منابع مقاله با موضوع بهبود عملکرد

0 SIMENS
آلمان
اتو لب
603 VA Stand
سوئیس
آنالیز گر آلیاژ کوانتومتر
Spectro Lab.
آلمان
شارژ و دشارژ کننده‌ی باتری
_
مرسان ترکیه
دستگاه دشارژ با سرعت بالا
_
مرسان ترکیه
همزن مغناطیسی
L-81 LABINCO
آلمان
سانتریوفوژ
Hettich 320R
آلمان

2-2 سنتز نانو ذرات باریم سولفات
ابتدا به شرح محلول خاصی که برای سنتز نانو ذرات باریم سولفات (BaSO4)، استفاده‌شده است، پرداخته میشود. برای سادگی بیان، این محلول را محلول آماده‌سازی می‌نامیم. ماده‌ی اصلی این محلول گلیسیرین است. ازآنجایی‌که گلیسیرین ماده‌ای ارزان‌قیمت و سازگاربامحیط‌زیست است، این روش سنتز نانو ذرات BaSO4 اهمیت ویژه‌ای خواهد یافت.
محلول آماده‌سازی ترکیبی با محتوای: 5 میلی‌لیتر گلیسیرین خالص، 3 میلی‌لیتر اسیدکلریدریک (HCl) غلیظ، 10 میلی‌لیتر ایزوپروپیل الکل و نهایتاً 30 میلی‌لیتر آب دیونیزه است.
محلول‌های یک‌به‌یک از Na2SO4 و BaCl2.H2O با غلظت‌های مشخصی آماده گردید. 5 میلی‌لیتر از محلول آماده‌سازی را به 100 میلی‌لیتر از محلول آبی Na2SO4 با غلظت مشخص افزوده میشود و محلول بهدست آمده را در حمام آب و یخ قرار داده و با همزن مغناطیسی همزده میشود. دمای محلول با دماسنج ثانیه به ثانیه کنترل میگردد و وقتی دمای آن به صفر درجه‌ی سانتی‌گراد رسید، 100 میلی‌لیتر محلول BaCl2.2H2O با غلظت همسان با سدیم سولفات به سیستم افزوده میشود. رسوب سفیدرنگِ نانو ذرات باریم سولفات (BaSO4) تشکیل می‌شود. رسوب با سانترفیوژ از محلول باقیمانده جدا میشود. برای جلوگیری از متراکم شدن ذرات، رسوب چند بار با محلول 30% حجمی اتانول شستشو داده میشود. نهایتاً، رسوب به آون با دمای 40 °C منتقل و خشک میشود. پودر حاصل، نانو ذرات باریم سولفات است که با استفاده از تکنیک‌های میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) و پراش پرتوایکس (XRD) این ادعا ثابت شده است.
2-3 روش‌های بررسی اثر نانو ذرات باریم سولفات
2-3-1 تکنیک‌های آزمایشگاهی و الکتروشیمیایی
پیش از افزودن نانو ذرات باریم سولفات (BaSO4) سنتز شده، به خمیر منفی باتری سرب اسید، ابتدا اثر آن در محدوده‌ی آزمایشگاهی و با تکنیک‌های الکتروشیمیایی ممورد مطالعه قرار گرفت. به این منظور، ابتدا اثر افزایش نانو ذرات BaSO4 در سیستم شبیه‌سازی‌شده‌ بررسی گردید. این سیستم شبیه‌سازی‌شده، خمیر کربن و اکسید سرب است که دارای ترکیب: 2/0 گرم گرافیت، 0/2 گرم پودر اکسید سرب و 1/0-2/0 میلی‌لیتر پارافین است. نانوذره‌ی BaSO4 در غلظت‌های مشخص به این خمیر افزوده و تغییرات ولتامتری چرخه‌ای برای آن موردبررسی قرارگرفت.

شکل 2- 1: شماتیک الکترود استفاده‌شده برای بررسی اثر نانو ذرات BaSO4.
خمیر حاصل، با ضخامت و قطر 2 میلی‌متر به سر الکترود سرب مالیده (شکل2-1)و بعد از 30 دقیقه ولتامتری چرخه‌ای با الکترولیت اسیدسولفوریک (H2SO4) با غلظت 0/5 مولار، روی الکترود موردنظر انجام گرفت. ولتامتری چرخه‌ای برای مطالعه‌ی این سیستم، در محدوده‌ی پتانسیلی -1/5 الی +1/0 ولت انجام شد.

2-3-2 آماده‌سازی خمیر برای باتری سرب اسیدی
به‌منظور مقایسه‌ی اثر نانو ذرات BaSO4 با BaSO4 در اندازهی درشتتر، در بهبود عملکرد باتری سرب اسیدی، دو نوع خمیر تهیه شد. به الکترودهای نوع اول نانو ذرات BaSO4 و به خمیر الکترودهای نوع دوم BaSO4 در اندازههای درشتتر افزوده شد. باریم سولفات با کریستالهای بزرگ از واکنش Na2SO4 با BaCl2.2H2O در غیاب محلول آمادهسازی تهیه گردید.
مقالات و پتنتهای مختلفی برای تهیه‌ی خمیر منفی باتری سرب اسید ارائه‌شده است [134-137] که همگی بر اساس محاسبات نشان داده‌شده در بخش بعدی با تغییراتی که در اساس تجربه در سیستم‌ها اعمال کرده‌اند؛ بنابراین خود را ملزوم به ارائه‌ی اصل محاسبات پایه‌ای مربوط به ترکیب مواد فعال باتری سرب اسید، چنانچه در ادامه آمده است، میدانیم.
2-3-2-1 محاسبات مواد فعال برای باتری استارتی (SLI) 30Ah در ?PAM = 50% و ?NAM = 45%
2-3-2-1-1 مواد فعال مثبت (PAM)
اکی‌والان‌وزن الکتروشیمیایی ویژه برای PbO2 برابر است با ?° PbO2 = 4/463 g PbO2 Ah-1 برای یک باتری 30Ah:
Ge PbO2 = 30 × 4/463 = 133/89 g PbO2
مقادیر ذکرشده از PbO2 (Ge PbO2) فقط مقادیر مربوط به ساختار انرژی PAM که در واکنش‌های الکتروشیمی دشارژ شرکت می‌کند را، نشان می‌دهد. به‌منظور محاسبه‌ی وزن PAM کل، بایستی مقادیر لازم برای ساختار اسکلتی که در واکنش شرکت نمی‌کند را هم در نظر بگیریم. می‌توانیم وزن PAM(G) در باتری با تقسیم کردن ساختار انرژی PAM(133/98 g) به ضریب بهره‌وری به دست آورد:
GPAM =(133/89)/(0/5) = 267/78 g PAM cell-1
ضریب وزنی (?) برای این باتری SLI برابر است با:
?PbO2 =(267/78)/( 30) = 8/926 g PAM Ah-1
2-3-2-1-2 NAM
اکی‌والان‌چگالی ویژه نسبی‌ی الکتروشیمیایی برای Pb برابر است با ?°Pb = 3/866 g Pb Ah-1. برای باتری 30 Ah وزن NAM که در واکنش الکتروشیمیایی شرکت می‌کند برابر است یا:
GPb° = 30 × 3/866 = 115/98 g Pb.
در ?NAM = 45% برای باتری‌های SLI، مقدار NAM کل، برابر است با:
GNAM =(115/98)/(0/45) = 257/73 g Pb cell-1
و
?Pb =(257/73)/30 = 8/59 g Pb Ah-1
2-3-2-1-3 H2SO4
وزن و حجم محلول H2SO4(با چگالی مربوطه‌ی 1/25) در باتری‌ها با روشی که در ادامه گفته خواهد شد، محاسبه شد. 72Ah توسط 1000 میلی‌لیتر H2SO4 با چگالی مربوطه‌ی 1/25 منتقل می‌شود، پس برای باتری 30 Ah:
V H2SO4 =((30× 1000))/72 = 416/66 mL H2SO4 (1/25 g cm-3) cell-1
G H2SO4 = 416/66 × 1/25 = 520/825 g H2SO4 (1/25 g cm-3) cell-1
ضریب حجمی برای H2SO4 (1/25 g cm-3) به ازای هر Ah:
?v H2SO4 =(416/66)/30 = 13/88 ml H2SO4 (1/25 g cm-3) cell-1
?G H
2SO4 = 13/89 × 1/25 = 17/36 g H2SO4 (1/25 g cm-3) cell-1
پس باتری سرب اسید 30 Ah بایستی دارای مقادیر زیر از مواد فعال باشد:
PAM = 267/78 g (?PAM = 50%)
NAM= 257/73 g (?NAM = 45%)
H2SO4 = 416/66 mL (C H2SO4 = 1/25 g cm-3)
مقادیر بالا از مواد فعال عملکرد عادی سل را تأمین می‌کند.
2-3-2-2 محاسبهی محتوای فاز جامد در خمیر
اجازه دهید ترکیبات فاز جامدِ خمیر تهیه‌شده با مواد اولیهی زیر را محاسبه کنیم:
LO شامل 80% وزنی PbO و 20% وزنی Pb؛ 1 کیلوگرم LO شامل 800 گرم PbO و 200 گرم Pb است،
H2SO4 با 6% وزنی نسبت به LO؛ 60 گرم H2SO4 به ازای هر کیلوگرم LO،
محلول H2SO4 با چگالی ویژهی 1/40 یا 1/18 kg L-1،
به‌منظور استحصال خمیر با چگالی 4/10 g cm-3، 200 mL مایع (محلول H2SO4 + H2O) به ازای 1 کیلوگرم از LO مصرف می‌شود.
واکنش شیمیایی تولید 3BS و 4BS به این صورت است:
(3BS): 4PbO + H2SO4 ? 3PbO.PbSO4.H2O (2-1)
(4BS): 5PbO + H2SO4 ? 4PbO.PbSO4.H2O (2-2)
برای محاسبهی ترکیب خمیر نیاز به وزن مولکولی 3BS، 4BA، PbO، H2SO4 و همچنین H2O و Pb داریم. این مقادیر در جدول (2-3) آمده است.
محاسبهی ترکیب خمیر به ازای 1 کیلوگرم LO در سه مرحله انجام می‌گیرد. اولین مرحله تعیین تعداد گرم‌های 3BS تولیدشده هنگام افزودن 60 گرم H2SO4 به 1 کیلوگرم LO، است. 98/08 گرم H2SO4 با PbO مخلوط شده، 990/8 گرم 3BS می‌دهد؛ بنابراین، 60 گرم H2SO4 می‌دهد:
G3BS =((60 × 990/83))/((98/08)) = 606/1 g 3BS per 1000 g LO
60 گرم H2SO4 با 1 کیلوگرم LO مخلوط شده، 606 گرم 3BS می‌دهد.
مرحله‌ی بعدی در محاسبات تعیین تعداد گرم‌های PbO واکنش نداده در LO است. به این منظور، مقدار PbO درگیر در تولید 3BS از مقدار کل PbO موجود در LO کم می‌کنیم. از واکنش شیمیایی تولید 3BS مشخص است که 1 مول 3BS از 4 مول PbO یا 990/8گرم 3BS از 892/8 گرم PbO تولید می‌شود. پس 606 گرم 3BS از مقادیر محاسبه‌شده در پایین از PbO تولید میشود.
G (3BS) PbO =((892/76× 606))/(990/83) = 546 g PbO
LO با درجه‌ی اکسیداسیون 80% استفاده‌شده است. اگر از 800 گرم PbO (موجود در LO)، 546 گرم PbO واکنش داده با H2SO4 را کم کنیم، 254 گرم PbO آزاد (واکنش نداده) در خمیر باقی می‌ماند.
پس بر اساس محاسبات انجام‌شده در بالا، بایستی خمیر حاوی مقادیر فاز جامد زیر باشد:
3BS = 606 g
PbO = 254 g
Pb = 200 g
1060 g = مقدار کل
60 گرم اضافی مربوط به H2SO4 است که یا PbO واکنش داده و 3BS را تولید می‌کند. در ترکیب فاز خمیر مشخص‌شده در بالا، فرض بر این است که تمام محصول تولیدشده 3BS است و ماده‌ی دیگری تولید نمی‌شود. علاوه بر این، مقدار آبی که به فاز جامد منتقل‌شده هم نادیده گرفته‌شده است.
جدول 2- 3: وزن مولکولی و حجم مولی مواد فعال لازم برای محاسبات [4].
ماده
وزن مولکولی (g mol-1)
چگالی (kg L-1)
حجم مولی (cm3 mol-1)
Pb(فلزی)
207/19
11/341
18/25
PbO(تتراگونال)
223/19
9/35
23/9
3PbO.PbSO4.H2O
990/83
6/5
25/15
H2O
18/0154
0/995
18/0
H2SO4
98/08

مطلب مشابه :  پرسش نامه، کارکنان دانشگاه، بر عملکرد سازمان، عملکرد سازمان

معمولاً مقدار آب استفاده‌شده به‌صورت درصد آن به H2SO4 بیان می‌شود. شکل (2-2) نشان‌دهنده‌ی داده‌های تجربی از حجم محلول H2SO4(1/18 g cm-3) و آب برای تهیه‌ی خمیر در نسبت‌های متفاوتی از H2SO4/ LO است]2[.

شکل 2- 2: حجم محلول H2SO4 1/4) یا 1/18 g cm-3) و H2O لازم برای تهیه‌ی خمیر برای نسبت‌های متفاوتی از H2SO4/ LO. وقتی محلول H2SO4 با چگالی 1/4 g cm-3 استفاده می‌شود، مقدار آبی که باید به آن افزوده شود تا به چگالی دلخواه خمیر برسیم، از حجم H2SO4 بیشتر است. در این مواقع اول آب و بعد H2SO4 اضافه می‌شود[2].

2-3-3 تهیه‌ی باتری جهت بررسی عملکرد آن در حضور نانوذرهی BaSO4
باتری‌های طراحی‌شده برای این پایان‌نامه، دو باتری 30 آمپرساعت و 12 ولتی، متشکل از 6 سل دو ولتی است. هر سل دارای 4 الکترود منفی و 5 الکترود مثبت است؛ بنابراین باید 24 الکترود منفی و 30 الکترود مثبت تهیه شود. الکترودهای مثبت استفاده‌شده، از الکترودهای مثبت تولیدی شرکت آذر باتری تأمین گردید.
اولین مرحله در تولید باتری سرب اسیدی، تولید شبکه‌هایی است که رساننده‌ی جریان الکتریکی به خمیر مثبت و منفی و همچنین نگه‌دارنده‌ی مواد فعال مثبت و منفی باشد. آلیاژ الکترود مصرفی بسیار مهم است زیرا اورپتانسیل تولید هیدروژن و اکسیژن و همچنین خوردگی شبکههای مثبت و منفی را تحت تاثیر قرار میدهد؛ بنابراین ابتدا آلیاژ شبکه‌های منفی و مثبت استفاده‌شده توسط کوانتومتر مشخص گردید تا برای تمامی مراحل از الکترودهای مثبت و منفی با آلیاژ مشخص و ثابتی استفاده شود.

2-3-3-1 تهیه‌ی خمیر منفی
با ادغام محاسبات انجام‌شده با دانش تجربی، دو نوع خمیر منفی با ترکیب مواد مشخص‌شده در جدول (2-4) تهیه شد، دقت شود که یکی از خمیرها حاوی نانوذرات BaSO4 و دیگری حاوی پودر BaSO4 با ذرات درشتتر است.

مطلب مشابه :  منابع و ماخذ پایان نامهعزت نفس، عاطفه مثبت، اوقات فراغت، خانواده گسترده

جدول 2- 4: درصد وزنی مواد تشکیل‌دهنده‌ی خمیر منفی.
نام مواد
درصد وزنی مواد به وزن کل خمیر منفی برای باتری معمولی
درصد وزنی مواد به وزن کل خمیر منفی برای باتری تهیه شده از نانوذرات BaSO4
سرب اکسیدی (LO) با 80% درجه‌ی اکسیداسیون
82/85
82/85
اکسپندر
0/14
0/14
باریم سولفات
0/4

نانوذرات باریم سولفات

0/4
کربن سیاه (B)
0/08.
0/08
الیاف پروپیلن
0/06
0/06
H2SO4
8/12
8/12
H2O
8/27
8/27

ترتیب افزودن مواد، دمای خمیر در حین هم زدن و مدت‌زمان هم زدن خمیر پارامترهای تعیین‌کننده در تهیه خمیر منفی برای باتری سرب اسید هستند. چنانچه از جدول (2-4) هم مشخص است، دو نوع خمیر منفی آماده گردید. روش تهیه‌ی هر دو نوع خمیر کاملاً یکسان بوده و فقط نوع BaSO4 استفاده‌شده باهم فرق دارد. برای تهیهی خمیر م
نفی، ابتدا مواد خشک یعنی اکسید سرب (LO)، اکسپندر، BaSO4 برای خمیر باتری معمولی و نانوذرات BaSO4 برای خمیر باتری مورد نظر و کربن سیاه با الیاف پروپیلن خوب مخلوط گردید، بطوریکه پودری همگن حاصل شود. بعد مقدار مشخصی آب مقطر به پودر همگن افزوده و خوب همزده میشود تا خمیری آبکی حاصل شود. به‌منظور کنترل دما در مرحله‌ی آخر که بهدلیل افزودن اسید سولفوریک دمای آن افزایش مییابد ، ظرف خمیر را در حمام آب سرد قرار می‌دهیم. مقدار معلومی محلول اسیدسولفوریک (1/4 g cm-3) آرام‌آرام به سیستم افزوده و خمیر بهطور پیوسته همزده میشود. دمای خمیر ثانیه به ثانیه با دماسنج کنترل میشود. دمای آن نباید به بیشتر از 65 °C برسد. خمیر حدود 20 دقیقه به‌طور مداوم همزده میشود. نهایتاً چگالی خمیر با استفاده از استوانه‌ای با حجم معلوم، مشخص گردید. به این صورت که خمیر به‌اندازه‌ای داخل استوانه فلزی پر میشود که حجم کل آن توسط خمیر اشغال گردد. بعد استوانه همراه با محتویات خمیر آن وزن گردید؛ وزن استوانه از آن عدد بهدست آمده کسر میشود. با استفاده از فرمول (2-3) چگالی خمیر مشخص میشود. در صورتیکه چگالی خمیر در محدود4/3- 4/4g cm-3 باشد، برای خمیر مالی آماده است. محاسبات دقیق مواد مورداستفاده، به چنین خمیری خواهد انجامید. درصورتی‌که چگالی خمیر بالا باشد، می‌تواند با افزودن آب به مقدار کافی چگالی آن را تنظیم کرد. اگر چگالی خمیر پایین باشد، باید آنقدر خمیر همزده شود تا مقدار آب اضافی آن تبخیر شود. چگالی خمیر منفی تولیدشده برای هر دو نوع باتری به‌دست‌آمده در محدودهی مجاز بوده و برابر با 4/4 g cm-3 بود.
?=m/V (2-3)
جرم خمیر = m
حجم استوانه = V
برای خمیر مالی، ابتدا شبکه‌ها وزن شده و بعد آن‌ها مرطوب گردید تا چسبندگی کافی خمیر و شبکه تامین گردد. خمیر با کاردک روی شبکهها مالیده شد تا سطح همواری از خمیر روی شبکه بنشیند. بعد دوباره شبکه‌ها توزین میشوند تا مقدار خمیر روی شبکه برای تمامی الکترودها همسان باشد. شکل (2-3) الکترودهای آماده شده را قبل و بعد از مرحلهی فورماسیون نشان میدهد.

شکل 2- 3: پلیت‌های مثبت و منفی استفاده‌شده در مونتاژ باتری. 1) پلیت منفی خام، 2) پلیت مثبت خام، 3) پلیت منفی شارژ شده، 4) پلیت مثبت شارژ شده.
بعد از خمیر مالی کردن پلیت منفی، پلیت‌های به مدت 16 ساعت در داخل اتاقک بخار (کیورینگ) با دمای 80 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 100% قرارداده شد و سپس به مدت 16 ساعت در اتاقک خشک‌کن که دارای دمای هوای حداکثر 100 درجه

Leave a Comment