Коррозионная стойкость токоотводов с магнетронным покрытием из Ti на положительных электродах свинцово-кислотных аккумуляторов

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

   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. 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. 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.

1. Oxygen-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.

2. Hierarchical porous carbon@PbO_1-x 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.

3. 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.

4. 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.

5. Pavlov D. Lead-acid batteries: science and technology. Elsevier, 2011. 656 р.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. Septiyanto R.F., Affifah I. Monte Carlo simulation on TiO₂: 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.

24. 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.