Розробка нових свинцевих композитних матеріалів для виготовлення акумуляторів та технологій їх синтезу
Науковцями Інституту транспортних систем і технологій НАН України розроблено нові композитні свинцеві матеріали з нанодисперсним діоксидом титану, аеросилом, графітом і вуглецевими нанотрубками. Досліджено технології нанесення тонкого шару композиційного електрохімічного покриття на решітки струмовідводів свинцевих акумуляторів і експериментально доведено підвищені механічні, електричні і корозійні властивості отриманих решіток. Нові свинцеві композити будуть використані для виготовлення та модифікації електродних основ і активних мас свинцево-кислотних акумуляторів з метою підвищення їх експлуатаційних характеристик.
Збільшення терміну служби і питомих показників акумуляторів є основними вимогами сучасного виробництва та наукових досліджень, що передбачає як удосконалення способу виробництва акумуляторів, так і розробку нових матеріалів.
Одним із способів модифікації акумуляторних систем є використання композитних електродних матеріалів, які можуть мати підвищені механічні, електричні і корозійні властивості. Нові композитні матеріали можна отримувати методом електроосадження металів та дисперсних неметалевих матеріалів, при цьому властивості композитних осадів можна варіювати, підбираючи матеріали та технологічні умови електролізу.
Шляхом регулювання параметрів режиму електролізу і складу електроліту синтезовані композитні свинцеві матеріали з нанодисперсним діоксидом титану, аеросилом, графітом, вуглецевими нанотрубками. Досліджено особливості електрокристалізації, структура і морфологія композитних осадів на основі свинцю, отриманих з електролітів, що містять частинки різних дисперсних неметалевих матеріалів.
Використання нанорозмірних включень при електрохімічному співосадженні металів і дисперсних неметалічних матеріалів дозволяє отримувати матеріали з високою питомою поверхнею. Такі композити мають підвищену електропровідність і покращені корозійні характеристики. Як приклад на рис. 1 наведено фотографії осадів свинцевих композитів,що містять нанодисперсні частинки диоксиду титану, аеросилу, вуглецевих нанотрубок.
Рис. 1. Електронні фотографії поверхні свинцевих композитів з диоксидом титану (а),
аеросилом (б), вуглецевими нанотрубками (в)
Електроосадження дає можливість поліпшити стан поверхні акумуляторної решітки шляхом нанесення на поверхню решітки тонкого шару композиційного електрохімічного покриття. Експериментально доведено, що підвищена корозійна стійкість такої решітки забезпечується не тільки створенням зовнішнього корозійностійкого шару, але і більш однорідною структурою поверхні свинцевого матеріалу. У свою чергу, однорідність поверхневого шару сприяє протіканню рівномірної поверхневої корозії без локалізованих корозійних руйнувань з катастрофічними наслідками, що дозволяє знизити вагові втрати акумуляторних решіток при корозії. На рис. 2 наведено фотографії різних ділянок поверхні акумуляторної свинцевої решітки до осадження (а, в) та після осадження шару композитного матеріалу (б, г).
Результати корозійних досліджень зразків литої свинцево-сурм'яної решітки ваговим методом з безперервним зважуванням наведено на рис. 3. Розкид експериментальних даних становив 2-3%. Як демонструє рисунок, вагові втрати традиційних литих грат склали ~ 4% протягом 1 години корозійного впливу. У разі зразків грат з композиційним покриттям спостерігалося зниження корозійних втрат на 10-15%. Факт зниження вагових втрат у ґрат з композиційним покриттям дає підставу припускати, що, ймовірно, зміни у характері корозії більшою мірою пов'язані зі зміною структури поверхневого шару. Саме однорідність і дрібнокристалічна структура композиційного покриття зумовили рівномірний характер корозії, що, відповідно, і сприяло зменшенню величини вагових втрат.
Рис. 2. Електронні фотографії поверхні акумуляторної свинцевої решітки до осадження (а, в)
та після осадження шару композитного матеріалу (б, г)
Рис. 3. Залежність відносної втрати ваги зразків литої свинцево-сурм'яної решітки від часу корозії ваговим методом
з безперервним зважуванням: 1 – без композиційного покриття; 2 – з композиційним покриттям
Просічні розтяжні грати зі свинцево-кальцієвих сплавів Pb-0,05Ca-1,1Sn та Pb-0,1Ca-0,3Sn. Результати корозійних досліджень зразків просічної розтяжної решітки із свинцево-кальцієвих сплавів наведено на рис. 4. Як демонструє рисунок вагові втрати зразків просічної розтяжної решітки складів Pb-0,1Ca-0,3Sn і Pb-0,05Ca-1,1Sn (криві 1 і 3 на рис.4) склали в середньому відповідно 2 і 2,5% протягом 1 години дії корозійного середовища, а вагові втрати зразків з композиційним покриттям знизилися відповідно до 1.5 та 2%.
На підставі отриманих результатів можна припустити, що електрохімічне нанесення на поверхню решітки тонкого шару композиційного електрохімічного покриття дозволило не тільки забезпечити однорідність структури поверхневого корозійно-стійкого шару, але й частково (або повністю) блокувати корозійну дію залишкових механічних напруг, що виникають внаслідок деформації (виразок, глибоких тріщин).
Рис. 4. Залежність відносних вагових втрат зразків просічної розтяжної решітки від часу методом з безперервним зважуванням:
сплав Pb-0,1Ca-0,3Sn без композиційного покриття - 1, з композиційним покриттям - 2;
сплав Pb-0,05Ca-1,1Sn без композиційного покриття – 3, з композиційним покриттям – 4.
Нові свинцеві композити будуть використані для виготовлення та модифікації електродних основ і активних мас свинцево-кислотних акумуляторів з метою підвищення їх експлуатаційних характеристик.
