<<
>>

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Мировая энергетика основывается прежде всего на потреблении так называе­мой первичной энергии [1, 2], основу которой составляют невозобновляемые источники энергии: ископаемое топливо (нефть, каменный уголь, природный газ), а также атомная энергия. Среди первичных энергоносителей важное ме­сто отводится ресурсам получения электроэнергии, подразделяющихся на: традиционные (ТЭС, ГЭС, АЭС - «Большая энергетика»; нетрадиционные (физические источники тока - приливные электростанции, использование энергии волн, геотермальные, ветроэлектростанции [3, 4], солнечные [5, 6] - «Малая энергетика») [1, 7], в которой особое место занимают химические источники тока [8] (неперезаряжаемые - первичные, перезаряжаемые - вто­ричные, аккумуляторы, ионисторы - суперконденсаторы) [9].

Проблемы акку­мулирования и передачи электрической энергии становятся все более актуаль­ными и в настоящее время занимают до 20% всех исследований и разработок в мире. В этой связи, создание эффективных источников тока особенно вос­требовано для обеспечения работы портативных устройств и автономных си­стем.

В этой связи химические источники тока, суперконденсаторы и топлив­ные элементы вызывают не только значительный прикладной, но и научный интерес. К примеру, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи (СК АБ), несмотря на свою более чем 150 летнюю историю традиционно используются в тех областях, где масса и размер не играют первостепенной роли (стационар­ные, тяговые и стартерные), кроме того всё еще остается большое количество проблем, требующих решения и выяснения механизмов, приводящих к ухуд­шению электрических характеристик. Работы по их улучшению с целью со­хранения СК АБ конкурентоспособности проводятся в основном за рубежом, так, к примеру, инвестиции международного консорциума ALABC (The Advanced Lead Acid Battery Consortium) позволили продлить срок службы СК АБ в 5 - 10 раз за последние 10 - 15 лет [10]. Согласно исследованиям Pike

Research [11, 12], усовершенствованные свинцово-кислотные батареи, не­смотря на постоянную конкуренцию с современными Li-ion, будут занимать значительную долю рынка для таких приложений как: электрические силовые установки, хранение энергии и бесперебойное питание, транспорт с системой Start-Stop, а к 2020 году будут занимать 25% мирового рынка источников тока. СК АБ получили широкое распространение за счет невысокой стоимости, про­стоты изготовления и утилизации и продолжают использоваться в автомоби­лестроении [13], в том числе для микрогибридных автомобилей, оборудован­ных автоматической системой «Start-Stop», которая становится все более по­пулярной в США, Европе и Японии. Солидность истории создания и примене­ния СК АБ, сопряженная с достаточно всесторонними исследованиями как процессов, протекающих в них, так и изменениям электрических свойств, не в полной мере позволили установить взаимосвязи их структурных особенностей на этапе изготовления с эксплуатационными характеристиками.

Таким образом, существующий уровень разработанности темы ис­следования, подчеркивает как особую роль структурных особенностей, так и прямо указывает на высокий уровень актуальности их исследования, научную и практическую значимость, особенно с учетом динамичного акцентирования на использовании микро- и наноматериалов, применяемых при создании СК АБ новых поколений.

Целью диссертационной работы являлось исследование закономерно­стей структурирования электродных материалов, установление механизмов связи структуры с физическими свойствами этих материалов.

Объект исследования: материалы для отрицательных и положитель­ных электродов свинцово-кислотного аккумулятора.

Предмет исследования: изменения морфологического строения кри­сталлических структур при формировании электродных материалов, вызван­ные включением в их состав углеродных активаторов с размерами, варьируе­

мыми в пределах от сотен микрон до нанометров, влияние углеродных акти­ваторов на рост кристаллов основных соединений и на физические процессы в этих материалах.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проанализировать влияние активаторов на фазовый состав и струк­туру электродных материалов свинцово-кислотного источника тока.

2. Исследовать связь структурных превращений в электродных матери­алах, вызванных введением активаторов, с их физическими характеристиками.

3. Разработать способы создания электродных материалов с улучшен­ными характеристиками.

4. Установить механизмы повышения эффективности разрядно-заряд­ных процессов в изучаемых электродных материалах.

5. Изучить возможности создания источников электрической энергии, в которых процессы зарядообразования основаны на интеркаляции без термоак­тивации.

Для достижения поставленной цели и решения указанных задач была применена методология, основанная на главной материаловедческой триаде «состав-структура-свойства».

Научная новизна работы.

Впервые с наноразмерным разрешением проведен последовательный и систематизированный анализ влияния содержания и размеров углеродных ак­тиваторов, вводимых в состав отрицательного (ОЭМ) и положительного элек­тродных материалов, на рост кристаллов основных соединений, а также до­полнение явлений переноса (диффузии, миграции и конвекции) явлением электроосмоса, возникающим в условиях повышенной пористости и развито­сти поверхностей.

На защиту выносятся:

1. Модель барьерно-блокировочного механизма, основанного на влия­нии содержания углеродных активаторов, вводимых в состав электродных ма­териалов, согласно которому на стадии дозревания при их содержании

0.6 % >с > 0 блокируется рост кристаллов трехосновного сульфата свинца, а при с > 0.6% активизируется процесс их рекристаллизации.

2. Механизм электроосмотического заполнения электролитом дендридо- подобных структур микро- и наноразмерных пор в активной массе, обуслов­ленный введением углеродных активаторов с развитой поверхностью, напря­женностью электрического поля и присутствием двойного электрического слоя, приводящей к дополнительному формированию сульфатной пленки, ко­торая объясняет экспериментально наблюдаемое повышение эффективности зарядно-разрядных процессов в электродах.

3. Экспериментально обнаруженное возникновение разности потенциа­лов между поверхностью меди и ультрадисперсным графитом, которое проис­ходит за счет интеркаляции меди в структуру упорядоченного в поверхност­ном углеродном слое ультрадисперсного графита, обусловленное низкой энер­гией активации диффузии меди на границе между медью и графитом, продол­жающейся до полного растворения меди в графите.

Теоретическая значимость работы.

Показано, что за счет высокоразвитой системы пор, в условиях суще­ствования у взаимодействующих ионов сольватной оболочки (двойного элек­трического слоя), при разрядно-зарядных процессах возникают электроосмо­тические явления внутри пор. С использованием уравнения Навье-Стокса по­лучено ненулевое значение скорости потока электролита внутри пор (диамет­ром J∩), составившее Кэл(х) = 4.9? 10-8 м/с, приводящего при условии dτl

<< | >>
Источник: Харсеев Виктор Алексеевич. ВЛИЯНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук. Курск - 2019. 2019

Еще по теме ВВЕДЕНИЕ:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. ВВЕДЕНИЕ
  3. Введение
  4. ВВЕДЕНИЕ
  5. ВВЕДЕНИЕ
  6. ВВЕДЕНИЕ
  7. Введение
  8. ВВЕДЕНИЕ
  9. Введение
  10. ВВЕДЕНИЕ
  11. ВВЕДЕНИЕ
  12. Введение
  13. ВВЕДЕНИЕ
  14. Введение
  15. Технический углерод
  16. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  17. Гибридный углерод
  18. 3.4.1. Барьерно-блокировочный механизм
  19. Применение ингибиторов КРН