состав и свойства — Информация

Пластиковый корпус и два контакта для подключения проводов. Именно так представляется автомобильный аккумулятор большинству из современных владельцев авто. Однако чтобы эксплуатировать его максимально эффективно, безопасно и без неожиданных сюрпризов, о батарее стоит знать немного больше.

 

Сегодня речь пойдет о столь важной составляющей конструкции авто и мото аккумуляторов, как электролит. Он представляет собой раствор серной кислоты, которая считается, пожалуй, одним из ключевых химических соединений в мире. Это обусловлено широким спектром ее применения. Раствор серной кислоты продается под различными наименованиями, которые зависят от степени крепости, а также уровня чистоты. Приведем несколько распространенных примеров:

 

• Камерная кислота – раствор серной кислоты с водой в пропорции от 60:40 до 70:30.
• Башенная кислота – раствор с соотношением от 75:25 до 82:18.
• Купоросное масло с содержанием серной кислоты до 97%.
• 100% серная кислота – моногидрат.

 

Если говорить о максимальной крепости, получаемой способом выпаривания, то этот параметр может достигать 98,5%. Однако для заправки аккумуляторных батарей ключевое значение приобретает чистота растворов купоросного масла с химической точки зрения.

 

Отметим также, что концентрированной серной кислотой называется совершенно прозрачная жидкость, не имеющая ни цвета, ни запаха. Она обладает консистенцию легкого масла. Ее удельный вес составляет 1б84 при температуре 15°С. В ней содержится примерно 95% серной кислоты. Концентрат может смешиваться с водой в любой пропорции. Изготавливая электролит в бытовых условиях, следует помнить, что смешивание воды и кислоты вызывает выделение значительного количества тепла. Температура кипения концентрированной серной кислоты составляет 338 градусов Цельсия.

 

Интересным фактом из курса химии является сокращение объема раствора. Примечательно то, что при смешении двух объемов серной кислоты и воды, соответственно, их итоговый объем будет меньше, чем суммарный.

 

Также обратите внимание на то, что удельный вес или плотность электролита авто или мото аккумулятора имеет непосредственную зависимость от тех температур, при которых работают аккумуляторы. Так, при эксплуатации в условиях низких температур нужен более плотный электролит. А в жарких странах – напротив – плотность электролита сознательно снижается. Это объясняется тем, что при таких температурах существенно повышается химическая активность раствора.

 

В заключение отметим, что плотность электролита также зависит от того, в каких режимах эксплуатируется батарея. Так, данный параметр для тяговых аккумуляторов обычно составляет 1.26 кг\с м³ , пусковые и осветительные источники питания имеют плотность до 1.3 кг\с м³ и т.д. Для автомобильных аккумуляторных батарей эта характеристика читается нормой, когда составляет 1.28 кг\с м³ .

23.08.2013, 77055 просмотров.

Электролит для автомобильных аккумуляторов

Электролит для автомобильных аккумуляторов

В процессе эксплуатации авто почти каждый владелец сталкивается с таким понятием как электролит. Его уровень необходимо контролировать, а также знать основные характеристики используемого раствора. Разумеется, сейчас есть выбор среди необслуживаемых (герметично запаянных) батарей и устройств с гелеобразным проводником внутри. Вместе с тем, преимущество и частота применения традиционных щелочных и кислотных аккумуляторов по-прежнему в приоритете. В нашей статье рассмотрен состав электролита для аккумуляторов автомобиля, его разновидности и нюансы применения.

Что такое электролит, его функции

Электролит в аккумуляторе автомобиля — это особая жидкость, обеспечивающая необходимое накопление энергии. От состава и качества такого проводника во многом зависит производительность и срок службы баратеи. Этот показатель измеряется циклами зарядка-разрядка и может отличаться для различных типов аккумулятора. Непосредственно в самом электролите происходит сохранение энергии после подзарядки. Большинство современных аккумуляторов работают с использованием электролитных растворов.

Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов

Автомобильные аккумуляторные батареи можно классифицировать по типу используемых веществ.

В основном они представлены двумя типами АКБ: щелочными и кислотными. Уже по названию становится понятно, что у них совершенно разная среда электролитного раствора. При покупке или замене жидкости необходимо учитывать этот момент, иначе батарея придет в негодность.

Состав электролитных растворов:

• Для щелочных АКБ используется смесь дистиллированной воды с растворенными в ней солями металлов.
• Кислотные аккумуляторы в качестве проводника используют раствор серной кислоты. Его плотность должна быть в пределах 1,1-1,3 гр/см³. Для самостоятельного приготовления раствора необходимо смешать кислоту и дистиллированную воду.

Недостатком подобных устройств можно считать необходимость регулярного осмотра и доливки в емкость дистиллированной воды. Батарея может выйти из строя при использовании обычной воды или другой подобной жидкости. Дело в том, что дистиллированная вода очищена от подавляющего большинства минеральных примесей. При использовании обычной жидкости, эти элементы вступают в реакцию с кислотой, что приводит к выпадению осадка и появлению налета на пластинах АКБ.

Применение дистиллированной воды хорошего качества позволит избежать таких ситуаций и продлит срок полезной эксплуатации батареи.

Процесс изготовления электролита

Для дозаливки АКБ используется только дистиллированная вода, но этот момент относится к приобретенной батарее с уже набранным электролитным раствором. Если же аккумулятор продавался «сухим», приготовить раствор и осуществить его заливку придется самостоятельно. С этим справится любой человек, главное — соблюдать меры безопасности и пропорции разведения веществ.

Для приготовления такого раствора используется серная кислота именно для АКБ. Она подвергается более высокой степени очистки, а ее плотность обычно составляет 1,84 гр/см³. Применение других типов веществ не может обеспечить необходимую чистоту и концентрацию раствора. Если самостоятельное приготовление вызывает затруднения, можно также использовать готовую купленную жидкость для дозаливки АКБ.

Приготовление электролита с кислой средой:

1. Емкость для разведения используется исключительно керамическая или из эбонита. Стекло быстро приходит в негодность вследствие агрессивного воздействия кислоты. Объем емкости также имеет значение и должен составлять не менее четырех литров.
2. Подходящий инструмент для размешивания раствора. Он также должен обладать стойкостью к кислой среде.
3. Ареометр — специальный прибор, измеряющий плотность жидкости. Для конкретного случая он должен определять плотность раствора кислоты (продается в автомагазинах).
4. Защитное снаряжение, включающее не только плотную одежду (рабочий фартук), но и перчатки, а также очки для защиты органов зрения.
5. В первую очередь необходимо промыть все элементы, с которыми будет впоследствии контактировать химикаты, дистиллированной водой. Это позволит избежать попадания в раствор посторонних примесей.
6. Важный момент: в емкость сначала наливают воду, а уже затем добавляют кислоту. Обратная последовательность вызовет бурную химическую реакцию с сильным повышением температуры. При такой ситуации трудно будет избежать ожогов и порчи окружающей обстановки, поэтому это правило следует запомнить обязательно.
7. При добавлении кислоты в жидкость, необходимо тщательно медленными движениями перемешать раствор, добиваясь однородного состояния.
8. Плотность электролитного раствора зависит от марки АКБ, поэтому этот момент обязательно стоит посмотреть в инструкции оборудования.
9. Для приготовления одного литра раствора следует взять 0,35 л серной кислоты и 0,7 — воды. При смешении, объем жидкости немного уменьшается. Кроме того, следует учитывать и температуру раствора, которая также влияет на его плотность. Желательно проводить замеры несколько раз, а использовать готовый раствор только после того, как окончательно убедитесь в его пригодности.

Заливка раствора в АКБ осуществляется при помощи воронки и все того же инструмента для помешивания. Делать это необходимо очень аккуратно, чтобы не вызвать нежелательных химических реакций в батарее. Остатки раствора не стоит утилизировать. Они пригодятся для дозаправки АКБ, поэтому их переливают в стеклянную емкость, плотно закрывают и обязательно маркируют с указанием даты приготовления.

Это необходимо, чтобы исключить риск использования негодного уже раствора, а также не перепутать емкость с другими техническими веществами.

Срок службы электролита

Непосредственно сам раствор может храниться длительный срок без потери основных характеристик. Для того, чтобы предупредить выпадение осадка, следует прятать емкость от прямых солнечных лучей и сильных температурных перепадов. Что касается электролита, уже залитого в батарею, его пригодность определить будет сложней, ведь на это влияют многие факторы.

На срок полезной эксплуатации АКБ влияют следующие факторы:

• Регулярная зарядка батареи.
• Поддержание комфортного температурного режима.
• Осмотр и дозаправка электролитом.
• Использование исключительно качественных химических веществ для приготовления раствора.

Точный период использования аккумулятора определить достаточно сложно. На это также влияет марка машины, оснащение дополнительными функциями и интенсивность эксплуатации авто. Кроме того, не так уж редко встречается и заводской брак, при котором из строя выходит вроде бы недавно приобретенная батарея. Обычно производители рекомендуют заменять аккумулятор каждые три-пять лет, но в современных реалиях многие автолюбители не расстаются с ним на протяжении пяти-семи лет.

Как контролировать электролит

Электролит для кислотных аккумуляторов, впрочем, как и для его щелочных аналогов, не имеет фактического срока годности. Обычно сухозаряженная батарея заправляется только раз, после чего осуществляется доливка раствора при необходимости до нужного уровня. Полная замена раствора понадобится нечасто, обычно в случае его помутнения вследствие использования обычной или некачественной дистиллированной воды.

Плотность электролита летом и зимой

В зависимости от температурных режимов эксплуатации авто, необходимо контролировать и плотность используемого электролитного раствора. Для этого необходимо уяснить несколько правил, а также внимательно изучить инструкцию по эксплуатации именно вашего типа батареи.

Что важно знать:

• В северных регионах с суровыми зимами плотность электролита должна быть в пределах 1,27-1,29 гр/см³.
• Для Средней полосы с умеренным климатом предпочтительная плотность электролита от 1,25-1,27 гр/см³.
• В южной части страны плотность электролитного раствора варьируется в пределах 1,23-1,25 гр/см³.

Для продолжительной работы аккумулятора рекомендуется снимать устройство при длительном простое (например, на ночь). Считается, что окружающая температура ниже 30 градусов мороза отбирает у батареи более 50% заряда, что негативно влияет на ее дальнейшую эксплуатацию. Также необходимо знать, какой электролит заливать в аккумулятор летом. Он должен иметь меньшую плотность, нежели «зимний» вариант. Это облегчит прохождение и накопление разряда, а также положительно скажется на продолжительности эксплуатации батареи.

Как добиться нужной плотности в аккумуляторе

При самостоятельном изготовлении раствора, необходимо не только знать, из чего состоит электролит. Главное требование — обеспечение нужной плотности жидкости, чтобы заряд хорошо сохранялся в такой среде. Для контроля и проверки этого показателя применяется простой и доступный прибор — ареометр. Он работает по принципу закона Архимеда и показывает плотность жидкости. При недостаточном ее уровне, раствор разбавляется кислотой, а если необходимо понизить плотность — добавляется дистиллированная вода.

Электролитный раствор обеспечивает работу аккумуляторной батареи, а также определяет ее производительность. При правильном подходе, эта жидкость в обязательном порядке периодически тестируется, доливается, либо заменяется полностью. На работу АКБ в большей мере влияет и температура окружающего воздуха, поэтому в особо суровые морозы стоит заносить аккумулятор в тепло. Какой электролит заливать в аккумулятор зимой, а также другие нюансы приготовления и применения этого проводника рассмотрены в нашей информации.

Если материал был для вас интересен или полезен, опубликуйте его на своей странице в социальной сети:

Добавить комментарий

В начало страницы

Новый аккумуляторный электролит может увеличить модельный ряд электромобилей

Начало основного контента

Избранные отчеты

Новый электролит на основе лития, изобретенный учеными Стэнфордского университета, может проложить путь к следующему поколению электромобилей с батарейным питанием.

В исследовании, опубликованном 22 июня в журнале Nature Energy , исследователи из Стэнфорда демонстрируют, как их новая конструкция электролита повышает производительность литий-металлических батарей, многообещающей технологии для питания электромобилей, ноутбуков и других устройств.

Обычный (прозрачный) электролит слева и новый Стэнфордский электролит
справа. (Изображение предоставлено Чжао Ю)

«Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, которые быстро приближаются к своему теоретическому пределу плотности энергии», — сказал соавтор исследования И Цуй, профессор материаловедения и инженерии, а также фотонной науки. в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Наше исследование было сосредоточено на литий-металлических батареях, которые легче литий-ионных батарей и потенциально могут обеспечивать больше энергии на единицу веса и объема».

Литий-ионный против металлического лития

Литий-ионные аккумуляторы, используемые во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют два электрода — положительно заряженный катод, содержащий литий, и отрицательно заряженный анод, обычно сделанный из графита. Раствор электролита позволяет ионам лития перемещаться туда и обратно между анодом и катодом, когда батарея используется и когда она перезаряжается.

Литий-металлическая батарея может удерживать в два раза больше электроэнергии на килограмм, чем современная обычная литий-ионная батарея. Литий-металлические батареи делают это, заменяя графитовый анод металлическим литием, который может хранить значительно больше энергии.

«Литий-металлические батареи очень перспективны для электромобилей, где вес и объем имеют большое значение», — сказал соавтор исследования Чжэнан Бао, K.K. Ли Профессор инженерной школы. «Но во время работы литий-металлический анод реагирует с жидким электролитом. Это вызывает рост литиевых микроструктур, называемых дендритами, на поверхности анода, что может привести к возгоранию и выходу батареи из строя».

Исследователи десятилетиями пытались решить проблему дендритов.

«Электролит был ахиллесовой пятой литий-металлических аккумуляторов», — сказал соавтор Чжао Юй, аспирант по химии. «В нашем исследовании мы используем органическую химию для рационального проектирования и создания новых стабильных электролитов для этих батарей».

Новый электролит

В ходе исследования Ю и его коллеги изучили, могут ли они решить проблемы стабильности с помощью обычного имеющегося в продаже жидкого электролита.

«Мы предположили, что добавление атомов фтора в молекулу электролита сделает жидкость более стабильной, — сказал Юй. «Фтор — широко используемый элемент в электролитах для литиевых аккумуляторов. Мы использовали его способность притягивать электроны для создания новой молекулы, которая позволяет металлическому литиевому аноду хорошо функционировать в электролите».

Результатом стало новое синтетическое соединение, сокращенно FDMB, которое можно легко производить в больших количествах.

«Конструкции электролитов становятся очень экзотичными, — сказал Бао. «Некоторые из них подали хорошие надежды, но их производство очень дорого. Молекулу FDMB, которую придумал Чжао, легко производить в больших количествах, и она довольно дешевая».

«Невероятная производительность»

Команда из Стэнфорда протестировала новый электролит в литий-металлическом аккумуляторе.

Результаты были потрясающими. Опытная батарея сохранила 90 процентов от первоначального заряда после 420 циклов зарядки и разрядки. В лабораториях типичные литий-металлические батареи перестают работать примерно через 30 циклов.

Кандидаты в доктора наук и ведущие авторы Хансен Ван (слева) и Чжао Ю (справа) тестируют экспериментальную клетку в своей лаборатории. (Изображение предоставлено Hongxia Wang.)

Исследователи также измерили, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом во время зарядки и разрядки, свойство, известное как «кулоновская эффективность».

«Если вы зарядите 1000 ионов лития, сколько вы получите обратно после разрядки?» — сказал Цуй. «В идеале вам нужно 1000 из 1000 для кулоновской эффективности 100 процентов. Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, элемент батареи должен иметь кулоновский КПД не менее 99,9%. В нашем исследовании мы получили 99,52% в полуячейках и 99,98% в полных ячейках; невероятное выступление».

Аккумулятор без анода

Для потенциального использования в бытовой электронике команда из Стэнфорда также протестировала электролит FDMB в безанодных литий-металлических мешочных элементах — имеющихся в продаже батареях с катодами, которые подают литий к аноду.

«Идея состоит в том, чтобы использовать литий только на стороне катода для снижения веса», — сказал соавтор Хансен Ван, аспирант в области материаловедения и инженерии. «Безанодная батарея проработала 100 циклов, прежде чем ее емкость упала до 80 процентов — не так хорошо, как эквивалентная литий-ионная батарея, которая может работать от 500 до 1000 циклов, но все же одна из самых эффективных безанодных элементов».

«Эти результаты обнадеживают для широкого спектра устройств», — добавил Бао. «Легкие безанодные аккумуляторы станут привлекательной чертой для дронов и многих других потребительских электронных устройств».

Battery500

Министерство энергетики США (DOE) финансирует большой исследовательский консорциум под названием Battery500, чтобы сделать литий-металлические батареи жизнеспособными, что позволит производителям автомобилей создавать более легкие электромобили, которые могут преодолевать гораздо большие расстояния между зарядками. Это исследование было частично поддержано грантом консорциума, в который входят Стэнфорд и SLAC.

Улучшая аноды, электролиты и другие компоненты, Battery500 стремится почти втрое увеличить количество электроэнергии, которую может обеспечить литий-металлическая батарея, со 180 ватт-часов на килограмм, когда программа была запущена в 2016 году, до 500 ватт-часов на килограмм. Более высокое отношение энергии к весу, или «удельная энергия», является ключом к решению проблем с запасом хода, которые часто возникают у потенциальных покупателей электромобилей.

«Безанодная батарея в нашей лаборатории достигла удельной энергии около 325 ватт-часов на килограмм, приличное число», — сказал Цуй. «Нашим следующим шагом может быть совместная работа с другими исследователями из Battery500 для создания элементов, которые приближаются к цели консорциума в 500 ватт-часов на килограмм».

Испытание на воспламеняемость обычного карбонатного электролита (слева) и нового электролита FDMB (справа), разработанного в Стэнфорде. Обычный карбонатный электролит воспламеняется сразу после контакта с пламенем, но электролит FDMB может выдерживать прямое пламя в течение не менее трех секунд. (Кредит Чжао Юй)

В дополнение к более длительному сроку службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее горюч, чем обычные электролиты, как показали исследователи во встроенном видео.

«Наше исследование, по сути, представляет собой принцип проектирования, который люди могут применять для создания лучших электролитов», — добавил Бао. «Мы только что показали один пример, но есть много других возможностей».

Другие соавторы из Стэнфорда: Цзянь Цинь , доцент кафедры химического машиностроения; ученые с докторской степенью Сянь Конг, Кеченг Ван, Вэньсяо Хуан, Снехашис Чоудхури и Чибуезе Аманчукву; аспиранты Уильям Хуан, Ючи Цао, Дэвид Макканик, Ю Чжэн и Саманта Хунг; и студенты Ютинг Ма и Эдер Ломели. Синьчан Ван из Сямэньского университета также является соавтором. Чжэнань Бао и И Цуй — старшие научные сотрудники Стэнфордского университета 9.0010 Предварительный суд Института энергетики . Цуй также является главным исследователем в Стэнфордском институте материаловедения и энергетики , совместной исследовательской программы SLAC и Стэнфорда.

Эта работа также была поддержана Программой исследований аккумуляторных материалов Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США. Двое соавторов поддерживаются Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда и Постдокторской стипендией Центра TomKat в области устойчивой энергетики в Стэнфорде. Оборудование, используемое в Стэнфорде, поддерживается Национальным научным фондом.

Десятикратное улучшение жидкостных батарей означает, что заправка электромобиля может занять несколько минут

Что такого особенного в этой жидкостной, или проточной, батарее?

‘Обычный электромобиль имеет надежный аккумулятор, и когда он разряжается, вы должны подзарядить его, подключив к розетке. Это занимает полчаса или около того, если вы найдете зарядное устройство на автомагистрали, или до 12 часов дома. Наша батарея, однако, сделана из жидкости, а не твердого тела. Если у вас закончился заряд, вы можете, в принципе, откачать отработанную жидкость и, как в обычном автомобиле с бензиновым или дизельным двигателем, заполнить его уже заряженной жидкостью. А это займет несколько минут».

Как это работает?

«Часть батареи, содержащая заряд, известна как электролит, и когда она состоит из твердого вещества, она зажата между двумя электродами. Когда вы используете батарею, внутри электролита происходит химическая реакция, и заряд переходит от одного электрода к другому, пока электролит не истощится. Затем вы заряжаете аккумулятор, направляя заряд в противоположном направлении через электроды, пока система не зарядится.

‘Проточная батарея отличается. Здесь, поскольку электролит состоит из жидкости, его можно хранить в резервуаре и прокачивать мимо электродов во время работы. Поскольку у вас есть гораздо больше электролита, проточная батарея может производить много энергии — вы получаете больше отдачи от затраченных средств». в непрерывном потоке жидкости, а не твердого тела?

«Точно. Кроме того, поскольку электролит представляет собой простую неорганическую соль в воде, можно контролировать старение. Внутри обычной литиевой батареи твердая система со временем деградирует, так что заряд с трудом перемещается вперед и назад. По этой причине литиевые батареи служат только определенное количество циклов заряда-разряда. Однако в нашей неорганической жидкой батарее этот процесс старения не происходит таким же образом, потому что неорганическая соль очень стабильна».

Почему раньше никто не додумался использовать проточные аккумуляторы в электромобилях?

‘Проточные батареи существуют уже давно, но их главная проблема – низкая плотность энергии. Другими словами, хотя вы можете производить много энергии, вам нужен очень большой резервуар с электролитом для ее подачи — слишком большой для мобильных приложений.

‘Как химик, меня интересовало, как мы можем получить больше электронов — больше заряда — в объеме пространства. В этом году мы с коллегами обнаружили, что если сделать электролит из оксида металла очень высокой концентрации, он сможет поглотить гораздо больше заряда, чем мы ожидали. В результате получилась проточная батарея с плотностью энергии примерно в десять раз большей, чем была достигнута ранее — 225 ватт-часов на литр с возможностью до 1000 ватт-часов на литр. Я внезапно понял, что с такой плотностью энергии возможно применение в транспортных средствах».

»

«Проточная батарея может производить много энергии — вы получаете больше отдачи от затраченных средств».

Профессор Ли Кронин, кафедра химии Regius, Университет Глазго, Великобритания.

Какова производительность по сравнению с текущими батареями в электромобилях?

«Например, Tesla Model 3 имеет батарею на 70 киловатт-часов. Чтобы иметь такую ​​же емкость, нам потребуется не менее 70 литров лучшей версии нашей батареи — это примерно столько же, сколько топливный бак в бензиновом автомобиле».

Насколько сложно это реализовать на практике?

«Нет причин, по которым проточную батарею нельзя было бы установить на существующий электромобиль, при условии, что она генерирует такую ​​же мощность и занимает то же место. Между тем, на всех заправочных станциях в мире есть насосы, и они привыкли перекачивать жидкости, поэтому большая часть инфраструктуры уже существует. Жидкости, которые мы используем, вызывают коррозию, но можно рассмотреть возможность модернизации трубопроводов, чтобы справиться с этим. Возможно, потребуется модернизировать резервуары для хранения, но модернизировать что-то намного дешевле, чем строить совершенно новую инфраструктуру. Основное преимущество заключается в том, что наши электролиты экологически чистые — разряженные электролиты можно перезарядить, возможно, с использованием возобновляемой электроэнергии, и передать следующему покупателю».

Что мешает нам сделать это прямо сейчас?

‘Необходимо много инженерных работ, чтобы убедиться, что он может работать безопасно и надежно. В настоящее время мы переносим наши знания из лаборатории на испытательный стенд и разрабатываем прототип. Мы хотим проверить, что мы получаем ожидаемую плотность энергии, и что механика накачки работает. Если бы у меня были все деньги, я мог бы представить себе три шага: создать прототип для проверки всей работы и оптимизации эффективности, создать еще один для использования в стационарном приложении и, наконец, установить его в автомобиле.