mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2017-1-67-76mateltech-248Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYРОСТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СВИНЦОВО−КИСЛОТНОГО АККУМУЛЯТОРА ПОД ВЛИЯНИЕМ МИКРОУГЛЕРОДНЫХ ДОБАВОКMICRO CARBON ADDITIVE FOR PERFORMANCE IMPROVEMENT OF THE LEAD−ACID BATTERYКузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович — доктор физ.−мат. наук, профессор, директор Регионального центра нанотехнологий.

 

Alexander P. Kuzmenko: Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor of Department of Engineering Physics and Nanotechnology. 

94 50 let Oktyabrya Str., Kursk 305040.

apk3527@mail.ruГречушниковЕ. А.GrechushnikovE. A.

Гречушников Евгений Александрович — кандидат хим. наук, доцент.

ул. 50 лет Октября, д. 94, Курск, 305040.

Eugene A. Grechushnikov: Cand. Sci. (Chem.). 

94 50 let Oktyabrya Str., Kursk 305040.

ХарсеевВ. А.KharseevV. A.

 Харсеев Виктор Алексеевич — аспирант.

ул. 50 лет Октября, д. 94, Курск, 305040.

Viktor A. Kharseev: Post−Graduated Student.

94 50 let Oktyabrya Str., Kursk 305040.

СальниковА. Н.SalnikovA. N.

Артем Николаевич Сальников —магистрант.

ул. 50 лет Октября, д. 94, Курск, 305040.

Artem N. Salnikov: Master Student. 

94 50 let Oktyabrya Str., Kursk 305040.

Юго−Западный государственный университет.РоссияSouthwest State University.Russian Federation2017220520182016776Copyright © Кузьменко А.П., Гречушников Е.А., Харсеев В.А., Сальников А.Н., 20182018Кузьменко А.П., Гречушников Е.А., Харсеев В.А., Сальников А.Н.Kuzmenko A.P., Grechushnikov E.A., Kharseev V.A., Salnikov A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/248

Исследованы особенности и изменения микроструктуры электродного материала отрицательного электрода свинцово−кислотных стартерных аккумуляторных батарей, возникающие при добавлении двух различных образцов углерода: технического или гибридного. Проведен рентгенофазовый и электронно− микроскопический анализ материала электрода. Установлено, что использование технического или гибридного углерода в качестве добавки к материалу отрицательного электрода оказывает влияние на его структуру, вызывая изменения в процессах его пропитывания и формирования. На основании структурных исследований предложено качественное описание, в соответствии с которым гибридный углерод повышает дисперсность отрицательной активной массы, затрудняет диффузию сульфат−ионов. Проведены типовые испытания путем интенсивного циклирования в не полностью заряженном состоянии свинцово−кислотных стартерных батарей в режиме «заряд—разряд». Батареи изготовлены с использованием отрицательных пластин с добавками технического или гибридного углерода. Определено влияние каждого типа углеродной добавки на электрические характеристики стартерных батарей. Так, показано, что добавка гибридного углерода способствует увеличению срока службы стартерных батарей при эксплуатации в не полностью заряженном состоянии. Такая добавка повышает прием заряда в среднем на 9 % и устойчивость батареи к глубокому разряду, когда падение емкости составляет не более 4,4 %, а в случае использования технического углерода падение емкости составляет 7,2 %.

The features and changes in the microstructure of the negative electrode material of a lead−acid battery appearing after adding of carbon black and hybrid carbon were investigated. As shown by X−ray phase analysis and scanning electron microscopy, carbon black and hybrid carbon additives influence the electrode material structure causing changes in soaking and formation processes. In accordance with the structural research, hybrid carbon increases the dispersity of the negative active material and impedes sulfate ions diffusion into its internal layers. Electrical tests of lead−acid batteries including high rate partial state of charge cycling were conducted and the roles of each kinds of carbon additives were estimated. It was shown that the addition of hybrid carbon increases the cycle life of the batteries at high rate partial state of charge operation, improving charge acceptance approximately by 9 % and deep discharge stability. Capacity loss after deep discharge is less than 4.4 % if hybrid carbon is used as an additive and 7.2 % in case of carbon black.

свинцово−кислотная батареяэлектродные материалытехнический углеродгибридный углеродактивная массациклический режимlead−acid batteryelectrode materialscarbon blackhybrid carbonactive masscyclingReferencesSchaeck S., Stoermer A. O., Kaiser F., Koehler L., Albers J., Kabza H. Lead−acid batteries in micro−hybrid applications. Pt I. Selected key parameters // J. Power Sources. − 2011. − V. 196, iss. 3. − P. 1541—1554. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.077Schaeck S., Stoermer A. O., Kaiser F., Koehler L., Albers J., Kabza H. Lead−acid batteries in micro−hybrid applications. Part I. Selected key parameters. J. Power Sources, 2011, vol. 196, no. 3, pp. 1541—1554. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.08.077Bača P., Micka K., Křivík P., Tonar K., Tošer P. Study of the influence of carbon on the negative lead−acid battery electrodes // J. Power Sources. − 2011. − V. 196, iss. 8. − P. 3988—3992. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.046Bača P., Micka K., Křivík P., Tonar K., Tošer P. Study of the influence of carbon on the negative lead−acid battery electrodes. J. Power Sources, 2011, vol. 196, no. 8, pp. 3988—3992. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2010.11.046Pavlov D., Nikolov P., Rogachev T. Influence of carbons on the structure of the negative active material of lead−acid batteries and on battery performance // J. Power Sources. − 2011. − V. 196, N 11. − P. 5155—5167. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.02.014Pavlov D., Nikolov P., Rogachev T. Influence of carbons on the structure of the negative active material of lead−acid batteries and on battery performance. J. Power Sources, 2011, vol. 196, no. 11, pp. 5155—5167. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2011.02.014Кузьменко А. П., Гречушников Е.А., Харсеев В.А. Влияние углерода на структуру положительной пасты и технико− эксплуатационные характеристики свинцово−кислотных аккумуляторных батарей // Будущее науки − 2013: материалы Междунар. молодежной науч. конф. − Курск: Университетская книга, 2013. − Т. 3. − С. 303—307.Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A. Effect of carbon on structure of a positive paste and technical and operating characteristics of lead acid storage cells. Budushchee nauki − 2013: materialy Mezhdunarodnoi molodezhnoi nauchnoi konferentsii = Future of Science − 2013: materials of the International Youth Scientific Conference. Kursk: Universitetskaya kniga, 2013, vol. 3, pp. 303—307. (In Russ.)Swogger S. W., Everill P., Dubey D. P., Sugumaran N. Discrete carbon nanotubes increase lead acid battery charge acceptance and performance // J. Power Sources. − 2014. − V. 261. − P. 55—63. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.049Swogger S. W., Everill P., Dubey D. P., Sugumaran N. Discrete carbon nanotubes increase lead acid battery charge acceptance and performance. J. Power Sources, 2014, vol. 261, pp. 55—63. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2014.03.049Saravanan M., Sennu P., Ganesan M., Ambalavanan S. Multi−walled carbon nanotubes percolation network enhanced the performance of negative electrode for lead−acid battery // J. Electrochem. Soc. − 2013. − V. 160, iss 1. − P. A70—A76. DOI: 10.1149/2.062301jesSaravanan M., Sennu P., Ganesan M., Ambalavanan S. Multi−walled carbon nanotubes percolation network enhanced the performance of negative electrode for lead−acid battery. J. Electrochem. Soc., 2013, vol. 160, no. 1, pp. A70—A76 DOI: 10.1149/2.062301jesSrivastava S. Sorption of divalent metal ions from aqueous solution by oxidized carbon nanotubes and nanocages: A review // Adv. Mater. Lett. − 2013. − V. 4, iss. 1. − P. 2—8. DOI: 10.5185/amlett.2013.icnano.110Srivastava S. Sorption of divalent metal ions from aqueous solution by oxidized carbon nanotubes and nanocages: A review. Adv. Mater. Lett., 2013, vol. 4, no. 1, pp. 2—8. DOI: 10.5185/amlett.2013.icnano.110Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A., Dobromyslov M. B. Influence of electroconductive additives in the positive electrode material on morphology, structure and characteristics of the lead−acid batteries // Ж. нано− электрон. физ. − 2014. − Т. 6, № 3. − С. 03028−1—03028−4.Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A., Dobromyslov M. B. Influence of electroconductive additives in the positive electrode material on morphology, structure and characteristics of the lead−acid batteries. J. Nano− Electron. Phys., 2014, vol. 6, no. 3, pp. 03028−1—03028−4.Кузьменко А. П., Степанов А. В., Ниязи Ф. Ф, Иванов А. М., Гречушников Е. А., Харсеев В. А. Взаимосвязь состава, структуры и свойств электродных аккумуляторных паст // Изв. Юго−Западного гос. ун−та. − 2012. − № 2(41), Ч. 1. − С. 102—109.Kuzmenko A. P., Stepanov A. V., Niyazi F. F., Ivanov A. M., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A. Influence mix, structure and properties of battery electrode pastes. Izvestiya Yugo−Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the South West State University, 2012, no. 2, pt. 1, pp. 102—109. (In Russ.)Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A., Dobromyslov M. B. Microstructural barrier−locking formation mechanism of dispersed current−forming components of current power supply // Ж. нано− электрон. физ. − 2014. − Т. 6, № 3. − С. 03025− 1—03025−3. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/jnef_2014_6_3_27Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A., Dobromyslov M. B. Microstructural barrier−locking formation mechanism of dispersed current−forming components of current power supply. J. Nano− Electron. Phys., 2014, vol. 6, no. 3, pp. 03025− 1— 03025−3. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/jnef_2014_6_3_27Rand D. A. J., Garche J., Moseley P. T., Parker C. D. Valve− regulated lead−acid batteries. −Amsterdam : Elsevier, 2004. − 602 p. DOI: 10.1016/B978-044450746-4/50000-3Rand D. A. J., Garche J., Moseley P. T., Parker C. D. Valve− regulated lead−acid batteries. Amsterdam: Elsevier, 2004. 602 p. DOI: 10.1016/B978-044450746-4/50000-3Morteza Moradi, Zargham Bagheri, Ali Bodaghi. Li interactions with the B40 fullerene and its application in Li−ion batteries: DFT studies // Physica E: Low−dimensional Systems and Nanostructures. − 2017. − V. 89. − P. 148—154. DOI: 10.1016/j.physe.2017.02.018Morteza Moradi, Zargham Bagheri, Ali Bodaghi. Li interactions with the B40 fullerene and its application in Li−ion batteries: DFT studies. Physica E: Low−dimensional Systems and Nanostructures, 2017, vol. 89, pp. 148—154 DOI: 10.1016/j.physe.2017.02.018Li Zhao, Baishuang Chen, Dianlong Wang. Effects of electrochemically active carbon and indium (III) oxide in negative plates on cycle performance of valve−regulated lead−acid batteries during high−rate partial−state−of−charge operation // J. Power Sources. − 2013. − V. 231. − P. 34—38. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.12.083Li Zhao, Baishuang Chen, Dianlong Wang. Effects of electrochemically active carbon and indium (III) oxide in negative plates on cycle performance of valve−regulated lead−acid batteries during high−rate partial−state−of−charge operation. J. Power Sources, 2013, vol. 231, pp. 34—38. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.12.083Lam L. T., Louey R., Haigh N. P., Lim O. V., Vella D. G., Phyland C. G., Vu L. H., Furukawa J., Takada T., Monma D., Kano T. VRLA Ultrabattery for high−rate partial−state−of−charge operation // J. Power Sources. − 2007. − V. 174, iss. 1. − P. 16—29. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.047Lam L. T., Louey R., Haigh N. P., Lim O. V., Vella D. G., Phyland C. G., Vu L. H., Furukawa J., Takada T., Monma D., Kano T. VRLA Ultrabattery for high−rate partial−state−of−charge operation. J. Power Sources, 2007, vol. 174, no. 1, pp. 16—29. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.047Jiayuan Xiang, Ping Ding, Hao Zhang, Xianzhang Wu, Jian Chen, Yusheng Yang. Beneficial effects of activated carbon additives on the performance of negative lead−acid battery electrode for high− rate partial−state−of−charge operation // J. Power Sources. − 2013. − V. 241. − P.150—158. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.04.106Jiayuan Xiang, Ping Ding, Hao Zhang, Xianzhang Wu, Jian Chen, Yusheng Yang. Beneficial effects of activated carbon additives on the performance of negative lead−acid battery electrode for high−rate partial−state−of−charge operation. J. Power Sources, 2013, vol. 241, pp.150—158. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.04.106Moseley P. T. High rate partial−state−of−charge operation of VRLA batteries // J. Power Sources. − 2004. − V. 127, iss. 1–2. − P. 27—32. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.005Moseley P. T. High rate partial−state−of−charge operation of VRLA batteries. J. Power Sources, 2004, vol. 127, no. 1–2, pp. 27—32. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.005Ebner E., Burow D., Börger A., Wark M., Atanassova P., Valenciano J. Carbon blacks for the extension of the cycle life in flooded lead acid batteries for micro−hybrid applications // J. Power Sources. − 2013. − V. 239. − P. 483—489. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.03.124Ebner E., Burow D., Börger A., Wark M., Atanassova P., Valenciano J. Carbon blacks for the extension of the cycle life in flooded lead acid batteries for micro−hybrid applications. J. Power Sources, 2013, vol. 239, pp. 483—489. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2013.03.124Atanassova P., Kossyrev P., Moeser G., Kyrlidis A., Oljaca M. Carbons in lead−acid batteries − structure and properties // 8−th Internat. Conf. on Lead−Acid Batteries. − Albena, 2011. − P. 5—8.Atanassova P., Kossyrev P., Moeser G., Kyrlidis A., Oljaca M. Carbons in lead−acid batteries — structure and properties. 8−th International conference on lead−acid batteries. Albena, 2011, pp. 5—8.Pavlov D. Lead−acid batteries: Science and technology. A handbook of lead acid battery technology and its influence on the product. − Amsterdam ; Oxford : Elsevier Science, 2011. − 656 p. URL: https://www.elsevier.com/books/lead-acid-batteries-science-andtechnology/pavlov/978-0-444-52882-7Pavlov D. Lead−acid batteries: Science and technology. A handbook of lead acid battery technology and its influence on the product. Amsterdam; Oxford: Elsevier Science, 2011. 656 p. URL: https://www.elsevier.com/books/lead-acid-batteries-science-andtechnology/pavlov/978-0-444-52882-7Burbank J. Anodic oxidation of the basic sulfates of lead // J. Electrochem. Soc. − 1966. − V. 113, iss. 1. − P. 10—14. DOI: 10.1149/1.2423844Burbank J. Anodic oxidation of the basic sulfates of lead. J. Electrochem. Soc., 1966, vol. 113, no. 1, pp. 10—14. DOI: 10.1149/1.2423844Prout L. Aspects of lead/acid battery technology. 4. Plate formation // J. Power Sources. − 1993. − V. 41, iss. 1–2. − P. 195—219. DOI: 10.1016/0378-7753(93)85012-DProut L. Aspects of lead/acid battery technology. 4. Plate formation. J. Power Sources, 1993, vol. 41, no. 1–3, pp. 195—219. DOI: 10.1016/0378-7753(93)85012-DКузьменко А. П., Гречушников Е. А., Харсеев В. А. Влияние углеродных наноструктур в отрицательном электродном материале на эксплуатационные характеристики свинцово− кислотного аккумулятора // Изв. Юго−Западного гос. ун−та. Сер. Техника и технологии. − 2015. − № 1(14), Ч. 1. − С. 73–84.Kuzmenko A. P., Grechushnikov E. A., Kharseev V. A. Effect of carbon nanostructures in a negative electrode material on the performance haracteristics of the lead−acid battery. Izvestiya Yugo−Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Tekhnika i tekhnologii = Proceedings of the South West State University. Technics and Technologies, 2015, no. 1, pt. 1, pp. 73—84.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.