содержащем добавок, выявило следующие факты. 1) При потенциодинамическом циклировании на поверхности свинцового электрода образуется скелетная структура.

Вероятно, продукт разряда - сульфат свинца восстанавливается при заряде до кристаллов металлического свинца определенной морфологии, зависящей только от внешних по отношению к состоянию рабочей поверхности факторов: состава электролита, температуры и режима циклирования. При этом роль качества механической подготовки поверхности становится пренебрежимо малой. Тем не менее, это не умаляет требований к химической чистоте рабочей поверхности электрода.

2) Скелетные структуры, полученные на серии свинцовых электродов в одинаковых условиях идентичны (рис. 4.4).

Это обстоятельство позволяет считать, что после предварительного потенциодинамического циклирования поверхность электрода обладает вполне определенной структурой. Такая структура представляет собой стандарт состояния поверхности.

Похожие диссертации на Влияние олигомерных сульфонатов на электрохимическое поведение и структуру поверхности гладкого свинцового электрода в растворе серной кислоты