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10-甲基吩噻嗪在碳酸二甲酯溶液中的扩散系数测量摘要:本文利用数字全息干涉法测量了10-甲基吩噻嗪在碳酸二甲酯溶液中的扩散系数测量,实验测量的摩尔浓度范围为0.025mol/L-0.125mol/L(间隔0.05mol/L),温度为293.15K、298.15K、303.15K和308.15K,测量不确定度为0.011×10-9m2/s。实验结果显示:对于本文所研究的混合物,随着溶液温度的升高,扩散系数增大。在293.15K下,浓度对扩散系数的影响很小;在298.15K、303.15K、308.15K下,扩散系数随浓度变化呈现先增大后减小的趋势,在0.5mol/L附近出现极大值,且极大值点随着温度的升高愈加明显。关键词:锂电池;10-甲基吩噻嗪;碳酸二甲酯;全息干涉法;扩散系数0 引言在有机电解液中添加氧化还原对过充电保护剂是解决高功率车载动力锂离子电池过充问题的最有效方法之一[1,2]。氧化还原对溶解在有机电解液中,电池充电饱和后,氧化还原对首先在阳极被氧化,显正电性,在电场作用下移动至阴极被还原。这一过程同时使得氧化还原对在阴极和阳极间形成一定的由高到低的浓度梯度,在该浓度梯度的驱动下氧化还原对自由扩散至阳极继续被氧化,如此往复消耗充电电量[3,4]。在过充电保护过程中,氧化还原对保护剂所能承载最大充电电流取决于很多因素,氧化还原对中性分子与电解液间的扩散系数就是其中的关键因素之一。此外,最大充电电流与该扩散系数成正比[5]。因此,氧化还原对中性分子在有机电解液中的扩散系数,是动力锂离子电池用氧化还原对筛选、最佳浓度确定等锂电池的关键设计环节中必需的基础热物性数据。然而,通过文献调研发现,目前还没有专门针对这一扩散系开展的实验及理论研究。2007年,J. R. Dahn团队针对以LiFePO4为正极材料的锂离子电池,利用循环伏安法(CV),研究了60多种氧化还原对保护剂对过充电的保护作用,结果表明,2,5-二叔丁基-1,4-二甲氧基苯(DDB)、10-甲基吩噻嗪(MPT)、2,2,6,6-四甲基哌啶(TEMPO)及其衍生物具有良好的性能[4,6]。同时,Dahn等通过电极间电流、电势的变化趋势粗略的获得了0.1mol/L、30oC下DDB、MPT、TEMPO在碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PC)四元混合物(浓度比2:2:1:1)中的扩散系数[5]。但受测量方法限制,不能实现变温度、浓度参数下的测量,即仅限于单点实验数据。目前,相关研究报道仅限于此。因此,本文利用数字全息干涉法流体扩散系数实验测量系统,测量了293.15K、298.15K、303.15K、308.15K下,MPT在DMC溶液中的扩散系数,浓度范围为0.025~0.125mol/L。并将逐步展开氧化还原对在有机电解液中扩散规律的研究。1 实验原理对于沿z轴方向的一维扩散,根据Fick第二定律有:(1)式中:D12为扩散系数,c为溶液浓度,t为扩散时间,z为扩散方向。在数字全息干涉法流体扩散系数测量过程中,随着扩散的进行,上下两种溶液的浓度随时间发生改变,根据浓度差、探测光相位差和扩散系数之间的数学关系,可以得到t时刻探测光相位分布?(z,t)为[7]:(2)式中:λ为入射光波长,a为溶液的厚度,Δn为两种不同浓度溶液间初始折射率之差,?0为初始相位。图1给出了探测光相位分布于扩散方向的关系,根据(2)式,相位分布的峰值点对应的z1和z2之间的距离与D12·t存在对应关系。图1 扩散系数与相位信息之间的关系记录不同时刻的全息干涉图像,通过最小二乘法拟合得到探测光的相位分布,可以计算得到一系列的D12·t值,显然D12·t与t呈线性关系,斜率即扩散系数D12[7]。由于扩散的初始时刻难以精确地确定,那么式(2)中的D12t必然不准确。因此,引入零时刻t0,得:(3)式中:trecord表示全息干涉图的记录时间,参数B等于-D12t0。通过线性拟合D12t与trecord之间的关系可以得到D12。2 实验系统本文的实验系统基于数字全息干涉法搭建而成,实验系统结构示意图如图3所示,它主要由光学干涉部分、扩散系统以及图像采集与处理部分组成,实验系统的详细介绍参见文献[8,9]。氦-氖激光器发出一束波长为λ=632.8nm的激光,通过空间滤波器和准直透镜扩束至40mm的平行光。分光棱镜将这束平行光等分振幅为探测光和参考光,探测光穿过扩散系统后与参考光通过分光棱镜发生干涉,得到全息干涉条纹图像,通过CCD相机采集图像,经过计算机程序对干涉图像进行小波去噪和相位包裹处理之后,可以得到相位分布。图3实验系统结构示意图3 实验系统不确定分析及校验溶液配制过程中,使用电子天平(0.0001g)对MPT进行称量,使用100mL容量瓶进行溶
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