E(V) (Hg/Hg2SO4)
2.3.2. Phương pháp phóng nạp:
Phƣơng pháp phóng nạp đƣợc sử dụng để đánh giá, so sánh suất điện động, dung lƣợng, khả năng chấp nhận phóng/nạp của ăc quy giữa có và khơng có phụ gia, hiệu suất nạp. Đánh giá hàm lƣợng phụ gia tối ƣu.
Nạp điện: Điện cực dƣơng của ắc quy đƣợc nối với cực dƣơng của
nguồn 1 chiều, cực âm nối với cực âm của nguồn. Điện thế 2 đầu điện cực trong quá trình nạp :
Vn = E + En' + In. rn
Trong đó: E - sức điện động của ắc quy; En' - Sức điện động phân cực khi nạp; In - Dòng điện nạp; rn - Điện trở trong khi nạp
Rdd
C Q
R1 R2
Hình 2.10. Sơ đồ mạch điện tƣơng đƣơng mơ tả q trình xảy ra trên điện cực của ăc quy chì axit. [102]
Một số phƣơng pháp nạp điện thƣờng đƣợc sử dụng là nạp với dịng khơng đổi, nạp với thế khơng đổi, nạp dịng xung và nạp hỗn hợp [40].
Đối với phƣơng pháp nạp dịng khơng đổi, dòng điện nạp đƣợc giữ tại một giá trị ổn định. Nó thƣờng đƣợc chia thành 2 giai đoạn: đầu tiên, dòng nạp đƣợc giữ ở C/10 hoặc C/15 cho đến khi điện thế ở một ngăn ăc quy lên đến 2,4V; sau đó giảm dịng nạp bằng nửa giá trị ban đầu và giữ ổn định cho tới khi điện thế một ngăn ăc quy đạt đƣợc 2,7 V thì dừng nạp. Phƣơng pháp này thƣờng mất từ 20-30 giờ để hoàn thành nên để giảm thời gian nạp, đơi khi ăc quy đƣợc nạp với dịng ban đầu là 0,4 C. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là tốc độ ăn mịn sƣờn cực và tốc độ thốt hydro trên điện cực âm mạnh, dễ bị quá nạp.
Đối với nạp thế không đổi, điện thế đƣợc duy trì tại giá trị nhất định. Thƣờng điện thế là 2,23V đến 2,3V cho một ngăn ăc quy. Quá trình nạp kết thúc khi dịng nạp giảm xuống giá trị ổn định khoảng 0,002 C. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là nhiệt độ ăc quy tăng lên nhanh chóng, làm tăng sự bay hơi nƣớc và dịng nạp ban đầu lớn khơng tốt cho sự phục hồi dung lƣợng ăc quy.
Đối với nạp hỗn hợp, giai đoạn thứ nhất dịng điện đƣợc giữ khơng đổi ở giá trị khoảng 0,4 C cho tới khi điện thế một ngăn ăc quy đạt từ 2,35 - 2,45V. Sau đó, điện thế đƣợc giữ khơng đổi tại giá trị này cho tới khi dịng nạp đạt khoảng 0.0015 C thì kết thúc nạp. Ƣu điểm của phƣơng pháp nạp hỗn hợp là tránh đƣợc dòng nạp ban đầu và điện thế nạp thời điểm kết thúc cao, qua đó giảm sự phá hủy tấm cực và giảm thốt khí.
Đối với việc nạp dòng xung, một xung đảo chiều với tần số cao đƣợc ứng dụng cho quá trình nạp ăc quy. Phƣơng pháp này giúp rút ngắn thời gian nạp và phục hồi các tinh thể chì sunfat cứng thành vật liệu hoạt động điện cực.
Phóng điện: Điện cực dƣơng của ắc quy đƣợc nối với một đầu biến trở R, còn
đầu kia nối với cực âm ắc quy thành 1 mạch kín. Điện thế 2 đầu điện cực trong q trình phóng :
Vp = E - Ep' - Ip . rp
Trong đó: E - sức điện động của ắc quy; Ep' - Sức điện động phân cực khi phóng; Ip - Dịng điện phóng; rp - Điện trở trong khi phóng.
Dung lƣợng phóng (nạp) của ăc quy đƣợc tính tốn dựa theo cơng thức:
C = 0tʃI(t)dt (2.3) Trong đó C là dung lƣợng phóng (nạp), I(t) là dịng phóng (nạp) phụ thuộc thời gian. t là thời gian phóng (nạp). Khi dịng phóng/nạp là khơng đổi:
C = I.∆t (2.4)
Thực nghiệm:
* Mƣời tám ngăn đơn của aquy chì axit loại 6 ngăn 12V-5 h đƣợc đánh số thứ tự để nhận biết. Pha các dung dịch điện ly đạt tỉ trọng 1,275 từ hóa chất axit sunfuric đặc 98%. Để nguội sau đó đổ vào các ngăn ăc quy rồi giữ ổn định tối thiểu trong 12h trƣớc khi phóng/nạp. Các phép đo phóng/nạp ăc quy đƣợc thực hiện tại nhiệt độ phòng (250C).
* Để nghiên cứu tác động của phụ gia lên đặc tính nạp, thực hiện các bƣớc nhƣ sau:
+ Bư c 1: nạp dịng khơng đổi với giá trị là I = 0,25 A (chế độ C/20) đến khi điện thế các ngăn ăc quy đạt 2,7 V cho 09 ngăn ăc quy.
+ Bư c 2: Các ngăn ăc quy sau đó đƣợc phóng với dịng khơng đổi là
0,25 A (chế độ phóng C/20) cho tới khi điện thế của ngăn ăc quy đạt 1,8 V để đảm bảo rằng các ăc quy đƣợc phóng hết. Ghi lại các giá trị thời gian phóng cho từng ngăn ăc quy. Thực hiện lặp lại 03 chu k nạp/phóng nhƣ bƣớc 1 và
bƣớc 2. C0,N là dung lƣợng phóng của các ngăn ăc quy khi chƣa có phụ gia đƣợc tính tốn theo cơng thức (2.2) và lấy tại chu k thứ 03 (khi ăc quy đã làm việc ổn định).
+ Bư c 3: Đổ dung dịch trong 09 ngăn ăc quy đã nạp/phóng nhƣ nêu
trên ra và thêm phụ gia p-DMAB cho các dung dịch theo các nồng độ: 0; 10; 50; 80; 120; 160; 200; 240; 280 mg/L. Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong 12h mỗi dung dịch trƣớc khi đổ trở lại các ngăn ăc quy nghiên cứu.
+ Bư c 4: Tiến hành nạp lần lƣợt cho mỗi ngăn trong 09 ngăn ăc quy
theo các dòng nạp cố định là: 0,25; 0,3; 0,5; 0,6; 0,8; 1,25 và 2,5 (chế độ từ C/20 đến C/2) cho đến khi điện thế các ngăn ăc quy đạt 2,7 V thì dừng lại. Sau mỗi lần nạp với một dòng nạp nhất định, các ngăn ăc quy đƣợc phóng với dịng 0,25 cho tới khi điện thế giảm xuống 1,8 V thì dừng lại. Ghi lại thời gian nạp/ phóng tƣơng ứng. CN,i,Cpg và Ci,Cpg là dung lƣợng nạp và dung lƣợng ăc quy tích trữ đƣợc (dung lƣợng phóng của ăc quy với chế độ 0,25 ) khi ăc quy đƣợc nạp với dòng iN và nồng độ phụ gia là Cpg.
+ Bư c 5: Đánh giá khả năng chấp nhận nạp. Giả thiết các ngăn ăc quy
là giống nhau, thì mức độ chấp nhận nạp của từng ngăn dƣới chế độ nạp nhất định đƣợc đánh giá thông qua dung lƣợng mà ngăn ăc quy tích trữ đƣợc (dung lƣợng phóng với dịng 0,25 ). Tuy nhiên, các ngăn ăc quy có thể khác nhau một chút về cấu trúc và lƣợng của vật liệu hoạt động điện cực. Do đó, mức độ chấp nhận nạp của các ngăn ăc quy dƣới các chế độ nhất định đƣợc đánh giá thông qua hệ số chấp nhận nạp C để loại trừ sai số giữa các ngăn. Hệ số chấp nhận nạp là tỉ số giữa dung lƣợng mà ngăn ăc quy tích trữ đƣợc (dung lƣợng khi phóng với dịng cố định 0,25 ) dƣới chế độ nạp khảo sát nhất định với dung lƣợng mà ngăn ăc quy ấy tích trữ đƣợc khi đƣợc nạp với dịng 0,25 và khơng có phụ gia.
+ Bư c 6: Đánh giá hiệu suất nạp. Hiệu suất nạp η(%) đƣợc tính tốn
theo cơng thức sau:
η (%) = (Ci,Cpg/CN,i,Cpg)×100% (2.6) * Để nghiên cứu tác động của phụ gia lên đặc tính phóng, tiến hành các bƣớc thí nghiệm sau:
+ Bư c 1: Nạp dịng khơng đổi cho 09 ngăn ăc quy với giá trị là I =
0,25 A ( chế độ C/20) đến khi điện thế của ngăn ăc quy đạt 2,4V; sau đó giữ tại điện thế này đến khi dịng nạp giảm xuống 0,005 thì dừng.
+ Bư c 2: Các ngăn ăc quy sau đó đƣợc phóng với dịng khơng đổi là
0,25A cho tới khi điện thế của ngăn ăc quy đạt 1,8 V để đảm bảo rằng các ăc quy đƣợc phóng hết. Thực hiện lặp lại 03 lần bƣớc 1 và bƣớc 2. Ghi lại các giá trị thời gian phóng cho từng ngăn ăc quy. Giá trị C0,P là dung lƣợng của các ngăn ăc quy tích trữ đƣợc khi chƣa có phụ gia đƣợc tính tốn và lấy tại chu k thứ 03 (khi ăc quy đã làm việc ổn định).
+ Bư c 3: Đổ dung dịch trong các ngăn ăc quy đã nạp/phóng nhƣ nêu
trên ra và thêm phụ gia theo các nồng độ nhƣ khi nghiên cứu nạp. Khuấy đều bằng máy khuấy từ trong 12h mỗi dung dịch trƣớc khi đổ trở lại các ngăn ăc quy nghiên cứu.
+ Bư c 4: Tiến hành nạp cho các ngăn ăc quy theo chế độ nhƣ chƣa có
phụ gia; phóng sau khi nạp lần lƣợt với các dịng phóng cố định là: 0,25; 0,3; 0,5; 0,6; 0,8; 1,25 và 2,5 (chế độ C/20 đến C/2). Ghi lại thời gian phóng cho từng chế độ phóng. Cip,Cpg là dung lƣợng của ngăn ăc quy (tính theo cơng thức (2.2)) khi phóng với dịng ip và nồng độ phụ gia Cpg.
+ Bư c 5: Đánh giá khả năng phóng của ăc quy chì axit khi có và
khơng có phụ gia, hệ số DC đƣợc định nghĩa:
ADC = Cip,Cpg/C0,P (2.7) Trong đó, Cip,Cpg là dung lƣợng sản ra của ăc quy khi đƣợc phóng với dịng
khơng đổi ip và nồng độ phụ gia là Cpg; C0,p là dung lƣợng sản ra của ăc quy khi đƣợc phóng với chế độ 0,25 và khơng có phụ gia.
+ Bư c 6: Đánh giá ảnh hƣởng của nồng độ phụ gia lên dung lƣợng ăc
quy. Do các ngăn ăc quy là khác nhau nên đánh giá về dung lƣợng ăc quy đƣợc thực hiện thông qua tỉ số Cp,Cpg/C0,p. đây, Cp,Cpg và Co,p tƣơng ứng là dung lƣợng phóng của ngăn ăc quy với dịng cố định 0,25 A khi nồng độ phụ gia là Cpg và khi khơng có phụ gia.