Get a site

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

بهمن۹۳

(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 ۱۲ 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

۱-۱ اساس باتری سرب اسیدی.. ۲

۱-۱- ۱ تهیه‌ی صنعتی سرب اکسیدی.. ۴

۱-۱-۱-۱ دیگ بارتن (Barton-pot). 4

۱-۱-۱-۲ آسیاب گلولهای (Ball mill). 5

۱-۱-۲: تهیه‌ی صنعتی الکترودها ۷

۱-۱-۳ ساختار مواد الکترود. ۸

۱-۱-۳-۱ ساختار مواد فعال مثبت (PAM). 8

۱-۱-۳-۲ ساختار مواد فعال منفی (NAM). 10

۱-۱-۴ الکترولیت… ۱۲

۱-۱-۵ ساختار سِل و واکنش‌ها ۱۳

۱-۱-۵-۱ الکترود مثبت: ۱۴

۱-۱-۵-۲ الکترود منفی.. ۱۵

۱-۱-۶ کیورینگ الکترودهای خمیر مالی شده‌ی باتری.. ۱۶

۱-۱-۷ فرایندهای شارژ و دشارژ. ۱۷

۱-۲ افزودنی‌ها ۱۹

۱-۲-۱ افزودنی به خمیر صفحات منفی.. ۱۹

۱-۲-۱-۱اکسپندر. ۱۹

۱-۲-۲ افزودنی به خمیر مثبت… ۳۲

۱-۲-۳ افزودنی الکترولیت… ۳۳

۱-۳ کاربرد فناوری نانو در باتری سرب- اسید. ۳۴

۱-۳-۱ فناوری نانو. ۳۵

۱-۳-۲ نانوذرات باریم سولفات (BaSO4). 37

۴-۱هدف از کار حاضر. ۳۹

۲-۱ مواد و تجهیزات استفاده‌شده. ۴۰

۲-۲ سنتز نانو ذرات باریم سولفات… ۴۱

۲-۳ روش‌های بررسی اثر نانو ذرات باریم سولفات… ۴۲

۲-۳-۱ تکنیک‌های آزمایشگاهی و الکتروشیمیایی.. ۴۲

۲-۳-۲ آماده‌سازی خمیر برای باتری سرب اسیدی.. ۴۳

۲-۳-۲-۱ محاسبات مواد فعال برای باتری استارتی (SLI) 30Ah در ƞPAM = 50% و ƞNAM = 45%… 43

۲-۳-۲-۲ محاسبه­ی محتوای فاز جامد در خمیر. ۴۵

۲-۳-۳ تهیه‌ی باتری جهت بررسی عملکرد آن در حضور نانوذره­ی BaSO4 47

۲-۳-۳-۱ تهیه‌ی خمیر منفی.. ۴۸

۲-۴ سیستم مطالعه‌ای افزودنی الکترولیتی.. ۵۳

۳-۱ سنتز نانوذرات باریم سولفات… ۵۵

۳-۱-۱ بهینه سازی غلظت واکنش‌دهنده‌ها ۵۹

۳-۱-۲ بهینه‌سازی دمای واکنش…. ۶۱

۳-۱-۳ بهینه‌سازی حجم محلول آماده‌سازی.. ۶۳

۳-۱-۴ بهینه‌سازی دور همزدن.. ۶۵

۳-۲ بررسی اثر نانوذرات باریم سولفات بر رفتار الکتروشیمیایی و عملکرد باتری سرب اسید. ۶۷

۳-۲-۱ بررسی خواص الکتروشیمی الکترود خمیر کربن/ اکسید سرب در حضور نانوذرات BaSO4 67

۳-۲-۱-۱ بهینه‌سازی مقدار پودر اکسید سرب (PbO) با درجه‌ی اکسیداسیون ۸۰%. ۶۸

۳-۲-۱-۲ بهینه‌سازی غلظت الکترولیت اسیدسولفوریک (H2SO4). 69

۳-۲-۱-۳ بهینه‌سازی مقدار نانوذرهی باریم سولفات در خمیر کربن.. ۷۰

۳-۲-۲ بررسی اثر نانوذرات BaSO4 در بهبود عملکرد باتری سرب اسید.. ۷۳

۳-۲-۲-۱ نتایج آنالیز شبکه‌ی مصرفی.. ۷۳

۳-۲-۲-۲ نتایج درصد سرب آزاد. ۷۵

۳-۲-۲-۱ تست ظرفیت اولیه. ۷۵

۳-۲-۲-۲ تست استارت سرد. ۷۷

۳-۲-۲-۳ تست شارژ پذیری.. ۸۰

۳-۳ بررسی تاثیرافزودنیهای الکترولیتی بر عملکرد باتریهای سرب اسید. ۸۱

۳-۳-۱ تولید و احیاء لایه‌ی اکسیدی در سطح الکترود Pb. 83

۳-۳-۱-۱ بررسی مکانیسم اثر سدیم فلورید در ولتامتری چرخه‌ای الکترود سرب… ۸۳

۳-۳-۱-۲ بررسی اثر سدیم هگزامتافسفات در ولتامتری چرخه‌ای الکترود سرب: ۸۵

۳-۳-۲ پتانسیل تولید هیدروژن.. ۸۶

۳-۳-۳ پتانسیل تولید اکسیژن.. ۸۸

۳-۳-۴ محل و ارتفاع پیک جریان آندی.. ۹۱

۳-۳-۵ برگشت‌پذیری.. ۹۲

نتیجه ­گیری.. ۹۴

مراجع: ۹۵

فهرست شکل­ها:

شکل۱- ۱: اجزای تشکیل‌دهنده‌ی باتری سرب اسیدی. ۳

شکل۱- ۲: شمای واحد بارتن. ۵

شکل۱- ۳: شمای انواع واحد بارتن. الف) آسیاب گلوله ای کونیکال، ب) میل اکسید سرب کلرید. ۶

شکل۱- ۴: ساختار دوگانه­ی PAM. 9

شکل۱- ۵: تصویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) برای ساختار سه نوع از ذرات PbO2. 9

شکل۱- ۶: توزیع ساختار ناهمگن در حجم زیاد ذرات PbO2. 10

شکل۱- ۷: کریستال­های سرب که در شبکه‌ی اسکلتی به هم وصل شده‌اند  ۱۱

شکل۱- ۸: فرایندهای انتقال یون. ۱۲

شکل۱- ۹: فرایندهای شارژ و دشارژ در باتری سرب اسید. ۱۸

شکل۱- ۱۰: فرمول فردونبرگ برای لیگنین. ۲۲

شکل۱- ۱۱: تصویری از لایه‌ی PbSO4. 23

شکل۱- ۱۲: تغییرات اولیه‌ی پتانسیل در پلاریزاسیونهای سرعت‌بالای صفحه‌ی منفی   ۲۸

شکل۱- ۱۳: (آ) تصاویر SEM میکرو ساختاری ذرات باریم سولفات   ۲۹

شکل۱- ۱۴: تغییر در زمان دشارژ ( ظرفیت). ۳۰

شکل۱- ۱۵: اثر حضور BaSO4 در NAM در عملکرد ظرفیت سل در چرخه با سرعت دشارژ ۲۰ ساعت [۵۵]. ۳۱

شکل۱- ۱۶: تعداد کل چرخه‌های HRPSoC انجام‌شده به‌عنوان تابعی از مقدار BaSO4 در NAM [54]. 31

شکل۱- ۱۷: شماتیک سنتز مواد در اندازه‌ی نانو. ۳۶

شکل۱- ۱۸: ساختار کریستالی پیش‌بینی‌شده‌ی ارترومبیک باریم سولفات [۱۲۳]. ۳۸

شکل۲- ۱: شماتیک الکترود استفاده‌شده برای بررسی اثر نانو ذرات BaSO4 . 42

شکل۲- ۲: حجم محلول H2SO4 ( 1/4 یا ۱/۱۸ g cm-3) نسبت‌های متفاوتی از H2SO4/ LO. [2]. 47

شکل۲- ۳: پلیت‌های مثبت و منفی استفاده‌شده در مونتاژ باتری. ۵۰

شکل۲- ۴: واحدهای باتری مونتاژ شده. ۵۲

شکل ۳- ۱: ساختار گلیسرول. ۵۴

شکل ۳- ۲: لیپوزوم گلیسرولی که یون‌های SO4-1 را به سبب پیوند هیدروژنی احاطه کرده است. ۵۵

شکل ۳- ۳: مکانیسم تشکیل نانوذرات BaSO4. 56

شکل ۳- ۴: مکانیسم ممانعت فضایی گلیسیرین و کنترل اندازه‌ی نانوذرات BaSO4. 57

شکل ۳- ۵: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)، برای بهینه‌سازی غلظت واکنش‌دهنده‌ها. ۵۹

شکل ۳- ۶: تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) مربوط به بهینه‌سازی دمای واکنش. ۶۱

شکل ۳- ۷: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) ب برای بهینه‌سازی حجم محلول آماده‌سازی. ۶۳

شکل ۳- ۸: تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM)،  در بهینه سازی دور همزن مغناطیسی. ۶۵

شکل ۳- ۹: نتیجه­ی XRD نمونهی باریم سولفات سولفات. ۶۵

شکل ۳- ۱۰: ولتاموگرامهای ولتامتری چرخه‌ای الکترود خمیر کربن برای بهینه‌سازی پودر اکسید سرب. ۶۸

شکل ۳- ۱۱: ولتاموگرام ولتامتری چرخه‌ای برای بهینه‌سازی غلظت الکترولیت.. ۶۹

شکل ۳- ۱۲: نمودارهای ولتامتری چرخه‌ای برای بهینه‌سازی مقدار نانوذره‌ی باریم سولفات BaSO4. 71

شکل ۳- ۱۳: نمودار کالیبراسیون مقدار نانوذره‌ی BaSO4. 71

شکل ۳- ۱۴: ولتاموگرام چرخه‌ای مقایسه‌ای BaSO4 معمولی با نانوذرات BaSO. 72

شکل ۳- ۱۵: نمودار ولتاژ بر حسب زمان به‌منظور شبیه‌سازی استارت ماشین ثبت‌شده است. ۷۶

شکل ۳- ۱۶: نمودار ولتاژ نسبت به زمان. برای تعیین t6v. 78

شکل ۳- ۱۸: ولتاموگرام چرخه‌ای در محلول الکترولیت در حضور و عدم حضور افزودنی الکترولیت. ۸۳

شکل ۳- ۲۱: پتانسیل احیا هیدروژن در غلظت‌های متفاوتی از افزودنی الکترولیت.. ۸۷

 شکل ۳- ۲۵: ارتفاع پیک جریان اکسیداسیون Pb در حضور افزودنی‌های الکترولیتی پیشنهادی با غلظت‌های متفاوت……..۹۰

شکل ۳- ۲۶: محل پیک اکسیداسیون Pb به PbSO4 در حضور افزودنی الکترولیتی پیشنهادی در غلظت‌های متفاوت………۹۲

شکل ۳- ۲۷: نمودار اختلاف‌پتانسیل (برگشت‌پذیری) بر اساس غلظت افزودنی الکترولیتی پیشنهادی……………………………..۹۳

فهرست جدول‌ها:

جدول۱- ۱: چگالی ویژه نسبی­ی اسیدسولفوریک و شرایط شارژ در باتری سرب اسید. ۱۳

جدول۱- ۲: انواع مختلف کربن استفاده‌شده در ترکیب اکسپنذرها. ۲۵

جدول۱- ۳: خصوصیات ساختاری PbSO4، BaSO4، SrSO4. 27

جدول۱- ۴: روش‌های متنوعی برای سنتز مواد در اندازه‌ی نانو. ۳۷

جدول۲- ۱: لیست مواد استفاده‌شده. ۴۰

جدول۲- ۲: لیست تجهیزات استفاده‌شده. ۴۱

جدول۲- ۳: وزن مولکولی و حجم مولی مواد فعال لازم برای محاسبات [۴]. ۴۶

جدول۲- ۴: درصد وزنی مواد تشکیل‌دهنده‌ی خمیر منفی. ۴۸

جدول۲- ۵: برنامه شارژ باتری استارتی نوع A و B.. 53

جدول۲- ۶: لیست افزودنی الکترولیت محلول H2SO4 و مشخصات کلی آن‌ها. ۵۴

جدول۳- ۱: مشخصات محلول‌های استفاده‌شده برای بهینه سازی غلظت واکنش دهنده ها. ۵۹

جدول۳- ۲: شرایط آزمایشی برای بهینه سازی دمای واکنش. ۶۱

جدول۳- ۳: شرایط واکنش شیمیایی برای بهینه­سازی حجم محلول آماده‌سازی. ۶۳

جدول۳- ۴: شرایط واکنش رسوبگیری نانوذره­ی BaSO4 برای بهینه سازی دور هم زدن. ۶۵

جدول۳- ۵: مشخصات الکترودهای خمیر کربن آماده شده برای بهینه­سازی مقدار اکسید سرب PbO. 67

جدول۳- ۶: مشخصات مواد تشکیل‌دهنده‌ی خمیر کربن برای بهینه­سازی مقدار نانوذره­ی BaSO4 70

جدول۳- ۷: آنالیز سرب مصرفی در تولید اسکلت خام شبکه. ۷۴

جدول۳- ۸: نتایج اندازه‌گیری سرب آزاد برای پلیت­های منفی. ۷۵

جدول۳- ۹: نتایج دوبار تست ظرفیت اولیه برای دو نوع باتری. ۷۶

جدول۳- ۱۰: نتایج استارت سرد. ۷۹

جدول۳- ۱۱: نتایج تست شارژپذیری. ۸۰

فصل اول:

 مقدمه­ای بر باتریهای سرب اسید

۱-۱ اساس باتری سرب اسیدی

باتری سرب اسید اولین باتری قابل شارژ موفق ازنظر تجاری بود و تاکنون پیشرفت‌های روزافزونی داشته است [۱]. در سال ۱۸۵۹، فیزیکدان فرانسوی گوستون پلنت[۱] 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[۲]” در سال ۱۸۵۹ در کومپتس رندوس[۳] از دانشکده‌ی علوم فرانسه چاپ کرد [۲].

یک باتری سرب اسید بزرگ (۱۲V)، از ۶ سِل که به‌صورت سری به هم متصل شده‌اند تشکیل‌شده است که هرکدام حدود ۲ 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 ۴-۵ مولار اسید سولفوریک غوطه‌ور هستند و صفحه‌های فیبر شیشه‌ای[۴] 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) + SO42-(aq) → PbSO4(s) + 2e                                                (۱-۱)

کاتد (احیا):

PbO2(s) + 4H+(aq) + SO42-(aq) + 2e → PbSO4(s) + 2H2O(l)           (۱-۲)

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 SO42- واکنش می‌دهد تا PbSO4 را که در اسیدسولفوریک نامحلول است، تولید کند [۳].

واکنش الکتروشیمی کل با معادله‌ی زیر نمایش داده می‌شود [۴]:

Pb(s) + PbO2(s) + 2H2SO4 (aq) ↔ ۲PbSO4(s) + 2H2O (l)                 (۱-۳)

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 [۵]. اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یک باتری سرب اسید در شکل (۱-۱) نشان داده‌شده است.

تعداد صفحه : ۱۱۶

قیمت : ۱۴۷۰۰تومان

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 :        *       [email protected]

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.

 

[add_to_cart id=153723]

—-

پشتیبانی سایت :       

*