Mất dung lượng sớm của pin axit chì (PCL-3) - quá trình sunfat hóa không thể đảo ngược của điện cực âm

Nghiên cứu cho thấy: Ở các tốc độ phóng điện khác nhau, sự phân bố PbSO4 do điện cực âm sinh ra cũng khác nhau. Ở tốc độ phóng điện thấp (< 0,5C20), các tinh thể PbSO4 phân bố đều bên trong tấm và các hạt tinh thể tương đối thô, trong khi ở tốc độ phóng điện cao (> 4C20), các hạt tinh thể của tinh thể PbSO4 nhỏ và đậm đặc trên bề mặt của cái đĩa. Theo cơ chế chín của Ostwald, các tinh thể chì sunfat nhỏ có xu hướng biến đổi thành tinh thể chì sunfat thô bằng cách kết tinh lại dưới tác dụng của năng lượng bề mặt cụ thể. Tinh thể chì sunfat thô này rất khó tích điện và biến đổi do độ hòa tan thấp, tạo thành "sự sunfat hóa không thể đảo ngược". Ảnh hưởng của quá trình sunfat hóa không thể đảo ngược: tuổi thọ trong điều kiện phóng điện sâu dòng điện thấp, tuổi thọ trong điều kiện phóng điện cao và dòng điện cao, và tuổi thọ trong điều kiện sạc quá mức trong thời gian dài hạn chế nghiêm trọng điều kiện ứng dụng và tuổi thọ của pin axit chì .
Quá trình sunfat hóa không thể đảo ngược càng trở nên trầm trọng hơn do sự co lại của bề mặt riêng của chì xốp trong chu kỳ.
Là một chất hoạt động, chì xốp âm sẽ co lại liên tục dưới tác động của năng lượng bề mặt cụ thể trong quá trình tích điện và phóng điện lặp đi lặp lại, đây là một quá trình không thể đảo ngược. Khẩu độ của tấm sẽ lớn hơn độ co rút bề mặt, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành các tinh thể chì sunfat thô hơn, dẫn đến sự tăng cường của quá trình không thể đảo ngược. Giải pháp sunfat hóa điện cực âm là sử dụng chất hoạt động bề mặt (lignin, axit humic) để ức chế sự co rút diện tích bề mặt của hoạt chất. Các hạt chì sunfat được tinh chế bằng hạt nhân tinh thể bari sunfat. Thêm than đen, than chì, v.v. để tăng tính dẫn điện, "gọi là chất chống giãn nở".
Chất hoạt động bề mặt - lignin, axit humic, v.v.
Nguyên tắc: Sử dụng khả năng hấp phụ bề mặt của lignin, diện tích bề mặt riêng của chì xốp tăng lên khi PbSO4 bị khử thành chì xốp. Khuyết điểm: Trong môi trường axit, quá trình thủy phân sẽ xảy ra, quá trình oxy hóa sẽ xảy ra khi tái hợp oxy và quá trình thủy phân hydro sẽ xảy ra khi sạc, dẫn đến vai trò của lignin không còn bền vững và bắt đầu hỏng sau khoảng 200 chu kỳ. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ phân hủy càng nhanh.

Cơ chế phức tạp của vật liệu cacbon ở điện cực âm

Do cấu trúc phức tạp của vật liệu cacbon nên cơ chế tác dụng của vật liệu cacbon ở điện cực âm cũng rất phức tạp.
Cơ chế hoạt động của vật liệu cacbon trong điện cực âm được tóm tắt thành các quá trình vật lý và hóa học: Các quá trình
vật lý - dẫn điện, điện dung hai lớp, hiệu ứng diện tích bề mặt (sử dụng) duy trì diện tích bề mặt cụ thể trong quá trình tích điện và phóng điện.
Quá trình hóa học - Vật liệu cacbon có thể xúc tác quá trình chuyển hóa Pb2+ thành Pb (xúc tác điện).
Điện cực âm dễ bị sunfat hóa và điện cực dương hiếm khi bị sunfat hóa, vì thể tích của chì xốp âm thay đổi rất nhiều trong quá trình chuyển đổi chì sunfat, tạo không gian thuận lợi cho sự phát triển của tinh thể chì sunfat và vật liệu cacbon có thể lấp đầy khoảng trống để tạo ra trở ngại không gian.
Trong quá trình sạc, vật liệu carbon hoạt tính điện hóa có tác dụng xúc tác điện hóa trong việc khử PbSO4 ở điện cực âm và điện áp sạc giảm khoảng 200 ~ 300mV. Nghiên cứu sâu hơn cho thấy quá trình kết tinh khử Pb2+ xảy ra đồng thời trên bề mặt vật liệu cacbon và bề mặt chì, làm cho vật liệu cacbon và chì xốp kết nối thành một tổng thể, dòng điện trên bề mặt vật liệu cacbon có thể làm giảm mật độ dòng điện của tấm, giảm sự phân cực và thúc đẩy quá trình khử chì sunfat, được gọi là "cơ chế song song" trong quá trình sạc.

Muội than

Tác dụng: (1) Người ta thường tin rằng sự dẫn điện của muội than có thể thúc đẩy quá trình chuyển đổi chì sunfat; (2) Sự hấp phụ của chùm cân bằng; (3) Công ty pin lưu trữ năng lượng Nhật Bản đã tăng lượng muội than lên gấp 10 lần so với lượng thông thường và nhận thấy rằng nó có hiệu suất trạng thái sạc một phần tốc độ cao rất tốt; (4) Nghiên cứu của Pavlov cho thấy muội than có thể thay đổi cấu trúc khung của chì xốp, và quá nhiều muội than sẽ được nhúng vào chì xốp nhưng làm giảm độ dẫn điện của khung chì xốp. Khuyết điểm: (1) Liều lượng quá mức sẽ rò rỉ ra khỏi tấm, dẫn đến đoản mạch vi mô; (2) Liều lượng quá mức sẽ phá hủy cấu trúc khung của chì xốp, dẫn đến chất nhờn điện cực âm. (3) Sự phát triển hydro quá mức là nghiêm trọng. Chức năng than hoạt tính: (1) Than hoạt tính có diện tích bề mặt riêng cao, điện dung lớp điện kép tương đối cao, có thể tạo thành siêu tụ điện không đối xứng với chì dioxide dương, hiệu suất phóng đại cao; (2) Nghiên cứu của Pavlov cho thấy trong quá trình sạc, các sợi nhánh chì sẽ phát triển trên bề mặt than hoạt tính và tạo thành cấu trúc khung hoàn thiện bằng chì xốp, thuận lợi cho việc sạc và xả tụ điện hai lớp. (3) Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy hình thái phát triển của đuôi gai chì là khác nhau với các cấu trúc than hoạt tính khác nhau và độ kết tinh của các vi tinh thể than chì cấu thành than hoạt tính và độ đều đặn của các khuyết tật bề mặt cao hơn, có độ kết tinh cao, độ dẫn điện tốt và đều đặn, điều này có lợi hơn cho sự hình thành các sợi nhánh cao hơn bề mặt, điều này có lợi cho sự thuận nghịch của chu trình điện cực. Khuyết điểm: (1) Than hoạt tính là cấu trúc lỗ bên trong có bề mặt riêng cao và điểm hoạt động tiến hóa hydro cao nên không dễ điều chỉnh thế năng tiến hóa hydro; (2) Sự lắng đọng chì sẽ làm tắc lỗ trống và điện dung của lớp điện kép sẽ phân rã dần theo tiến trình của chu kỳ; (3) Cấu trúc xốp có khả năng hấp phụ mạnh và sẽ thực hiện quá trình hấp phụ không thể đảo ngược của lignin trong điện cực.

than chì

Tác dụng: (1) J. Settelein đã nghiên cứu sự kết tinh của đuôi gai chì trên bề mặt than chì giãn nở và than chì hình cầu, và phát hiện ra rằng than chì giãn nở thuận lợi hơn cho sự phát triển của đuôi gai chì; (2) Karel Micka tin rằng than chì có tác dụng kháng cự ở điện cực âm, có thể ức chế sự phát triển của tinh thể chì sunfat; (3) Chúng tôi đã nghiên cứu sự tăng trưởng dendrite chì của than chì hình cầu và than chì vảy tự nhiên, và phát hiện ra rằng than chì vảy tự nhiên có lợi hơn cho sự hình thành các sợi nhánh có độ phân tán tốt, trong khi các sợi nhánh trên bề mặt của than chì hình cầu tạo thành cấu trúc lớp phủ xung quanh bề mặt của than chì hình cầu, không có lợi cho việc cải thiện diện tích bề mặt của chì xốp. Khuyết điểm: (1) thấp hơn bề mặt, không có hiệu ứng điện dung; (2) Hạt dày, mật độ cao, liều lượng lớn và hiệu ứng diện tích bề mặt không rõ ràng.

Ống nano carbon (Trọng tâm nghiên cứu)

Chức năng: (1) Ống nano carbon là vật liệu hai chiều có độ dẫn điện cao và đường dẫn dài, có lợi cho việc cải thiện độ dẫn điện của điện cực. (2) Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc bổ sung các ống nano carbon vào điện cực âm có thể cải thiện khả năng chấp nhận điện tích, đồng thời, nó có lợi hơn cho việc hình thành các hạt mịn của tinh thể chì sunfat trong quá trình phóng điện.
Khuyết điểm: (1) khó phân tán; (2) Giá tương đối đắt.

Graphene (Điểm nóng nghiên cứu)

Chức năng: (1) vật liệu hai chiều có tính dẫn điện tuyệt vời;
(2) Độ dẫn điện tuyệt vời, tạo ra phạm vi bức xạ dendrite chì rộng hơn;
(3) Sự hấp phụ thuận nghịch của lignin được hình thành bởi cấu trúc phẳng hai chiều;
(4) Tác dụng không gian đối với chì sunfat là đáng kể hơn;
(5) Rõ ràng hơn hiệu ứng diện tích bề mặt.
Khiếm khuyết: (1) cần phải hạn chế hơn nữa khả năng phát triển quá mức của hydro; (2) Chi phí sản xuất cần phải giảm hơn nữa.