techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2025-15-3-181-194techusgu-364Research ArticleФИЗИКАPHYSICSКоррозионная стойкость токоотводов с магнетронным покрытием из Ti на положительных электродах свинцово-кислотных аккумуляторовCorrosion resistance of Pb-Sb current leads of positive electrodes with a ti magnetron coating of lead-acid batterieshttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Александр Павлович Кузьменко, доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник

Региональный центр нанотехнологий

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

Aleksander P. Kuzmenko, Doctor of Science (Physics and Mathematics), Professor, Chief Researcher

Regional Center of Nanotechnology

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

apk3527@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1893-1941РодионовВ. В.RodionovV. V.

Владимир Викторович Родионов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Региональный центр нанотехнологий

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

Vladimir V. Rodionov, Candidate of Science (Physics and Mathematics), Senior Researcher

Regional Center of Nanotechnology

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

vovarodionov2009@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0004-8571-8544КолпаковА. И.KolpakovA. I.

Артём Игоревич Колпаков, аспирант

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

Artem I. Kolpakov, Postgraduate Student

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

artem.kolpakov.96@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8603-6482ГречушниковЕ. А.GrechushnikovE. A.

Евгений Александрович Гречушников, главный инженер

305040; ул. 50 лет Октября, д. 94; 305026; пр-т Ленинского Комсомола, д. 40; Курск

Evgeny A. Grechushnikov, Chief Engineer

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; 305026; 40 Leninskogo Komsomola Ave.; Kursk

g321kstu@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5004-0823ПугачевскийМ. А.PugachevskiiM. A.

Максим Александрович Пугачевский, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

Региональный центр нанотехнологий

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

Maksim A. Pugachevskii, Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Leading Researcher

Regional Center of Nanotechnology

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

pmaximal@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7941-8404КочураА. В.KochuraA. V.

Алексей Вячеславович Кочура, кандидат физико-математических наук, доцент, заместитель директора центра

Региональный центр нанотехнологий

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

Aleksey V. Kochura, Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Deputy Director of the Center

Regional Center for Nanotechnology

305040; 50 Let Oktyabrya Str. 94; Kursk

akochura@mail.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationЮго-Западный государственный университет; Курский аккумуляторный заводРоссияSouthwest State University; Kursk Battery PlantRussian Federation202504122025153181194Copyright © Кузьменко А.П., Родионов В.В., Колпаков А.И., Гречушников Е.А., Пугачевский М.А., Кочура А.В., 20252025Кузьменко А.П., Родионов В.В., Колпаков А.И., Гречушников Е.А., Пугачевский М.А., Кочура А.В.Kuzmenko A.P., Rodionov V.V., Kolpakov A.I., Grechushnikov E.A., Pugachevskii M.A., Kochura A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/364   Цель исследования

   Цель исследования. Комплексная характеризация положительных электродов свинцово-кислотного аккумулятора с двухсторонним коррозионностойким магнетронным покрытием из титана.

   Методы

   Методы. Магнетронное распыление особо чистой мишени из Ti на обе стороны серийных типоразмеров токоотводов положительных электродов 2-вольтовой модельной ячейки свинцово-кислотного аккумулятора (два токоотвода отрицательных и между ними один положительный электрод) осуществлялось при мощности P = 300 Вт в течение t = 10 мин. Характеризация магнетронных пленок проводилась методами рентгенофазового анализа, сканирующей (растровой) электронной микроскопии, энергодисперсионного анализа. Сравнивались коррозионная устойчивость и электрические характеристики 2-вольтовых модельных ячеек с токоотводами положительных электродов с покрытием из Ti и без него.

   Результаты

   Результаты. По результатам рентгенофазового анализа в магнетронных титановых покрытиях обнаружено формирование оксидной пленки из диоксида титана, которая не изменяла измеряемые электрические характеристики и играла роль дополнительной химической пассивации. Емкости полностью заряженных 2-вольтовых модельных ячеек, определенные в испытаниях при разряде током 20-часового режима 0,75 А и током холодной прокрутки 50 А при температурах минус 18 ºС и минус 30 ºС, были сопоставимы с серийно выпускаемыми аккумуляторами.

   Заключение

   Заключение. Свинцовые токоотводы положительных пластин с магнетронным покрытием титана показали высокую коррозионную стойкость по сравнению с серийно выпускаемыми свинцово-кислотными аккумуляторами после 26-дневного нагрева при 60 °С, в том числе при заряде при постоянном напряжении 2,33 В в течение 13 суток без изменения первоначальных электрических характеристик. После проведенных испытаний модельных ячеек по визуальному сравнению токоотводов положительных электродов с покрытием из Ti и без него отмечено отсутствие разрывов в сегментах решеток и повышенная развитость поверхностей, что свидетельствует о повышении их коррозионной стойкости, что крайне важно при производстве таких аккумуляторов.

   Purpose of the research. Comprehensive characterization of lead-acid battery positive electrodes with a double-sided corrosion-resistant Titanium magnetron coating.

   Methods

   Methods. Magnetron sputtering of a high-purity Ti target onto both sides of standard-sized positive electrode current leads of a 2-volt model cell of the lead-acid battery (two negative current leads and one positive electrode between them) was performed at a power of P = 300 W for t = 10 min. Magnetron films were characterized using X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy, and energy-dispersive analysis. The corrosion resistance and electrical characteristics of 2-volt model cells with positive electrode current leads coated with and without Ti were compared.

   Results

   Results. X-ray diffraction analysis revealed the formation of a titanium dioxide oxide film in the magnetron titanium coatings. This film did not alter the measured electrical characteristics and acted as additional chemical passivation. The capacities of fully charged 2-volt model cells, determined in tests under 20-hour discharge conditions with a 0.75 A current and a 50 A cold cranking current at temperatures of -18ºC and -30ºC, were comparable to those of commercially available batteries.

   Conclusion

   Conclusion. Lead current leads of positive plates with a titanium magnetron coating demonstrated high corrosion resistance compared to commercially available lead-acid batteries after 26 days of heating at 60°C, including charging at a constant voltage of 2.33 V for 13 days without changing their initial electrical characteristics. Following testing of 2-volt model cells, visual comparison of positive electrode current leads with and without a Ti coating revealed no discontinuities in the grid segments and increased surface development, indicating increased corrosion resistance, which is crucial for the production of such batteries.

свинцово-кислотный аккумуляторкоррозионная стойкостьтокоотводыположительные электродымагнетронное распылениеlead-acid batterycorrosion resistancepositive electrodecurrent leadsmagnetron sputteringСтатья подготовлена в рамках государственного задания на 2025 год № 075-03-2025-526The article was prepared as part of the state assignment for 2025 No. 075-03-2025-526ReferencesOxygen-functionalized defect engineering of carbon additives enable lead-carbon batteries with high cycling stability / J. Yin, W. Zhang, G. Sun, S. Xiao, H. Lin // Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 43. P. 103205. doi: 10.1016/j.est.2021.103205.Yin J., Zhang W., Sun G., Xiao S., Lin H. Oxygen-functionalized defect engineering of carbon additives enable lead-carbon batteries with high cycling stability. Journal of Energy Storage. 2021;43:103205. doi: 10.1016/j.est.2021.103205.Hierarchical porous carbon@PbO<sub>1-x</sub> composite for high-performance lead-carbon battery towards renewable energy storage / J. Yin, N. Lin, Z.Q. Lin, Y. Wang, C.L. Chen, J. Shi [et al.] // Energy. 2020. Vol. 193. P. 116675. doi: 10.1016/j.energy.2019.116675.Yin J., Lin N., Lin Z.Q., Wang Y., Chen C.L., Shi J., et al. Hierarchical porous carbon@PbO<sub>1-x</sub> composite for high-performance lead-carbon battery towards renewable energy storage. Energy. 2020;193:116675. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.116675.Towards renewable energy storage: understanding the roles of rice husk-based hierarchical porous carbon in the negative electrode of lead-carbon battery / J. Yin, N. Lin, Z.Q. Lin, Y. Wang, J. Shi, J.P. Bao [et al.] // Journal of Energy Strorage. 2019. Vol. 24. P. 100756. doi: 10.1016/j.est.2019.100756.Yin J., Lin N., Lin Z.Q., Wang Y., Shi J., Bao J.P., et al. Towards renewable energy storage: understanding the roles of rice husk-based hierarchical porous carbon in the negative electrode of lead-carbon battery. Journal of Energy Strorage. 2019;24:100756. doi: 10.1016/j.est.2019.100756.Lopes P.P., Stamenkovic V.R. Past, present, and future of lead–acid batteries // Science. 2020. Vol. 369, no. 6506. P. 923–924. doi: 10.1126/science.abd3352.Lopes P.P., Stamenkovic V.R. Past, present, and future of lead–acid batteries. Science. 2020;369(6506):923-924. doi: 10.1126/science.abd3352.Pavlov D. Lead-acid batteries: science and technology. Elsevier, 2011. 656 р.Pavlov D. Lead-acid batteries: science and technology. Elsevier, 2011. 656 р.Lead-acid battery use in the development of renewable energy systems in China / Y. Chang, X. Mao, Y. Zhao, S. Feng, H. Chen, D. Finlow // Journal of Power Sources. 2009. Vol. 191, no. 1. P. 176–183. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.02.030.Chang Y., Mao X., Zhao Y., Feng S., Chen H., Finlow D. Lead-acid battery use in the development of renewable energy systems in China. Journal of Power Sources. 2009;191(1):176-183. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.02.030.Divya K.C., Østergaard J. Battery energy storage technology for power systems—an overview // Electric Power Systems Research. 2009. Vol. 79, no. 4. P. 511–520. doi: 10.1016/j.epsr.2008.09.017.Divya K.C., Østergaard J. Battery energy storage technology for power systems—an overview. Electric Power Systems Research. 2009;79(4):511-520. doi: 10.1016/j.epsr.2008.09.017.Study of PCL mechanism: Influence of grid/PAM state on PCL / M. Shiomi, Y. Okada, Y. Tsuboi, S. Osumi, M. Tsubota // Journal of Power Sources. 2003. Vol. 113, no. 2. P. 271–276. doi: 10.1016/S0378-7753(02)00522-0.Shiomi M., Okada Y., Tsuboi Y., Osumi S., Tsubota M. Study of PCL mechanism: Influence of grid/PAM state on PCL. Journal of Power Sources. 2003;113(2):271-276. doi: 10.1016/S0378-7753(02)00522-0.The application of rice husk-based porous carbon in positive electrodes of lead acid batteries / J. Shi, N. Lin, Y. Wang, D. Liu, H. Lin // Journal of Energy Storage. 2020. Vol. 30. P. 101392. doi: 10.1016/j.est.2020.101392.Shi J., Lin N., Wang Y., Liu D., Lin H. The application of rice husk-based porous carbon in positive electrodes of lead acid batteries. Journal of Energy Storage. 2020;30:101392. doi: 10.1016/j.est.2020.101392.Dimitrov M.K., Pavlov D. Location of the phenomena of premature capacity loss during cycling of lead/acid batteries with lead grids // Journal of Power Sources. 1993. Vol. 46, no. 2–3. P. 203–210. doi: 10.1016/0378-7753(93)90018-V.Dimitrov M.K., Pavlov D. Location of the phenomena of premature capacity loss during cycling of lead/acid batteries with lead grids. Journal of Power Sources. 1993;46(2-3):203-210. doi: 10.1016/0378-7753(93)90018-V.Corrosion management of PbCaSn alloys in lead-acid batteries: effect of composition, metallographic state and voltage conditions / E. Rocca, G. Bourguignon, J. Steinmetz // Journal of Power Sources. 2006. Vol. 161, no. 1. P. 666–675. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.04.140.Rocca E., Bourguignon G., Steinmetz J. Corrosion management of PbCaSn alloys in lead-acid batteries: effect of composition, metallographic state and voltage conditions. Journal of Power Sources. 2006;161(1):666-675. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.04.140.Lead/acid battery technology / J.E. Manders, L.T. Lam, K. Peters, R.D. Prengaman, E.M. Valeriote // Journal of Power Sources. 1996. Vol. 59, no. 1–2. P. 199–207. doi: 10.1016/0378-7753(96)02323-3.Manders J.E., Lam L.T., Peters K., Prengaman R.D., Valeriote E.M. Lead/acid battery technology. Journal of Power Sources. 1996;59(1-2):199-207. doi: 10.1016/0378-7753(96)02323-3.Electrochemical characteristics of Pb–Sb alloys in sulfuric acid solutions / T. Hirasawa, K. Sasaki, M. Taguchi, H. Kaneko // Journal of Power Sources. 2000. Vol. 85, no 1. P. 44–48. doi: 10.1016/S0378-7753(99)00380-8.Hirasawa T., Sasaki K., Taguchi M., Kaneko H. Electrochemical characteristics of Pb–Sb alloys in sulfuric acid solutions. Journal of Power Sources. 2000;85(1):44-48. doi: 10.1016/S0378-7753(99)00380-8.Jullian E., Albert L., Caillerie J.L. New lead alloys for high-performance lead–acid batteries // Journal of Power Sources. 2003. Vol. 116, no. 1–2. P. 185–192. doi: 10.1016/S0378-7753(02)00705-X.Jullian E., Albert L., Caillerie J.L. New lead alloys for high-performance lead–acid batteries. Journal of Power Sources. 2003;116(1-2):185-192. doi: 10.1016/S0378-7753(02)00705-X.Effect of carbon foams as negative current collectors on partial-state-of-charge performance of lead acid batteries / Y. Chen, B.Z. Chen, L.W. Ma, Y. Yuan // Electrochemistry Communications. 2008. Vol. 10, no. 7. P. 1064–1066. doi: 10.1016/j.elecom.2008.05.009.Chen Y., Chen B.Z., Ma L.W., Yuan Y. Effect of carbon foams as negative current collectors on partial-state-of-charge performance of lead acid batteries. Electrochemistry Communications. 2008;10(7):1064-1066. doi: 10.1016/j.elecom.2008.05.009.Influence of pitch-based carbon foam current collectors on the electrochemical properties of lead acid battery negative electrodes / Y. Chen, B.Z. Chen, L.W. Ma, Y. Yuan // Journal of Applied Electrochemistry. 2008. Vol. 38, no. 10. P. 1409–1413. doi: 10.1007/s10800-008-9580-9.Chen Y., Chen B.Z., Ma L.W., Yuan Y. Influence of pitch-based carbon foam current collectors on the electrochemical properties of lead acid battery negative electrodes. Journal of Applied Electrochemistry. 2008;38(10):1409-1413. doi: 10.1007/s10800-008-9580-9.Kirchev A., Kircheva N., Perrin M. Carbon honeycomb grids for advanced lead-acid batteries. Part I: proof of concept // Journal of Power Sources. 2011. Vol. 196, no. 20. P. 8773–8788. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.06.021.Kirchev A., Kircheva N., Perrin M. Carbon honeycomb grids for advanced lead-acid batteries. Part I: proof of concept. Journal of Power Sources. 2011;196(20):8773-8788. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.06.021.Czerwiński A., Obrębowski S., Rogulski Z. New high-energy lead-acid battery with reticulated vitreous carbon as a carrier and current collector // Journal of Power Sources. 2012. Vol. 198. P. 378–382. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.081.Czerwiński A., Obrębowski S., Rogulski Z. New high-energy lead-acid battery with reticulated vitreous Carbon as a carrier and current collector. Journal of Power Sources. 2012;198:378-382. doi: 10.1016/j.jpowsour.2011.09.081.Hariprakash B., Gaffoor S.A. Lead-acid cells with lightweight, corrosion-protected, flexible-graphite grids // Journal of Power Sources. 2007. Vol. 173, no. 1. P. 565–569. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.04.056.Hariprakash B., Gaffoor S.A. Lead-acid cells with lightweight, corrosion-protected, flexible-graphite grids. Journal of Power Sources. 2007;173(1):565-569. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.04.056.Lang X., Wang D., Zhu J. Modified titanium foil's surface by high temperature carbon sintering method as the substrate for bipolar lead-acid battery // Journal of Power Sources. 2014. Vol. 272. P. 176–182. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.072.Lang X., Wang D., Zhu J. Modified titanium foil's surface by high temperature Carbon sintering method as the substrate for bipolar lead-acid battery. Journal of Power Sources. 2014;272:176-182. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.08.072.Development of titanium-based positive grids for lead acid batteries with enhanced light-weight, corrosion resistance and lifetime / D. Liu, N. Lin, W. Zhang, Y. Wang, Q. You, Z. Liu [et al.] // Journal of Energy Storage. 2023. Vol. 73. P. 108880. doi: 10.1016/j.est.2023.108880.Liu D., Lin N., Zhang W., Wang Y., You Q., Liu Z., et al. Development of Titanium-based positive grids for lead acid batteries with enhanced lightweight, corrosion resistance and lifetime. Journal of Energy Storage. 2023;73:108880. doi: 10.1016/j.est.2023.108880.Comparing the cold-cranking performance of lead-acid and lithium iron phosphate batteries at temperatures below 0°C / S. Bauknecht, F. Watzold, A. Schlosser, J. Kowal // Batteries. 2023. Vol. 9, no. 3. P. 176. doi: 10.3390/batteries9030176.Bauknecht S., Watzold F., Schlosser A., Kowal J. Comparing the cold-cranking performance of lead-acid and Lithium iron phosphate batteries at temperatures below 0°C. Batteries. 2023;9(3):176. doi: 10.3390/batteries9030176.Septiyanto R.F., Affifah I. Monte Carlo simulation on TiO<sub>2</sub>: water thickness determination and electron scattering study on wet material // Gravity: Jurnal IImiah Penelitian dan Pembelajaran Fisika. 2021. Vol. 7, no. 2. P. 78–84. doi: 10.30870/gravity.v7i2.11592.Septiyanto R.F., Affifah I. Monte Carlo simulation on TiO<sub>2</sub>: water thickness determination and electron scattering study on wet material. Gravity: Jurnal IImiah Penelitian dan Pembelajaran Fisika. 2021;7(2):78-84. doi: 10.30870/gravity.v7i2.11592.Кузьменко А.П., Родионов В.В., Колпаков А.И. Изучение распределения толщины титанового магнетронного покрытия на свинцовой сетке // Fundamental and applied approaches to solving scientific problems : сборник научных статей по материалам XVIII Международной научно-практической конференции. Ч. 1. Уфа: Вестник науки, 2025. С. 7–11.Kuzmenko A.P., Rodionov V.V., Kolpakov A.I. Study of the thickness distribution of Titanium magnetron coating on a lead grid. In: Fundamental and applied approaches to solving scientific problems : sbornik nauchnykh statei po materialam XVIII Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii = Fundamental and applied approaches to solving scientific problems : collection of scientific articles based on the materials of the XVIII International scientific and practical conference. Pt. 1. Ufa: Vestnik nauki; 2025. P. 7-11. (In Russ.)

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