دانلود پایان نامه ارشد:بررسی اثر نانوذرات در بهبود عملکرد باتری سرب- اسید

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته :شیمی

گرایش :شیمی فیزیک

عنوان : بررسی اثر نانوذرات در بهبود عملکرد باتری سرب- اسید

دانشگاه ارومیه

دانشکده علوم

 

پایان نامه ­ جهت اخذ درجه­ کارشناسی ارشد

رشته­ ی شیمی ( گرایش شیمی فیزیک)

 

تحت عنوان:

      بررسی اثر نانوذرات در بهبود عملکرد باتری سرب- اسید

استاد راهنمای اول: دکتر سپیده بانی­سعید

استاد راهنمای دوم: پروفسور خلیل فرهادی

بهمن93

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده:

نانوذرات باریم سولفات (BaSO₄) به­عنوان افزودنی به خمیر مواد فعال منفی (NAM) باتری سرب اسیدی معرفی گردید. ابتدا نانوذرات باریم سولفات با بهره گرفتن از گلیسرول به­عنوان عامل کنترل کننده­ اندازه­ ذرات سنتز شد. گلیسرول یک ترکیب ساده­ی پلی­ال است و روش­های سنتزی که از آن استفاه می­ کنند، سبز هستند زیرا گلسیرول در محیط­های هوازی تخریب می­شود. مشخصه یابی ذرات سنتز شده با میکروسکوپ الکترون پویشی (SEM) و پراش پرتو ایکس (XRD) تکمیل گردید. ذرات باریم سولفات با توزیع اندازه­ یکنواخت در اندازه­ نانو تهیه شد. آزمایش­ها با الکترود منفی باتری سرب اسید 12 ولتی تهیه شده از نانوذرات باریم سولفات (BaSO₄) انجام گرفت. مشخص شد که الکترود منفی دارای نانوذرات BaSO₄ به­طور چشمگیری استارت سرد و ظرفیت اولیه­ی پایدارتری نسبت به الکترود منفی بدون نانوذرات نشان میدهد. بنابراین نانوذرات باریم سولفات عملکرد باتری سرب اسیدی را بهبود می­بخشد. در بخش بعدی این رساله برای اولین بار، اثر حضور سدیم فلورید (NaF) و سدیم هگزامتافسفات (SHMP) به­عنوان افزودنی الکترولیت باتری سرب اسیدی، در تولید هیدروژن و اکسیژن و تولید لایه­ی آندی روی الکترود سرب با آلیاژ مشخص با ولتامتری چرخه­ای و خطی در محلول آبی اسید سولفوریک، مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که با حضور این افزودنی­ها در الکترولیت، اورپتانسیل تولید هیدروژن و اکسیژن افزایش می­یابد، و بنابراین ساختار چرخه­ای لایه­ی PbSO₄ تغییر میکند. نتایج مشخص می­ کند که افزودنی­های پیشنهادی از تجمع پیشرفته­ی سرب سولفات جلوگیری کرده و بنابراین چرخه­ی عمر باتری سرب اسید را افزایش می­دهد.

فهرست مطالب

1-1 اساس باتری سرب اسیدی.. 2

1-1- 1 تهیه‌ی صنعتی سرب اکسیدی.. 4

1-1-1-1 دیگ بارتن (Barton-pot). 4

1-1-1-2 آسیاب گلولهای (Ball mill). 5

1-1-2: تهیه‌ی صنعتی الکترودها 7

1-1-3 ساختار مواد الکترود. 8

1-1-3-1 ساختار مواد فعال مثبت (PAM). 8

1-1-3-2 ساختار مواد فعال منفی (NAM). 10

1-1-4 الکترولیت… 12

1-1-5 ساختار سِل و واکنش‌ها 13

1-1-5-1 الکترود مثبت: 14

1-1-5-2 الکترود منفی.. 15

1-1-6 کیورینگ الکترودهای خمیر مالی شده‌ی باتری.. 16

1-1-7 فرایندهای شارژ و دشارژ. 17

1-2 افزودنی‌ها 19

1-2-1 افزودنی به خمیر صفحات منفی.. 19

1-2-1-1اکسپندر. 19

1-2-2 افزودنی به خمیر مثبت… 32

1-2-3 افزودنی الکترولیت… 33

1-3 کاربرد فناوری نانو در باتری سرب- اسید. 34

1-3-1 فناوری نانو. 35

1-3-2 نانوذرات باریم سولفات (BaSO₄). 37

4-1هدف از کار حاضر. 39

2-1 مواد و تجهیزات استفاده‌شده. 40

2-2 سنتز نانو ذرات باریم سولفات… 41

2-3 روش‌های بررسی اثر نانو ذرات باریم سولفات… 42

2-3-1 تکنیک‌های آزمایشگاهی و الکتروشیمیایی.. 42

2-3-2 آماده‌سازی خمیر برای باتری سرب اسیدی.. 43

2-3-2-1 محاسبات مواد فعال برای باتری استارتی (SLI) 30Ah در ƞ_PAM = 50% و ƞ_NAM = 45%… 43

2-3-2-2 محاسبه­ی محتوای فاز جامد در خمیر. 45

2-3-3 تهیه‌ی باتری جهت بررسی عملکرد آن در حضور نانوذره­ی BaSO₄ 47

2-3-3-1 تهیه‌ی خمیر منفی.. 48

2-4 سیستم مطالعه‌ای افزودنی الکترولیتی.. 53

3-1 سنتز نانوذرات باریم سولفات… 55

3-1-1 بهینه سازی غلظت واکنش‌دهنده‌ها 59

3-1-2 بهینه‌سازی دمای واکنش…. 61

3-1-3 بهینه‌سازی حجم محلول آماده‌سازی.. 63

3-1-4 بهینه‌سازی دور همزدن.. 65

3-2 بررسی اثر نانوذرات باریم سولفات بر رفتار الکتروشیمیایی و عملکرد باتری سرب اسید. 67

3-2-1 بررسی خواص الکتروشیمی الکترود خمیر کربن/ اکسید سرب در حضور نانوذرات BaSO₄ 67

3-2-1-1 بهینه‌سازی مقدار پودر اکسید سرب (PbO) با درجه‌ی اکسیداسیون 80%. 68

3-2-1-2 بهینه‌سازی غلظت الکترولیت اسیدسولفوریک (H₂SO₄). 69

3-2-1-3 بهینه‌سازی مقدار نانوذرهی باریم سولفات در خمیر کربن.. 70

3-2-2 بررسی اثر نانوذرات BaSO₄ در بهبود عملکرد باتری سرب اسید.. 73

3-2-2-1 نتایج آنالیز شبکه‌ی مصرفی.. 73

3-2-2-2 نتایج درصد سرب آزاد. 75

3-2-2-1 تست ظرفیت اولیه. 75

3-2-2-2 تست استارت سرد. 77

3-2-2-3 تست شارژ پذیری.. 80

3-3 بررسی تاثیرافزودنیهای الکترولیتی بر عملکرد باتریهای سرب اسید. 81

3-3-1 تولید و احیاء لایه‌ی اکسیدی در سطح الکترود Pb. 83

3-3-1-1 بررسی مکانیسم اثر سدیم فلورید در ولتامتری چرخه‌ای الکترود سرب… 83

3-3-1-2 بررسی اثر سدیم هگزامتافسفات در ولتامتری چرخه‌ای الکترود سرب: 85

3-3-2 پتانسیل تولید هیدروژن.. 86

3-3-3 پتانسیل تولید اکسیژن.. 88

3-3-4 محل و ارتفاع پیک جریان آندی.. 91

3-3-5 برگشت‌پذیری.. 92

نتیجه­گیری.. 94

مراجع: 95

فهرست شکل­ها:

شکل1- 1: اجزای تشکیل‌دهنده‌ی باتری سرب اسیدی. 3

شکل1- 2: شمای واحد بارتن. 5

شکل1- 3: شمای انواع واحد بارتن. الف) آسیاب گلوله ای کونیکال، ب) میل اکسید سرب کلرید. 6

شکل1- 4: ساختار دوگانه­ی PAM. 9

شکل1- 5: تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) برای ساختار سه نوع از ذرات PbO₂. 9

شکل1- 6: توزیع ساختار ناهمگن در حجم زیاد ذرات PbO₂. 10

شکل1- 7: کریستال­های سرب که در شبکه‌ی اسکلتی به هم وصل شده‌اند  11

شکل1- 8: فرایندهای انتقال یون. 12

شکل1- 9: فرایندهای شارژ و دشارژ در باتری سرب اسید. 18

شکل1- 10: فرمول فردونبرگ برای لیگنین. 22

شکل1- 11: تصویری از لایه‌ی PbSO₄. 23

شکل1- 12: تغییرات اولیه‌ی پتانسیل در پلاریزاسیونهای سرعت‌بالای صفحه‌ی منفی   28

شکل1- 13: (آ) تصاویر SEM میکرو ساختاری ذرات باریم سولفات   29

شکل1- 14: تغییر در زمان دشارژ ( ظرفیت). 30

شکل1- 15: اثر حضور BaSO₄ در NAM در عملکرد ظرفیت سل در چرخه با سرعت دشارژ 20 ساعت [55]. 31

شکل1- 16: تعداد کل چرخه‌های HRPSoC انجام‌شده به‌عنوان تابعی از مقدار BaSO₄ در NAM [54]. 31

شکل1- 17: شماتیک سنتز مواد در اندازه‌ی نانو. 36

شکل1- 18: ساختار کریستالی پیش‌بینی‌شده‌ی ارترومبیک باریم سولفات [123]. 38

شکل2- 1: شماتیک الکترود استفاده‌شده برای بررسی اثر نانو ذرات BaSO₄ . 42

شکل2- 2: حجم محلول H₂SO₄ ( 1/4 یا 1/18 g cm^-3) نسبت‌های متفاوتی از H₂SO₄/ LO. [2]. 47

شکل2- 3: پلیت‌های مثبت و منفی استفاده‌شده در مونتاژ باتری. 50

شکل2- 4: واحدهای باتری مونتاژ شده. 52

شکل 3- 1: ساختار گلیسرول. 54

شکل 3- 2: لیپوزوم گلیسرولی که یون‌های SO₄^-1 را به سبب پیوند هیدروژنی احاطه کرده است. 55

شکل 3- 3: مکانیسم تشکیل نانوذرات BaSO4. 56

شکل 3- 4: مکانیسم ممانعت فضایی گلیسیرین و کنترل اندازه‌ی نانوذرات BaSO4. 57

شکل 3- 5: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)، برای بهینه‌سازی غلظت واکنش‌دهنده‌ها. 59

شکل 3- 6: تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) مربوط به بهینه‌سازی دمای واکنش. 61

شکل 3- 7: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) ب برای بهینه‌سازی حجم محلول آماده‌سازی. 63

شکل 3- 8: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)،  در بهینه سازی دور همزن مغناطیسی. 65

شکل 3- 9: نتیجه­ی XRD نمونهی باریم سولفات سولفات. 65

شکل 3- 10: ولتاموگرامهای ولتامتری چرخه‌ای الکترود خمیر کربن برای بهینه‌سازی پودر اکسید سرب. 68

شکل 3- 11: ولتاموگرام ولتامتری چرخه‌ای برای بهینه‌سازی غلظت الکترولیت.. 69

شکل 3- 12: نمودارهای ولتامتری چرخه‌ای برای بهینه‌سازی مقدار نانوذره‌ی باریم سولفات BaSO₄. 71

شکل 3- 13: نمودار کالیبراسیون مقدار نانوذره‌ی BaSO₄. 71

شکل 3- 14: ولتاموگرام چرخه‌ای مقایسه‌ای BaSO₄ معمولی با نانوذرات BaSO. 72

شکل 3- 15: نمودار ولتاژ بر حسب زمان به‌منظور شبیه‌سازی استارت ماشین ثبت‌شده است. 76

شکل 3- 16: نمودار ولتاژ نسبت به زمان. برای تعیین t_6v. 78

شکل 3- 18: ولتاموگرام چرخه‌ای در محلول الکترولیت در حضور و عدم حضور افزودنی الکترولیت. 83

شکل 3- 21: پتانسیل احیا هیدروژن در غلظت‌های متفاوتی از افزودنی الکترولیت.. 87

 شکل 3- 25: ارتفاع پیک جریان اکسیداسیون Pb در حضور افزودنی‌های الکترولیتی پیشنهادی با غلظت‌های متفاوت……..90

شکل 3- 26: محل پیک اکسیداسیون Pb به PbSO₄ در حضور افزودنی الکترولیتی پیشنهادی در غلظت‌های متفاوت………92

شکل 3- 27: نمودار اختلاف‌پتانسیل (برگشت‌پذیری) بر اساس غلظت افزودنی الکترولیتی پیشنهادی……………………………..93

فهرست جدول‌ها:

جدول1- 1: چگالی ویژه نسبی­ی اسیدسولفوریک و شرایط شارژ در باتری سرب اسید. 13

جدول1- 2: انواع مختلف کربن استفاده‌شده در ترکیب اکسپنذرها. 25

جدول1- 3: خصوصیات ساختاری PbSO₄، BaSO₄، SrSO₄. 27

جدول1- 4: روش‌های متنوعی برای سنتز مواد در اندازه‌ی نانو. 37

جدول2- 1: لیست مواد استفاده‌شده. 40

جدول2- 2: لیست تجهیزات استفاده‌شده. 41

جدول2- 3: وزن مولکولی و حجم مولی مواد فعال لازم برای محاسبات [4]. 46

جدول2- 4: درصد وزنی مواد تشکیل‌دهنده‌ی خمیر منفی. 48

جدول2- 5: برنامه شارژ باتری استارتی نوع A و B.. 53

جدول2- 6: لیست افزودنی الکترولیت محلول H₂SO₄ و مشخصات کلی آن‌ها. 54

جدول3- 1: مشخصات محلول‌های استفاده‌شده برای بهینه سازی غلظت واکنش دهنده ها. 59

جدول3- 2: شرایط آزمایشی برای بهینه سازی دمای واکنش. 61

جدول3- 3: شرایط واکنش شیمیایی برای بهینه­سازی حجم محلول آماده‌سازی. 63

جدول3- 4: شرایط واکنش رسوبگیری نانوذره­ی BaSO₄ برای بهینه سازی دور هم زدن. 65

جدول3- 5: مشخصات الکترودهای خمیر کربن آماده شده برای بهینه­سازی مقدار اکسید سرب PbO. 67

جدول3- 6: مشخصات مواد تشکیل‌دهنده‌ی خمیر کربن برای بهینه­سازی مقدار نانوذره­ی BaSO₄ 70

جدول3- 7: آنالیز سرب مصرفی در تولید اسکلت خام شبکه. 74

جدول3- 8: نتایج اندازه‌گیری سرب آزاد برای پلیت­های منفی. 75

جدول3- 9: نتایج دوبار تست ظرفیت اولیه برای دو نوع باتری. 76

جدول3- 10: نتایج استارت سرد. 79

جدول3- 11: نتایج تست شارژپذیری. 80

فصل اول:

 مقدمه­ای بر باتریهای سرب اسید

1-1 اساس باتری سرب اسیدی

باتری سرب اسید اولین باتری قابل شارژ موفق ازنظر تجاری بود و تاکنون پیشرفت‌های روزافزونی داشته است [1]. در سال 1859، فیزیکدان فرانسوی گوستون پلنت[1] پلاریزاسیون بین دو الکترود مشخص غوطه‌ور در محلول‌های آبی رقیق از اسید سولفوریک را مطالعه کرد. او الکترودهای مختلف شامل؛ نقره، سرب، قلع، طلا، پلاتنیوم و آلومینیوم را موردبررسی قرارداد و دریافت که بر اساس نوع الکترود استفاده‌شده، وقتی جریان الکتریکی از درون الکترودها عبور می‌کند، سل‌ها به اندازه‌های متفاوتی پلاریزه شده و تولیدکننده‌ی جریان معکوس می‌شوند. وی نتایج تمامی مشاهدات خود را در مقاله‌ای تحت عنوان “تحقیقات درزمینه‌ی قطبش ولتایی‌[2]” در سال 1859 در کومپتس رندوس[3] از دانشکده‌ی علوم فرانسه چاپ کرد [2].

یک باتری سرب اسید بزرگ (12V)، از 6 سِل که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند تشکیل‌شده است که هرکدام حدود 2 ولت پتانسیل ایجاد می‌کنند. هر سِل شامل دو نوع شبکه‌ی سربی است که با مصالح سربی پوشانیده شده است. آند سرب اسفنجی Pb و کاتد PbO₂ پودری است. شبکه‌ها در محلول الکترولیت 4-5 مولار اسید سولفوریک غوطه‌ور هستند و صفحه‌های فیبر شیشه‌ای[4] بین الکترودها قرار داده می‌شود تا از اتصال فیزیکی بین صفحات و ایجاد اتصال بین آن‌ها جلوگیری شود. زمانی که سِل دشارژ می‌شود، به‌عنوان یک سِل ولتایی انرژی الکتریکی را به کمک واکنش زیر ایجاد می‌کند:

آند (اکسیداسیون):

Pb(s) + SO₄^2-(aq) → PbSO₄(s) + 2e^–                                                 (1-1)

کاتد (احیا):

PbO₂(s) + 4H⁺(aq) + SO₄^2-(aq) + 2e^– → PbSO₄(s) + 2H₂O(l)           (1-2)

همانگونه که مشاهده میشود محصول هر دونیم واکنش یون Pb²⁺ است، یکی در طول اکسیداسیون Pb و دیگری در طی احیا PbO₂ تولید می‌شود. در هر دو الکترود یون‌های Pb²⁺ با SO₄^2- واکنش می‌دهد تا PbSO₄ را که در اسیدسولفوریک نامحلول است، تولید کند [3].

واکنش الکتروشیمی کل با معادله‌ی زیر نمایش داده می‌شود [4]:

Pb(s) + PbO₂(s) + 2H₂SO₄ (aq) ↔ 2PbSO₄(s) + 2H₂O (l)                 (1-3)

شبکه‌ها بخش مهمی از سل‌های ذخیره‌ای هستند زیرا مواد فعال پشتیبانی کرده و هادی جریان الکتریکی هستند. معمولا وزن شبکه­ها و طراحی ساختار آن­ها برای صفحات مثبت و منفی سل­ها یکسان است. امروزه باتری‌های تهیه‌شده از سرب، باتری‌های کاربردی در سطح جهان هستند [5]. اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یک باتری سرب اسید در شکل (1-1) نشان داده‌شده است.

تعداد صفحه : 116

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       asa.goharii@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

 

در صورتیکه با پرداخت آنلاین مشکلی دارید می توانید مبلغ مربوط به هر فایل را به شماره کارت 6037991199500590 به نام خيريه محک واريز کرده و تصوير پرداختي و عنوان فايل درخواستي را به ایمیل asa.gohari@gmail.com

ارسال کرده تا فايل برایتان ارسال شود.