توصيفگر ها :
باتري روي-هوا , خوردگي خود به خودي روي , گرافيت , مس , واكنش مزاحم توليد هيدروژن
چكيده فارسي :
باتري‌هاي روي-هوا در كنار ويژگي‌هاي مثبتي كه در ذخيره‌سازي انرژي دارند با چالش‌هايي نيز سر‌و‌كار دارند كه مهم‌ترين آن‌ها فرآيند خوردگي خودبه‌خودي روي و آزاد شدن گاز هيدروژن است. ازاين‌رو، در اين مطالعه سعي شد عملكرد آندهاي روي اصلاح شده با دو افزودني گرافيت و مس در باتري‌هاي روي-هوا اوليه در رابطه با مزاحمت واكنش توليد هيدروژن بررسي شود. در بخش اول طراحي ساختار يك الكترود مناسب براي انجام آزمايش‌هاي موردنياز بهينه شد. سپس به‌منظور بررسي فعاليت الكترودهاي طراحي شده، ابتدا تأثير آن‌ها در واكنش مزاحم توليد هيدروژن و آزادسازي گاز هيدروژن با آزمون‌هاي پتانسيل مدارباز و پلاريزاسيون پتانسيوديناميكي (تافل) بررسي شد كه مشاهده شد در اثر افزودن گرافيت و مس پتانسيل تعادلي از 34/1- ولت براي نمونه روي خالص به ترتيب به 42/1- و 43/1- ولت رسيد. افزودني‌ها باعث منفي‌تر شدن پتانسيل خوردگي و كاهش چگالي جريان خوردگي از 7200 ميكرو آمپر بر سانتي‌متر مربع براي نمونه ساده به 6300 و 4300 ميكرو آمپر بر سانتي‌متر مربع براي نمونه حاوي گرافيت و مس كاهش يافت. سپس براي بررسي فعاليت الكتروشيميايي الكترودهاي ذكرشده ولتاموگرام چرخه‌اي و روبش خطي آن‌ها ثبت شد و مشاهده شد كه بيشينه چگالي جريان از 23/39 ميلي‌آمپر بر سانتي‌متر مربع به 29/65 و 78/76 ميلي‌آمپر بر سانتي‌متر مربع به ترتيب براي الكترود حاوي گرافيت و مس رسيد. در آخر تأثير اين افزودني‌ها بر روي مقاومت الكترود كار و ساختار الكترودهاي روي با ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) و طيف‌سنجي پراش انرژي پرتو ايكس (EDX) مطالعه شد.
در بخش بعدي براي مطالعه تأثير الكترودهاي روي اصلاح شده با گرافيت و مس در باتري، از آناليزهاي I-V-P و تخليه (در جريان 1 ميلي‌آمپر) استفاده شد و مشخص شد كه باگذشت زمان افت ولتاژ براي باتري با آند روي خالص نسبت به آند اصلاح شده با گرافيت و مس به ترتيب 46/2 و 06/3 برابر شد؛ و طول عمر باتري از 7600 ثانيه براي آند روي خالص به 9010 و 9781 ثانيه براي آند اصلاح شده با گرافيت و مس رسيد.
در پايان نتيجه گرفته شد كه الكترودهاي اصلاح شده با گرافيت و مس در اين مطالعه بر فعاليت الكتروشيميايي آند، كاهش خوردگي خودبه‌خود خودي روي و به دنبال آن كاهش واكنش مزاحم توليد هيدروژن تأثير مثبت داشت كه در عمل مقدار هيدروژن كمتري توليد شده و طول عمر، ظرفيت و بازده مؤثر باتري افزايش يافت.
چكيده انگليسي :
In addition to the positive energy storage properties, zinc-air batteries also face challenges, the most important of which is the spontaneous corrosion process of zinc and the release of hydrogen gas. In this study, an attempt was made to investigate the performance of modified zinc anodes with two additives of graphite and copper in primary zinc-air batteries in terms of disturbing the hydrogen production reaction. in the first part, the structure design of a suitable electrode was optimized to perform the required tests. Then, in order to check the activity of the working electrodes, first, their effect on the hydrogen evolution reaction and the release of hydrogen gas was investigated with open circuit potential and potentiodynamic polarization (Tafel) tests, which was observed as a result of the addition of graphite and copper, the equilibrium potential of -1.34V for the pure zinc anode reached -1.43 and - 1.42V, respectively. Additives cause the corrosion potential to shift to more negative and the corrosion current density decreased from 7200 μA/cm2 for the plain sample to 6300 and 4300 μA/cm2 for the anode containing graphite and copper. Then, to check the electrochemical activity of these electrodes, cyclic voltammogram, and linear sweep voltammogram were registered and it was observed that the maximum current density increased from 39.23 mA/cm2 to 65.29 and 76.78 mA/cm2, respectively, for anodes containing graphite and copper.
Finally, the effect of these additives on the anode resistance and the structure of zinc electrodes was studied by scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive x-ray analysis (EDX).
In the next part, to study the effect of zinc electrodes modified with graphite and copper in the battery, I-V-P and discharge analyses (at 1 mA) were used and it was found that over time, the battery voltage drops with zinc anode modified with graphite and copper changed by 2.46 and 3.06 times, respectively, compared to the pure zinc anode, and the battery life increased from 7600 s for pure Zn anode to 9010 and 9781 s for graphite and copper modified anode.
In the end, it was concluded that the anodes modified with graphite and copper in this study had a positive effect on the electrochemical activity of the anode, reducing the spontaneous corrosion of zinc and the reaction of hydrogen evolution, which in practice produced less hydrogen and increased the lifetime, capacity and battery efficiency increased.
