比表面积的计算方法基于理想的泡沫金属锂离子电池Tetradecahedron模型

文摘

一种新的计算方法建立了四面体泡沫金属的比表面积。表达式的两个基本参数的泡沫金属孔隙度和孔隙大小得出利用该模型的几何关系;因此,金属泡沫材料的比表面积很容易计算。理论计算数据与实验结果进行比较;这表明不同比表面积的多孔金属,如镍泡沫和泡沫由电沉积铜和铝泡沫产生的高压渗透铸造,可以在本文提出的公式计算出。与其他类似的方程相比,该方法的计算结果具有较低的偏差和更大的实用性。

1。介绍

面临的双重压力,全球环境污染和化石燃料的消耗,可再生清洁能源的开发利用和高效储能技术已成为本世纪最主要的主题。锂离子电池被认为是一个有效的二次电池。经过30年的发展,锂离子电池已广泛应用于各种便携式电子设备。泡沫金属有望成为一个潜在的锂离子电池电极材料由于它的优良性能,如高孔隙度、高的比表面积和较低的体积密度。多孔金属的性能优良在沉默,分离、过滤、热交换、电化学过程和催化反应工程强烈取决于表面的结构形态和多孔材料的比表面积1- - - - - -5]。因此,其比表面积的测定已越来越引起了相关学者的注意。材料的比表面积是指单位体积或单位质量,表面积体积比表面积和前后者质量比表面积。腐蚀性能,它可以获得准确的结果结合表面积的结果和腐蚀形态之间的腐蚀行为,也可以通过比较不同金属泡沫定性(6]。疲劳性能,力学性能直接受到两个主要参数,包括孔隙度和孔隙直径,确定金属泡沫材料的表面积。因此,它表明有数值之间的联系的表面积和多孔金属材料的疲劳性能7,8]。目前,测量多孔材料的比表面积的方法包括气体吸附、压汞和液体渗透。其中,液体渗透方法比气体吸附法的测量和测量范围的上限和下限9- - - - - -11]。压汞法是一种简化的计算孔隙比表面积的身体后,毛孔被假定为一个统一的汽缸和有一定的误差。在现实中,实验材料的比表面积的测量通常是受等因素影响样品状态和设备条件,和理论计算仅限于简单的情况下,孔隙度和孔隙大小是已知的(12]。因此,迫切需要开发一个特定区域测量或计算方法是准确的,可以普遍应用于实践。多孔材料的孔隙度和孔隙大小基本性质,可以直接确定或简单地测量13]。直到现在,一些研究人员所做的调查的计算比表面积的泡沫材料,但实际应用中有一定的局限性14,15]。刘(16)计算了泡沫金属的比表面积基于常规的八面体的理想模型,但它仍然需要进一步改善的准确性。基于十二面体模型,段等。17)提供了一个计算方法泡沫金属的比表面积。然而,这种方法需要测量孔的宽度,和计算过程很麻烦。基于上述情况,相关的计算方法估算的孔隙尺寸和孔隙比表面积的多孔金属提出了基于tetrakaidecahedron模型。

2。理论模型和表达式

多孔多孔金属可以被认为是一个不规则的三维网络结构通过丝状金属连接。孔的形状是不同的,和struts是交错的。struts的材料的方向是不同的。然而,在一个各向同性多孔材料,内部导线的分布角度是相等的。结构模型简化为一个各向同性多孔金属材料根据多孔材料的综合性能。一个在电子显微镜下观察到的微观结构如图1;可以看出多孔材料是由大量的小细胞;tetradecahedron结构更类似于实际情况选择金属的基本细胞。

如图2,表面的开尔文tetradecahedron由六个regularograms和八个正六边形(18],它确保了多孔材料保持相同的上下,左右,前后方向。本文的晶胞结构多孔材料简化tetradecahedron,孔隙边缘是一个圆柱体。假设孔隙度(%),肋的长度,孔的半径,包含tetradecahedron的长度是一个立方体。的有效比表面积多孔金属表面积之和的比值tetradecahedral struts到相应的多孔体积。

把图2作为一个例子,用来计算几何方法的比表面积单位tetradecahedron。图3是一个投影视图多孔材料的一个细胞,这是一个正射投影tetradecahedron的某些角度。的表达tetradecahedron的半径和孔的半径可以由图中所示的几何关系。

结合正射投影与节点配置文件,如图4(一个节点的正射投影的酉tetradecahedron)。使用相关的维度来计算几何方法,实际的边缘长度多孔struts可以表示为

从公式(2)和(3),外表面面积可以计算为一个tetradecahedron

从棱镜的内表面积很小,总体影响多孔比表面积相关的属性是可以忽略不计,在公式(4)、内表面积的圆柱肋单元细胞将被忽略。因此,整个多孔结构的比表面积可以表达同样的比表面积单位细胞tetradecahedron:

从图5(向前tetradecahedron)的投影,投影面积的单位tetradecahedron可以吸引;因此,相当于圆形光圈可以从投影面积计算,孔径之间的关系和长度得到:

假设投影八面体等效圆形光圈” ,“公式(7)可以得到:

结合公式(2)之间的关系和可以获得。

考虑到流体流经多孔体的内部,是影响多孔体的结构,一个系数”“介绍正确的影响。通常情况下,““取决于材料及其制造工艺。

通过公式(8)和(9)之间的关系和介绍:

结合公式(5)和(10),比表面积可以简化和近似:

自实际孔边缘不光滑的圆柱,它是一个不规则三角棱镜类型;根据不同表面状态,可以表现出各种形状的改变取决于材料和制备过程,造成不同程度的表面积增加。因此,上述公式应该被修改系数”“这取决于材料和制造工艺。如果进展是简化的,那么可以写成:

为方便计算,定义如下:

然后,公式(12)可以表示为

其中,“(毫米)”是多孔体的孔隙大小,””是一个常数取决于材料的材料和过程。从实验的角度来看,这是证明了比表面积与孔隙度的增加而急剧增加孔径的材料并没有改变太多。但是公式(14)不符合实际情况。因此,校正因子”介绍了“修改公式,使其适合实际的多孔材料的比表面积13]。其中,常量”“也是一个材料系数,相关规律和几何多孔材料的一个单元,可以进一步优化公式

认为多孔材料的比表面积的影响因素,如材料,准备,和几何。介绍了两个参数的公式:“”(材料常数相关材料本身和制备方法)和“”(一个常数相关的规律性和几何的多孔材料的一个单元)。这两个材料常数是材料制备过程的影响。从理论上讲,理想的多孔材料,的价值”“是零。它可以从公式推导(15),当多孔材料的孔隙度保持不变,单元体的数量和比表面积随着孔径的增加减少。当孔隙直径保持不变时,单元体的数量和比表面积都随着孔隙率的增加而增加。然而,当孔隙度达到一定值时,空白墙变薄,薄,直到通过。

这导致减少表面积。因此,孔隙直径不变时,比表面积增加,然后随着孔隙体积的增加减少。

3所示。计算结果和分析

实验材料发泡金属电沉积获得的产品和高压渗流铸造,分别。泡沫和泡沫铜镍电镀产生的孔隙度89%和99%之间。泡沫铝具有良好的连接是由高压渗流铸造、孔隙度在73%和87%之间,孔隙直径范围从2.68毫米到2.87毫米。

3.1。对比实验数据和计算数据

2020自动尽快微粒学物理和化学吸附仪器使用。仪器不仅可以测量单点,多点打赌比表面积,朗缪尔比表面积,BJH中孔,孔隙分布、孔隙大小和总孔隙体积和面积,密度函数理论(DFT),还分析各种数据,如吸附热及平均孔径。仪器的工作原理是等温物理吸附的静态容量法。在这个实验中,选择气体吸附法测量铜泡沫的大小参数,包括比表面积和平均孔径记录在表中1。

使用方程(16库珀的比表面积),泡沫可以计算(取 , );结果列在表中1。

实验值和计算值之间的比较是绘制在图6。可以看出,计算结果与实验数据;偏差小于1.2%。提出了一种高精度的公式。

3.2。参考实验数据和计算结果分析

泡沫铝和泡沫镍的相关参数(12,16在表中列出)2和3。数据代入公式(15)获得的相应值和 ,和计算结果显示在表格的最后一行并与实验数据 。实验值和计算值之间的偏差是绘制在图7。

使用数据由文献[16)、比表面积的多孔镍可以计算( , )。

结果如表所示3。实验值和计算值之间的偏差是绘制在图8。

可以看出,理论结果之间的一致性高计算公式(15),实际的实验结果。三组数据的平均偏差为1.2%,最大偏差小于1.8%,证明了公式的准确性(15)。

它可以看到从上面的比较数据,公式可以适应泡沫金属电沉积类型和渗流铸造类型泡沫金属,表明该公式具有良好的通用性。本文的研究中,由于金属泡沫是由两个不同的过程,在其产品的形式有很大差别。中构造、表面特征、节点和内部状态的细胞可能是完全不同的,但是这个公式成功地翻译这些特定因素取决于材料类型和工艺条件的材料常数””和“”。所以公式可以应用于不同的材料有不同的过程。

的特定的值”和““上面是通过拟合实验数据,拟合值公式中使用,并得到满意的结果。平均误差和计算和实验结果之间的偏差范围非常小。相比于理论八面体模型(16)和十二面体模型(17),这个模型是基于实际的泡沫金属的微观结构;计算结果更加准确。

4所示。结论

孔隙度和孔隙大小是两个金属泡沫的基本参数。金属泡沫的两个参数总是容易衡量。但有时比表面积等数据不容易衡量。使用方程(15),常量和的材料可以很容易获得。建立特定的方程,无边无际的价值比表面积的材料可以间接计算孔隙度和孔隙直径。

考虑因素,如材料类型和制备过程,介绍了材料常数,比表面积多孔金属的表达基于孔隙度和孔隙大小。比表面积的多孔金属的电镀和高压渗流铸造类型多孔金属是分开计算。通过与实验结果比较,发现理论计算误差很小,公式的适用性是明显改善。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有利益冲突对这个刊物。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51471036和51471036号),湖南省教育科学研究项目(16 a002)和开放的基础能源效率和清洁利用湖南省重点实验室(2016号ngq007)。

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