Bu forumda sıcaklığın jel elektrolit sistemlerinin elektrokimyasal davranışları üzerindeki etkisi, 0≤ T ≤50 oC'de valf ayarlı kurşun-asit batarya için araştırılmıştır. Füme silika ve füme silika ve Ti02 karışımı, jel elektrolitler olarak kullanıldı. Ti02, füme silika ile iyi bir kombinasyona sahiptir. Siklik voltametri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve pil testleri ile karakterize edildi. Jel elektrolitlerinin anodik tepe akımları ve redoks kapasiteleri, sıcaklık arttıkça artmıştır. En yüksek anodik tepe akımı ve redoks kapasitesi füme silikada 30 oC ve füme silika: Ti02 bazlı jel sistemlerinde 40 oC'de gözlenmiştir. Çözelti ve yük aktarma direnci değerleri, füme silika: Ti02 jel sisteminde sıcaklığı arttırarak azalmıştır. Akü testlerinde her jel sistemi için 0, 25 ve 50 oC deşarj eğrileri elde edildi. Karışım jel elektrolit sisteminin boşaltma süresi, düşük (0 ° C) ve yüksek (50 ° C) sıcaklıklarda füme silika bazlı jel elektrolitinkinden daha yüksekti. En iyi performans 25 ° C'de füme silika esaslı jel elektrolitte elde edilmiştir.
. GİRİŞ
Valf ayarlı kurşun-asit (VRLA) jel akü, en önemli enerji depolama cihazlarından biridir. Yüksek enerji gibi avantajları olduğundan verimlilik, düşük maliyet ve uzun çevrim ömrü, VRLA aküleri birçok uygulamada geniş uygulama alanlarına sahiptir.sanayi sektörleri; otomotiv endüstrisi, yenilenebilir enerji sistemleri, taşınabilir araçlar, vb.
jelleşmiş elektrolit sistemi, jel ajanı (füme silika) ve optimumun karıştırılmasıyla elde edilir.
GEL-VRLA akü olarak adlandırılan sülfürik asit konsantrasyonu. Jel elektrolitin performansı
sistemi özellikle düşük ve yüksek sıcaklık uygulamalarında AGM elektrolit sisteminden daha iyidir.
Çalışma sıcaklığı AGM ve su dolu tip kurşun asit bataryaları jel tipi kurşun asitten daha fazla etkiler
bataryalar. GEL-VRLA'daki pozitif ızgaraların korozyon oranı hem AGM-VRLA hem de
su dolu piller. Bunun yanı sıra jelleşmiş elektrolit sistemlerinde elektrolit tabakalaşması, derin deşarj döngüsel uygulama altında AGM sistemlerinden daha düşüktür [8-13]. Çalışmaların çoğu,
avantajları nedeniyle jelleşmiş sistemin kapasitesi ve döngüsel ömrü daha uzundur. Bazı katkı maddeleri de eklendi
sodyum sülfat, magnezyum sülfat, alüminyum oksit, bor oksit gibi jel elektrolite,
daha iyi bir jel yapısı elde etmek ve uzun döngüsel ömür için kapasiteyi arttırmak için titanyum oksit, vb. [7, 13,
14]. Dumanlı silika esaslı jelleşmiş sistemin performansı, bu katkı maddelerinin çoğu tarafından
Gençten ve ark. / Anadolu Üniv. Sci. ve Teknoloji - A - Uyg.
oda sıcaklığı. Bununla birlikte, bu katkı maddelerinin etkileri üzerine sınırlı sayıda çalışma yapılmıştır.
0 - (+ 50) oC sıcaklık aralığında füme silika esaslı jelleşmiş sistemlerin elektrokimyasal davranışları.
Çalışma sıcaklığı kurşun asit aküler için önemli bir parametredir çünkü akü sıcaklığı
ortam sıcaklığından etkilenir. Pillerin çoğu oda sıcaklığında kullanılmak üzere üretildiğinden,
pillerin kapasiteleri yüksek (> 40 oC) ve düşük (<0 oC) sıcaklıklardan etkilenir. Kurşun asit
piller, pozitif aktifin yüksek korozyon oranı nedeniyle yüksek sıcaklıkta düşük performans gösterir
malzeme, su kaybı ve büyük miktarda oksijen oluşumu [8, 10, 15]. Ayrıca kapalı oksijen
siklik sıcaklık artırılarak azaltılır [16-18]. Öte yandan, deşarj süresi ve döngüsü
Kurşun asit akülerin ömrü, iç direncinin artması nedeniyle düşük çalışma sıcaklığında azalır
pil [19]. GEL-VRLA aküleri özellikle zorlu iklim koşullarında daha faydalı olabilir.
Bu amaçla, kurşun asit bataryada jel bileşimi çok önemlidir. Katkı maddeleri
nispeten büyük bir sıcaklıkta uygulama için füme silika esaslı jelleşmiş sisteme yeni bir bakış açısı
aralık, yani, 0 - (+ 50) oC. Önceki çalışmamızda, bazı katkı maddelerinin jel performansı üzerindeki etkileri
elektrolit oda sıcaklığında araştırıldı [13,14]. Ancak, bu katkı maddelerinden bazıları
0≤ T ≤50 oC'de iyi performans gösterir.
Bu çalışmada sıcaklığın jel elektrolit sistemlerinin elektrokimyasal davranışları üzerine etkileri,
füme silis ile füme silika ve titanyum (IV) oksit karışımından oluşan araştırıldı.
Deneyler, 0-50 oC aralığında değişen sıcaklıklarda gerçekleştirildi. Jelleşmiş sistemler
siklik voltametri, elektrokimyasal gibi elektroanalitik yöntemlerle karakterize edildi
empedans spektroskopisi ve pil testi. Anodik tepe akım ve tepe redoks kapasitesinin değerleri
siklik voltametri ile araştırıldı. Elektrokimyasal empedans spektroskopisinde çözelti
direnç (Rs) ve yük transfer direnci (Rct) parametreleri incelenmiştir. Deşarj eğrileri
0, 25 ve 50 oC'de her jel sistemi için batarya testi ile elde edilmiştir.
2. DENEYSEL
2.1. Elektrolit ve Elektrotların Hazırlanması
Jelleşmiş elektrolitler, füme silis (Sigma-Aldrich, 7 nm) -Ti02'nin karıştırılmasıyla hazırlandı.
(AppliChem,% 99) ve sülfürik asit (J. T. Baker% 95-97). Dumanlı optimum konsantrasyon
Önceki çalışmalarımızda silis ve sülfürik asit sırasıyla ağırlıkça% 6 ve ağırlıkça% 30 olarak belirlenmiştir.
[13]. ]. Füme silika ve sülfürik içeren jelleşmiş sisteme ağırlıkça% 3 (0.06 g / mL) Ti02 ilave edilir
asit. Daha önceki çalışmalarımızda farklı miktarda TiO2 ve TiO2'nin ağırlıkça% 3'ü incelenmiştir.
sıcaklık deneyleri yapmak için seçilmiştir [13,14]. Mekanik dağılım parametreleri
iyi bir jel yapısı elde etmek için de önemlidir [13, 14, 20]. En iyi jel yapısı 30'da elde edildi.
Min. 25 ° C'de çalkalama süresi ve 500 rpm karıştırma hızı [13]. Kurşun elektrotlar
0.5 ve 0.6 cm2 geometrik alan olarak metalik kurşuntan (Alfa-Aesar,>% 99) kesim
çalışmak ve
karşı elektrot. Elektrot her elektrokimyasal deneyde cilalanmıştır.
2.2. Elektrokimyasal Deneyler ve Termal Stabilizasyon
Elektrokimyasal impedimetrik spektroskopik (EIS) ve döngüsel voltametrik (CV) ölçümleri
üç elektrottan oluşan bir sistemle gerçekleştirildi. Çalışma ve karşı elektrotlar
elektrokimyasal deneyden önce parlatıldı ve daha sonra çalışan elektrot,
Safsızlıkları gidermek için -1.4 V ve Hg / Hg2SO4, K2SO4 (doymuş) (MSE).
Döngü için ekipman olarak CHI Potentiostat / Galvanostat Model 660 D (CH Instruments, ABD) kullanıldı
voltametrik ve elektrokimyasal impedimetrik ölçümler. Döngüsel voltametrik çalışmalar
20 mV'de yapılır. s-1
tüm jel elektrolitleri için RE'ye karşı -1.4 ila -0.8 V arasında tarama hızı,
kurşun çalışma elektrodu, kurşun sayaç elektrodu ve Hg / Hg2SO4, K2SO4 (doymuş) referans olarak
elektrot. Anodik pik akımlar ve pik redoks kapasiteleri döngüsel voltametri ile araştırıldı.
Gençten ve ark. / Anadolu Üniv. Sci. ve Teknoloji - A - Uyg. Sci. ve Müh. 17 (5) - 2016
884
Redoks kapasiteleri, döngüsel voltametrik olarak kaydedilen piklerin entegrasyonu ile belirlenmiştir.
analizi.
EIS deneyleri ayrıca açık devrede elektrokimyasal üç elektrot hücre sistemi ile gerçekleştirilmiştir.
10 mV amplitüdde 105 - 10-2 Hz frekans aralığı üzerindeki potansiyel ve Şekil 1,
her empedans spektrumunun montaj işlemi için eşdeğer devre modeli [13, 14]. Burada, Rs, Rct, Cdl ve
W, çözelti direncini, şarj transfer direncini, çift katmanlı kapasitansı ve Warburg'u gösterir
sırasıyla empedans. Rs, direncin direncinden oluşan omik direnç ile ilgilidir.
elektrolit, elektrot yüzeyine yerleştirilen korozyon ürünlerinin direnci ve direnci
elektrotun elektrik bağlantılarının Rct aynı zamanda şarj transfer direncini temsil eder.
korozyon işleminin hız kontrol elektrokimyasal reaksiyonu [21-23]. Tüm örnekler
10 oC aralıklarla 0 oC ile 50 oC arasındaki sıcaklıklarda çalışıldı.
2.3. Akü Testi
Sıcaklığın akü performansı üzerindeki etkilerini belirlemek için jel sistemlerinin deşarj eğrileri
birinci döngü için t, 0, 25 ve 50 oC'de elde edildi. Referans 3000 serisi Gamry enstrümantasyonu
Her test için kullanılır. Tüm akü sistemi, iki negatifli bir kurşun asit akünün bir hücresinde elde edildi
elektrotlar ve 7.5 cm2 ile bir pozitif elektrot
her elektrot için aktif alan
mikro gözenekli membran. Potansiyel aralığı 1.75 - olan bir hücre için deşarj eğrileri elde edilmiştir.
0,15 V, 0, 25 ve 50 oC'de. Her elektrot 0,5 cm aralıklarla yerleştirildi. Jel sistemleri
sırasıyla 0.025 A ve 0.01 A'da sabit akımlarda şarj edilir ve boşaltılır.
2.4. Taramalı Elektron Mikroskopisi
Kurşun elektrotların yapısal özellikleri alan emisyon tarama elektronu ile incelendi
Zeiss Ultra Plus FESEM kullanarak mikroskop. Elektrotların yüzeyleri
füme silika ve füme silika-Ti02 bazlı jel elektrolit sisteminde 0, 20'de bir voltametrik döngü
ve 5000 × büyüklükte 50 ° C.
3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA
3.1. Dumanlı Silika, Sülfürik Asit ve Titanyum (IV) Oksidin Optimum Konsantrasyonu
Jel ajan konsantrasyonu, üç boyutlu bir ağ yapısı elde etmek için önemli bir parametredir. İçinde
önceki çalışmamızda, fumed silis konsantrasyonu ağırlıkça% 6 olarak belirlenmiştir. Bu durumuda
daha az miktarda füme silis, ağırlıkça% 6'dan daha az, jel yapısı elde edilemedi. Viskozitesi
sistemi su gibiydi. Dumanlı silika konsantrasyonu ağırlıkça% 6'dan yüksekse, pik
Rs ve Rct değerleri artarken akımlar ve pik redoks kapasiteleri radikal bir şekilde azalır [13].
İyi bir jel yapısı hazırlama sürecinde, elektrolit konsantrasyonu da diğer önemlidir.
parametreleri [13, 24]. Bu çalışmada, jel sisteminin tamamı ağırlıkça% 30 sülfürik asit kullanılarak hazırlanmıştır. Eğer
sülfürik asit konsantrasyonu ağırlıkça% 6'nın altında veya üstünde, anodik tepe akımı, tepe redoks
kapasiteler Rs ve Rct ile azalır, önemli ölçüde artar [13].
Döngüsel ömrünü artırmak için füme silika esaslı jelleşmiş sisteme bazı katkı maddeleri ilave edildi ve
jel VRLA akünün deşarj kapasitesi. Titanyum (IV) oksit ile iyi bir kombinasyon yaptı.
dumanlı silika esaslı sistem [14]. Füme silika ve farklı maddelerden oluşan jelleşmiş elektrolitler
titanyum (IV) oksit miktarı, füme silika bazlı jel ile aynı elektrokimyasal davranışlara sahipti
sistemi. Ağırlıkça% 6 füme silis esaslı jelleşmeye ağırlıkça% 3 (0.06 g / mL) Ti02 ilave edildiğinde
sistemi, anodik tepe akımı ve tepe redoks kapasitesi arttı. Bu sonuç şu şekilde açıklanabilir:
titanyum (IV) oksit yapısı. Titanyum (IV) oksit, füme silika ile aynı fiziksel özelliklere sahiptir.
Dumanlı silika sülfürik asit çözeltisine dağıldığında hidroliz ve izole silanol
gruplar birbirleri ile birleşti. Bu etkileşimler üç boyutlu bir jel yapısı elde edilmesini sağlamıştır.
Titanyum (IV) oksit, sülfürik asit çözeltilerine ve hidrolize Ti02'ye dağılabilir
birbirleri ve diğer silanol gruplarıyla birleştirilmiş moleküller. Silanol arasındaki etkileşimler
gruplar ve hidrolize Ti02 grupları üç boyutlu bir jel yapısı elde etti. Elektrokimyasalda
impedimetrik çalışmalar, Rs değeri jele ağırlıkça% 3 (0.06 g / mL) Ti02 eklendiğinde en düşük değerdi
sistemi. Bu sonuçlar anodik tepe akımları ve tepe redoks kapasiteleri ile uyumluydu [14].
Bu deneysel sonuçlara göre, füme silis ve
Bu çalışmada füme silika-Ti02 esaslı jelleşmiş sistemler.
3.2. Jelleşmiş Sistemlerin Elektrokimyasal Davranışlarına Sıcaklık Etkisi
Füme silika ve füme silika: Ti02'den oluşan jel sistemlerinin elektrokimyasal davranışları
siklik voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi ile incelenmiştir. Şekil 5a,
Füme silika esaslı jel sisteminin siklik voltammogramları, farklı sıcaklıklarda (0, 10, 20,
30, 40 ve 50 oC). Verilen voltammogramlarda -1.0 - (- 0.9) V arasında elde edilen pik,
metalik kurşundan kurşun sülfat oluşumu (Şekil 2a) [25-27]. Çalışma sıcaklığı
arttıkça kurşun ve sülfat arasındaki reaksiyon daha hızlı gerçekleşir [28]. Operasyonun artmasıyla
sıcaklık, anodik tepe akımları ve tepe redoks kapasiteleri 40 oC'ye kadar radikal bir şekilde artmıştır (Şekil 2b).
Hidrojen gelişimi daha düşük bir potansiyelde başladığı için, aküin yüksek sıcaklıkta performansı (> 40
oC) olumsuz etkilenebilir. Çalışma sıcaklığı 50 oC olduğunda, hidrojen gelişimi
potansiyel en düşüktü ve anodik zirve ve katodik zirve biçimleri değişti.
Şekil 2c, füme silikadan oluşan jel sistemlerinin elektrokimyasal empedans spektrumlarını ve
sülfürik asit. Çözelti direnci (Rs) ve yük transfer direnci (Rct) parametreleri
bu spektrumlar bir sıcaklık aralığı ölçeğinde (0 - (+ 50) oC). Opera sırasında
Geri bildirim gönder
Resimler
Şekil 2 Füme silika ve jel içeren elektrolitlerin döngüsel voltametrik davranışları
sülfürik asit çözeltileri a) siklik voltammogramlar b) anodik tepe kapasiteleri ve akımları
c) empedans spektrumları ve d) Rs ve Rct değerleri (0; 10; 20; 30; 40 ve 50 oC'de)
Şekil 3, döngüsel olarak çalışan elektrot olarak kullanılan kurşun elektrotun SEM resimlerini göstermektedir
füme silika esaslı jel elektrolit sistemi için voltametrik analiz. Morfolojik değerlendirilmesi
elektrot, çalışma sıcaklığının fonksiyonu olarak kolayca görülebilir. Sülfatlama reaksiyonundan beri (Denk. 1)
sıcaklık arttıkça elektrot yüzeyinde kurşun sülfat miktarı arttı
ve sülfat kristallerinin morfolojisi değiştirildi (Şekil 3b ve 3c)
Şekil 3. Dumanlı silika esaslı jelde bir voltametrik döngüden sonra kullanılan kurşun elektrotların SEM resimleri
elektrolit a) 0 ° C b) 20 ° C ve c) 50 ° C
Şekil 4a, füme silis: TiO2'den oluşan jel elektrolitinin siklik voltammogramlarını aralıkta göstermektedir
sıcaklık ölçeği (0 - (+ 50) oC). Anodik tepe akımları ve tepe redoks kapasiteleri artarken
çalışma sıcaklığı 30 oC'ye kadar yükselir. Daha sonra, bu değerler 40 ve 50 oC'de azalır (Şekil
4b). Anodik tepe akımı ve tepe redoks kapasiteleri 30 oC'den düşük olduğundan, kendi kendine deşarj etkileri
VRLA pilleri TiO2 katkısı olarak füme silika bazlı jel eklendiğinde daha düşük olabilir.
Hidrolize Ti02, silanollerle birleştirildi ve üç boyutlu jel yapısı oluştu.
Ağın boş alanlarında sülfat miktarı değiştiğinden, anodik tepe akımları ve tepe redoks
kapasiteler bu sistemde füme silika esaslı jel sisteminden farklıdır. Farklılıklar
füme silika ve füme silika-Ti02'den oluşan jel sistemlerinin elektrokimyasal davranışları
yüksek ve düşük sıcaklıkta VRLA pil için kullanışlı bir uygulama.
Elde edilen füme silika-Ti02'den oluşan jel sistemlerinin elektrokimyasal empedans spektrumları
farklı çalışma sıcaklığı Şekil 4c'de gösterilmektedir. Şarj transfer direnci (Rct) ve çözümü
direnci (Rs) aynı davranışı gösterir ve çalışma sıcaklığını artırarak azalır (Şekil
4d). Bu sonuç kurşun ve sülfat arasındaki reaksiyon üzerindeki sıcaklık etkisi ile açıklanabilir. Rs
füme silika-TiO2 esaslı jel sisteminde sıcaklık artırılarak azaltıldı, ancak neredeyse
füme silika esaslı jel sisteminde aynı (Şekil 2d). Bu aynı zamanda bu jel sistemlerinin üç boyutlu ağının yapısı ile de ilgilidir. Rs değerleri, iyonların hareketliliğinin fumedde daha yüksek olduğunu gösterir.
tütsülenmiş silika bazlı jel sisteminden daha silika-Ti02 jel sistemi. Şarj transfer direnci (Rct) de
40 oC'ye kadar azaldı. Bu çalışma sıcaklığından sonra düşmeye devam etti. Jelin yapısı
değişen sıcaklık ile değişir. Kurşun ve sülfat arasındaki reaksiyon 40 oC'de daha yavaş gerçekleşir,
çünkü kurşun elektrot ve sülfat iyonlarının etkileşimli yüzeyi 40 ° C'de 30 ° C'den düşüktür.
959/5000
Şekil 4 Füme silika, Ti02 ve jel elektrolitlerinin siklik voltametrik davranışları
sülfürik asit çözeltileri a) siklik voltammogramlar b) anodik tepe kapasiteleri ve akımları
c) empedans spektrumları ve d) Rs ve Rct değerleri (0; 10; 20; 30; 40 ve 50 oC'de)
Kurşun elektrot yüzeyinin değişmesi Şekil 5'te gösterilmiştir.
tütsülenmiş silika-Ti02 bazlı jel sistemindeki voltametrik çevrim, artan çalışma ile arttı
sıcaklık (Şekil 5b ve 5c). Sıcaklık arttığında, kurşun ve
sülfat daha kolay oluştu ve oluşan kurşun sülfat miktarı arttı. Oluşan miktar
füme silika esaslı jel sistemindeki elektrot yüzeyi üzerindeki kurşun sülfat füme olandan daha yüksekti
20 ° C'de silika-Ti02 bazlı jel sistemi (Şekil 3b ve 5b), 0 ° C ve 50 ° C'de daha düşüktü. Bu sonuç
elde edilen jel yapısının füme silika ve füme silika-Ti02 ile farklılığından kaynaklanabilir.
Çalışma sıcaklığı, GEL-VRLA pillerin uygulama alanları için önemli bir parametredir. TiO2 eklendi
füme silika esaslı jel sistemi, düşük çözelti gibi bazı önemli elektrokimyasal özelliklere sahiptir
yüksek sıcaklıklarda direnç ve şarj transfer direnci. Bazı yeni katkı maddeleri yeni
aşırı iklim koşullarında GEL-VRLA pillerin uygulanması için perspektif.
3.3. Akü Testleri
Füme silika ve füme silika-Ti02'den oluşan jel sistemlerinin deşarj eğrileri,
oluşan yüksek oranlı yük, 0, 25 ve 50 oC'de gerçekleştirilmiştir. Ti02 katkılı füme silika bazlı jel
sistem özellikle yüksek (50 oC) ve düşük (0 oC) sıcaklıklarda önemli kapasite davranışları gösterir.
Şekil 6a ve 6c, füme silis ve füme silika-Ti02 bazlı jel elektrolitin deşarj eğrilerini gösterir.
Sırasıyla 0 ve 50 oC. Füme silika-TiO2 esaslı jel sistemlerinin deşarj süresi,
yüksek ve düşük sıcaklıkta füme silika esaslı jel elektrolit. Değerler 42 ve
Sırasıyla 0 ve 50 ° C'de 700 s. Ayrıca, füme silika-Ti02 bazlı jelin deşarj potansiyeli
elektrolit sistemi, incelenen her sıcaklıkta diğer jel sisteminden daha yüksekti. Ancak taburculuk
füme silika esaslı jel elektrolit sisteminin süresi (yaklaşık 420 s) diğer jel sistemlerinden daha yüksektir
oda sıcaklığında (yaklaşık 410 s) (Şekil 6b). Bu sonuç aynı zamanda aşağıdakilerin yapısına da atfedilebilir:
üç boyutlu ağlar. Dumanlı silika esaslı jel sistemine Ti02 eklendiğinde, hareketlilik ve
Üç boyutlu sistemlerin boş alanlarında iyon miktarı değiştirilir. Arasındaki etkileşimler
elektrot yüzeyi ve elektrolit iyonları düşük ve yüksek sıcaklıklarda füme silikaTi02 bazlı elektrolit sistemindekinden daha yüksektir. Jel elektrolitin üç boyutlu ağlarının yapısı
özellikle yüksek ve düşük sıcaklıklarda değişti. TiO2 fumed ile iyi bir kombinasyon yaptığı için
silika, jelin yapısı iyi korunur. Oda sıcaklığında, dumanlı silis performansı
bazlı jel sistemi füme silika-Ti02'ye sahip olan sistemden daha iyidir. Bu sonuç aynı zamanda daha iyi
odadaki dumanlı silika-Ti02'den oluşan jelden daha fazla füme silika esaslı jel ağ sistemi
sıcaklık. Bununla birlikte, füme silika ile hazırlanan jel sisteminin yapısı deforme olmuş ve
boşaltma süresi sırasıyla 0 ve 50 ° C'de 15 ve 290 s olarak belirlendi.