Ключевые слова: батареи, катоды, аноды, кристалличность, плотность, пикнометрия
Кристалличность порошковых катодных и анодных компонентов батареи играет ключевую роль в свойствах, относящихся к переносу электродов. Газовая пикнометрия может использоваться для оценки скелетной плотности этих компонентов, которая затем может быть соотнесена с кристалличностью. Для решения этой задачи, чтобы определить относительную кристалличность, требуются исключительно точные измерения объема, как, например, выполняемые с использованием прибора Ultrapyc 5000.
1 Введение
Усовершенствование электродных компонентов батареи для достижения более быстрого и эффек-тивного переноса энергии – важная часть научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в области материалов для батарей. В частности, кристалличность – критически важное свойство твердых компонентов электродов батареи, так как она делает возможным эффективное прохождение ионов через анод и катод вместо их замедления в аморфных средах. Чем выше кристалличность анодного и катодного компонента, тем эффективнее перенос электронов через эти компоненты и между ними.
Кристалличность влияет на объем материала, а степень кристалличности можно определить, ис-пользуя метод, позволяющий измерить скелетный объем, например, метод газовой пикнометрии. Масса образца и его измеренный скелетный объем используются для вычисления скелетной плотности. Таким образом, скелетная плотность коррелирует с кристалличностью материала: чем выше скелетная плот-ность, тем более кристалличным является материал. Если известны скелетные плотности полностью аморфных и полностью кристаллических образований, то можно также вычислить процент кристалличности данного образца.
2 Измерение плотности
Во многих случаях различия в скелетной плотности между материалами разной кристалличности могут быть незначительными. Чтобы достоверно обнаружить небольшие изменения или различия в кристалличности между образцами, использовался прибор Ultrapyc 5000 со встроенной схемой кон-троля температуры на основе эффекта Пельтье. Контроль температуры критически важен, когда ожи-даются лишь небольшие различия в плотности. Чтобы проиллюстрировать использование Ultrapyc 5000 для этой задачи, были выполнены измерения на нескольких промышленных материалах для угольных электродов с возрастающей кристалличностью.
Таблица 1: Рекомендуемые параметры измерений| Параметр | Настройка |
|---|---|
| Размер ячейки | Средний (с неотмучивающей крышкой) |
| Тип газа | Гелий |
| Заданное давление | 17 фунтов/кв. дюйм |
| Режим направления потока | Сначала - образец |
| Уравновешивание | Давление |
| Режим подготовки | Поток, 3 минуты |
| Максимальное количество запусков | 10 |
| Запуски для усреднения | 3 |
В связи с пористым характером используемых электродных углей образцы подвергались вакуумной дегазации в течение 3 часов при комнатной температуре на внешнем дегазаторе, прежде чем их переносили в ячейку прибора, предназначенную для образца. Параметры эксперимента, применявшиеся для этих измерений, приведены в таблице 1.
Размер ячейки зависит от количества имеющегося образца для измерения. В данном примере ис-пользовались неотмучивающие крышки ячеек в направлении расширения «сначала образец», но для мелких порошков может также использоваться режим «защиты порошка» (направление расширения «сначала эталон») в стандартных ячейках, при этом крышка не требуется.
Температура прибора Ultrapyc 5000 контролировалась на уровне 25ºC. Результаты для трех повтор-ных измерений плотности на каждом из трех образцов приведены в таблице 2.
Таблица 2: Измерения плотности угля| Образец | Плотность, г/см3 | Повторяемость, % | |||
|---|---|---|---|---|---|
| Запуск 1 | Запуск 2 | Запуск 3 | Среднее | ||
| 1 | 2,120 | 2,114 | 2,118 | 2,117 | 0,11 |
| 2 | 2,138 | 2,139 | 2,139 | 2,139 | 0,02 |
| 3 | 2,144 | 2,158 | 2,154 | 2,152 | 0,27 |
3 Обсуждение
Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что плотность может измеряться с отличной повто-ряемостью, менее 1% для всех образцов. Если сравнить три образца, то плотность возрастает от образ-ца 1 к образцу 2 и затем к образцу 3. Известно, что рост кристалличности коррелирует с ростом скелет-ной плотности, поэтому образец 3 – наиболее кристалличный из этих трех образцов электродного угля. Чем выше кристалличность, тем более эффективен этот материал для переноса электродов, что делает образец 3 наилучшим для анода батареи.
4 Выводы
Прибор Ultrapyc 5000 идеально подходит для измерения плотности компонентов батарей. Высоко-точные и повторяемые измерения обеспечивают возможность простого и достоверного выявления не-больших различий в кристалличности компонентов. Точные измерения скелетной плотности позволяют исследователям быстро оценивать это свойство материала и определять новые материалы в качестве подходящих кандидатов для использования в компонентах батарей.
