Как проверить плотность электролита в аккумуляторе или поднять его
Вовсе не редкостью являются ситуации, когда двигатель не хочет заводиться и возникают проблемы с пуском. Довольно часто причина кроется именно в разряженном аккумуляторе. Это становится следствием изменения свойств содержащегося внутри электролита. Её необходимо поднять.
Но прежде чем начинать мероприятия по изменению плотности, нужно понять причины, из-за которых такая ситуация возникла. Просто так качество раствора, состоящего из дистиллированной воды и серной кислоты, меняться не будет.
Определившись с причинами, удастся правильно провести ремонтно-восстановительные мероприятия, продлить срок службы АКБ и отложить покупку новой батареи. На практике повлиять на плотность вовсе не так сложно.
Содержание
- Причины снижения плотности
- В чём опасность высокой и низкой плотности
- Правильные показатели плотности
- Как проверить плотность
- Особенности повышения плотности
- Повышение с помощью ЗУ
Причины снижения плотности
Есть несколько факторов, влияющих на показатели плотности у электролита в аккумуляторах.
К ним можно отнести такие моменты:
- Разряд АКБ. Одна из главных причин, почему падает плотность электролита в автомобильном аккумуляторе. Параллельно со снижением заряда падают и показатели плотности. Заряжая АКБ, плотность постепенно повышается. Когда происходит потеря большой части ёмкости, это указывает на изменение концентрации состава в сторону уменьшения.
- Эксплуатация. Со временем батарея изнашивается естественным путём, то есть длительная эксплуатация также влияет на кислоту.
- Хранение. Особенно опасным и вредным считается продолжительное хранение в условиях пониженной температуры.
- Выкипание. Электролит может выкипать при перезаряде. Это может произойти под влиянием зарядного устройства либо из-за неисправного генератора.
- Злоупотребление водой. Чтобы поддерживать уровень электролита, водители часто добавляют воду. Но забывают воспользоваться прибором для проверки плотности. Помимо воды, могут происходить и потери кислоты. Тем самым, добавляя воду, меняется плотность.
Если будет установлена точная причина, из-за которой плотность электролита в вашем аккумуляторе падает, вы сможете без особых сложностей её устранить. Но важно понимать, что не всегда ресурс АКБ зависит от плотности. Случается и так, что без замены батареи никак не обойтись.
В чём опасность высокой и низкой плотности
Не всем автомобилистам известно, на что именно влияет плотность содержащегося в аккумуляторе раствора электролита, а как её изменение может повлиять на АКБ.
В действительности как низкая, так и высокая плотность, наблюдаемая у электролита, может поставить крест на аккумуляторе и привести к необходимости его замены.
Когда концентрация выше допустимой нормы, батарея раньше своего времени выходит из строя. Кислота постепенно начинает разрушать пластины.
В низкой концентрации тоже нет ничего хорошего. При этом протекают такие процессы:
- Сульфатация. Это процесс образования на пластинах из свинца белого твёрдого налёта. Из-за него АКБ попросту не может принимать заряд.
- Увеличивается порог замерзания. Если кислоты в составе мало, раствор может начать кристаллизоваться даже при -5 градусах Цельсия. Ледяная корка деформирует внутренние компоненты, может произойти короткое замыкание на пластинах.
- Нарушится пуск двигателя. Это будет проявляться в основном в зимний период.
Как видите, последствия изменения плотности разные, но все они ни к чему хорошему для автовладельца не ведут.
Правильные показатели плотности
Теперь закономерно спросить, какая же плотность тогда должна быть в аккумуляторе автомобиля.
Обычно не предусматривается существенное изменение плотности у электролита в аккумуляторах зимой и летом, ориентируясь только на период холодов.
Существуют специальные таблицы с параметрами плотности электролита в аккумуляторах, в зависимости от климатической зоны. То есть температура окружающей среды непосредственно связана с тем, какая концентрация смеси из кислоты и воды должна быть в АКБ.
Если говорить об эксплуатации аккумулятора под капотом автомобиля зимой, то плотность и его норма должны соответствовать таким значениям:
- При эксплуатации АКБ зимой, при отрицательной температуре, плотность заливаемого электролита должна составлять 1,27 г/см3.
- Если это крайний север с температурой от -30 до -50 градусов, при заливке должно быть 1,27, а при полном заряде АКБ 1,29.
- Для северного региона с температурой от -15 до -30 это 1,26 и 1,28 г/см3 для заливаемого электролита и при полностью заряженной батарее соответственно.
- Когда температура находится в пределах от -4 до -15 градусов, тогда таблица по плотности электролита в автомобильном аккумуляторе подсказывает о поддержании значений на уровне 1,24-1,26.
- Если это южный регион, когда температура редко падает ниже -10 градусов, хватит и 1,22-1,24 г/см3.
- В тропических регионах с положительной температурой даже зимой используют электролиты с плотностью 1,2-1,22 г/см3.
Да, плотность электролита, используемого в аккумуляторе зимой или летом, напрямую зависит от погодных условий.
Несколько корректировать плотность у электролита в автомобильном аккумуляторе летом нужно, если наблюдается сильная жара. Концентрация несколько снижается.
Главным условием поддержания работоспособности АКБ является не плотность электролита, а уровень заряда батареи.
Поэтому старайтесь всегда следить за степенью заряда, параллельно используя ареометр для проверки плотности.
Как проверить плотность
Далее следует рассказать о том, как можно проверить плотность в аккумуляторе и что для этого потребуется использовать.
Проверять плотность можно только в обслуживаемых и малообслуживаемых АКБ, где есть доступ к содержимому батареи.
Ведь закрытые виды батарей, которые считаются необслуживаемыми, не оснащены крышками банок. То есть их не получится открутить и специальным прибором оценить состояние рабочей жидкости.
Если вы не знаете, как проверять параметры плотности электролита в аккумуляторах, ознакомьтесь со следующей инструкцией.
Для работы вам потребуется определённый набор. Состоит он из:
- защитных перчаток;
- закрытой одежды;
- очков;
- денсиметра.
Именно денсиметр позволяет измерить плотность содержащегося в аккумуляторе электролита.
Этот прибор для измерения плотности представляет собой стеклянную трубочку с грушей, а также встроенный ареометр. Фактически именно ареометр способен показать, какая концентрация электролита в вашем аккумуляторе.
Далее остаётся выполнить лишь несколько пошаговых действий.
Предлагаем инструкцию о том, как правильно проверить плотность у обслуживаемого автомобильного аккумулятора:
- Аккумулятор отключается от проводов, снимаются клеммы, устройство извлекается с посадочного места. Защитный кожух следует снять и открутить пробки подручным инструментом.
- Далее проверяется уровень раствора. Обычно он должен быть на 10-15 мм. выше уровня пластин.
- Если АКБ не заряжена, её следует подключить к зарядному устройству. По завершению зарядки нужно подождать около 5-7 часов.
- Если уровень жидкости нормальный, внутрь одной из банок погружается прибор, грушей выкачивается немного раствора.
- Ареометр должен оказаться погружённым в смесь, не касаться стенок колбы.
- Считываются данные на ареометре и записываются.
- Те же самые процедуры проводятся на остальных банках.
- Выполняется сравнение полученной информации с показателями нормы.
Проводить такие работы следует только при положительной температуре. Оптимально добиться диапазона 20-25 градусов Цельсия.
У необслуживаемых АКБ предусмотрен цветовой индикатор, позволяющий понять текущую плотность и состояние батареи.
В основном этот индикатор отражает степень заряда. Зелёный означает полный заряд, белый — около 50%, а чёрный — полную потерю заряда.
Особенности повышения плотности
Приняв во внимание все нюансы, стоит рассказать о том, как поднять плотность при изменении концентрации электролита в аккумуляторе.
Сделать это можно самостоятельно. Ведь чтобы поднять сниженную плотность у электролита, никаких отверстий в аккумуляторе обслуживаемого типа делать не придётся.
Нормой измерения при комнатной температуре считается 1,25-1,29 г/см3. Если показатели ниже, нужно поднимать плотность. Снижение параметров только в одной банке указывает на короткое замыкание.
Есть несколько рекомендаций для того, чтобы повысить плотность упавшего электролита в самом аккумуляторе. Для начала нужно сделать следующее:
- Полностью зарядить АКБ, поскольку проверять плотность при разряде проводить нельзя. Добавив электролит, концентрация резко увеличится и начнётся разрушение пластин.
- Привести температуру жидкости в норму. Работать следует в диапазоне 20-25 градусов Цельсия.
- Убедиться, что уровень в каждой банке соответствует норме.
- Осмотреть АКБ на предмет повреждений и дефектов.
Далее проводится непосредственно сама корректировка параметров плотности с помощью электролита, чтобы в аккумуляторе восстановить рабочие характеристики.
Если уровень слишком низкий и упал ниже 1,18 г/см3, восстановлению такая АКБ уже не подлежит.
Если плотность выше этого порога, её требуется увеличить. Для этого нужно:
- разрядить АКБ, подключив её к какому-нибудь потребителю вроде лампочки;
- подготовить корректирующий электролит, продаваемый в магазинах;
- с помощью груши откачать небольшое количество смеси из каждой банки;
- добавить не более 50% от откаченного объёма новый электролит;
- поставить батарею на зарядку минут на 30, чтобы выровнять концентрацию во всех банках;
- дать постоять АКБ на ЗУ при минимальном зарядном токе;
- отключить батарею.
Примерно через 2-3 часа делается повторная проверка. Если концентрация ещё недостаточная, процедура повторяется.
Повышение с помощью ЗУ
Отдельного внимания заслуживает вопрос о том, как поднять упавшую плотность в своём аккумуляторе, воспользовавшись зарядным устройством.
Суть заключается в том, чтобы восстановить постепенно плотность залитого электролита путём подачи минимального тока. В необслуживаемом автомобильном аккумуляторе доступа к банкам нет. Тут единственным решением будет поставить АКБ на ЗУ и подождать 1-3 суток.
Это позволит постепенно испаряться лишней влаге, и тем самым плотность кислотно-водного раствора будет увеличиваться.
Процедура восстановления электролита не самая сложная, но при её выполнении важно соблюдать ряд рекомендаций.
Неисправности аккумуляторов | Эко Технологии
Из-за неправильного ухода и обслуживания, аккумуляторная батарея может выйти из строя. Неисправности и методы их устранения у тяговых и стартерных аккумуляторов аналогичны. Рассмотрим основные признаки поломок аккумуляторов и способы их устранения.
1. СульфатацияПризнаки:
Повышено напряжение на аккумуляторах в начале зарядки. Низкая плотность электролита к концу зарядки, не достаточная ёмкость. На пластинах образуется крупный кристаллический серно-кислый свинец, вследствие этого аккумулятор не принимает ток.
Причины:
- Нерегулярная и недостаточная зарядка во время эксплуатации.
- Простой в разряженном состоянии.
- Эксплуатация при низком уровне электролита.
- Доливка электролита, вместо дистиллированной воды.
- Эксплуатация при высоких температурах.
Что делать?
Неглубокая сульфатация устраняется при помощи нескольких выравнивающих зарядов. При глубокой сульфатации проводятся более трудоёмкие работы, они описаны в каждом паспорте аккумулятора. Но процесс сульфатации необратим, поэтому в скором времени придется менять аккумулятор.
Признаки:
Плотность электролита не увеличивается во время зарядки. Высокая температура электролита и сильное отделение газов в неисправных аккумуляторах. Систематическое снижение плотности электролита в неисправном аккумуляторе при неполном коротком замыкании.
Причины:
В аккумуляторе может произойти короткое замыкание, связанное с осыпанием активной массы и разрушением свинцовой основы сепараторов.
Что делать?
В этом случае Вам лучше купить новый аккумулятор. Неустранимый дефект.
3. Повышенная саморазрядка аккумулятораПризнаки:
Аккумулятор быстро разряжается. Быстрое снижение напряжения и плотности электролита в неработающей батарее.
Причины:
Причиной быстрого саморазряда аккумулятора может быть либо загрязнение аккумуляторной батареи, либо загрязнение электролита.
Что делать?
В этом случае Вам надо протереть насухо контактные части аккумулятора, проверить чистоту электролита, по результату заменить электролит на новый.
4. Прерванная цепьПризнаки:
Отсутствие напряжения на полюсных выводах или между отдельными аккумуляторами.
Причины:
Дефект сварки полюсного вывода или соединителя между аккумуляторами. Плохой контакт у болтовых соединений в результате плохой затяжки с неподходящим моментом вращения.
Что делать?
Новая сварка. Дополнительное затягивание болтовых соединений и проверка динамометрическим ключом.
5. Смена полярности аккумулятораПризнаки:
Пониженное общее напряжение аккумуляторной батареи. Глубокая разрядка батареи без интервалов для восстановления. Отделение газов из аккумуляторов.
Причины:
Неправильная связь с токовыпрямителем.
Что делать?
Трудноустранимый дефект. Рекомендуется замена аккумуляторной батареи.
6. Сильное окисление полюсных клемм аккумулятораПризнаки:
Напряжение на выводах батареи есть, а стартер не крутится. Клеммы греются. Это приводит к прекращению подачи тока или увеличению сопротивления в цепи, что может вывести из строя всю электрику.
Причины:
Не проводилась очистка полюсных клемм.
Что делать?
Необходимо снять клеммы и зачистить их, а также зачистить выводные штыри аккумулятора, потом поставить все на место, проверить надежность крепления клемм. Клемма должна крепко сидеть на штырях и не двигаться, затем сверху смазать клеммы техническим вазелином или его заменителем.
литий-металлический анод для аккумуляторов
литий-металлический анод для аккумуляторовМун Сек Ким
23 октября 2020 г.
Представлено в качестве курсовой работы для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2020 г.
Преимущества использования литий-металлических анодов
Рис. 1: Емкость металлического анода Li Q A по сравнению с толщиной лития T Li рассчитано с использованием уравнение (1). (Источник: М. С. Ким) |
Металлический литий является идеальным анодным материалом для Li батарей благодаря следующим свойствам. [1]
Низкая плотность: 0,534 г см -3
Низкий восстановительный потенциал: -3,04 В по сравнению с SHE
Высокая теоретическая удельная мощность: 3861 мАч г -1 и 2061 мАч см -3
Низкая плотность лития помогает уменьшить общую массу и объем, что помогает улучшить как гравиметрические, так и объемные емкости и плотность энергии литиевой батареи.
Кроме того, низкий восстановительный потенциал Li позволяет ячейке работать при относительно высоком напряжение, которое также увеличивает плотность энергии литиевой батареи.Теоретическая весовая и объемная емкости литий-металлического анода
Q г | = | н·Ф·М Вт = 3861,328 мАч г -1 |
Q v | = | Q г ·ρ = 2061,949 мАч см -3 |
где
Q г | ≡ | Гравиметрическая емкость Li [мА·ч·г |
п | ≡ | Количество переданных электронов = 1 |
Ф | ≡ | Постоянная Фарадея = 26,8014814 [Ач моль -1 ] |
М ш | ≡ | Молекулярная масса Li = 6,941 [г моль -1 ] |
Q v | ≡ | Объемная емкость лития [мАч см -3 ] |
р | ≡ | Плотность Li = 0,534 [г см -3 ] |
Значения производительности, рассчитанные выше, являются верхними предел всех возможных анодных материалов, которые могут быть использованы в качестве анод для литиевых аккумуляторов, а это означает, что литий по своей сути является самым высоким энергоемкий анодный материал для литиевых аккумуляторов.
[1-3] Однако эти теоретические значения трудно достичь в реальности, так как высокая химическая и электрохимическая активность Li вызывает побочные реакции во время батарея зацикливается. [4]Повышение плотности энергии батареи путем замены графита на литий Металлический анод
В общем, есть два репрезентативных энергетических метрики плотности для батарей: 1) гравиметрическая плотность энергии (энергия хранится на единицу веса батареи) и 2) объемная плотность энергии (энергия запасается на единицу объема батареи). Низкая плотность Li помогает улучшить гравиметрическую и объемную плотность энергии за счет уменьшение веса и объема анода в батареях. Его низкое снижение потенциал необходим для увеличения рабочего напряжения ячейки (В ячейка ).
Графитовый анод широко используется в коммерческих литий-ионных батареях.
аккумуляторы (LiB). Графитовый анод демонстрирует теоретическую специфику
емкость 372 мАч г
Рис. 2: Левое изображение представляет обычная литий-ионная ячейка с выступающим гравиметрическая и объемная плотности энергии. Правильный образ представляет структуру ячейки Li-Metal в заряженном состоянии с N/P=0,2 вместе с расчетными гравиметрическими и объемными плотности энергии. Прогнозируемые значения взяты из Альбертус и др. [4] (Источник: М. С. Ким) |
В ячейка | = | В катод — В анод |
Е | = | Q dis ·V ячейка ·M ячейка -1 |
Е v | = | Q dis ·V ячейка ·N ячейка -1 |
где
В ячейка | ≡ | Рабочее напряжение элемента [В относительно Li/Li + ] |
В катод | ≡ | Рабочее напряжение катода [В относительно Li/Li + ] |
В анод | ≡ | Рабочее напряжение анода [В относительно Li/Li + ] |
Q дис | ≡ | Разрядная емкость ячейки [Ач] |
Е г | ≡ | Гравиметрическая плотность энергии [Втч кг -1 ] |
М ячейка | ≡ | Общий вес ячейки [кг] |
Е v | ≡ | Объемная плотность энергии [Втч л -1 ] |
N ячейка | ≡ | Общий объем ячейки [л] |
Плотность энергии батареи зависит от
емкость, рабочее напряжение элемента, вес элемента и объем элемента. Разрядная емкость используется для расчета плотности энергии батареи. За
рабочее напряжение ячейки, опорное напряжение всегда относительно
к Ли/Ли + для литиевых аккумуляторов, и это показывает еще одно преимущество
использование металлического литиевого анода вместо графитового. Поскольку ссылка
это Li/Li
Соотношение N/P для литий-металлической батареи
Отношение N/P описывает соотношение мощностей между электроды в аккумуляторной ячейке. Интерпретация соотношения N/P немного отличается в зависимости от литированных состояний катодных материалов. Кроме того, существует два основных типа механизмов, отвечающих за электрохимические реакции в аккумуляторах: 1) Интеркаляция и 2) Механизмы конверсионного типа. [5,6] Механизм интеркаляции внедрение ионов Li в слоистые структуры (или любые другие термодинамически благоприятные кристаллические структуры) электродных материалов (примерами электродов на основе интеркаляции являются графитовый анод и ЛиНи x Mn y Co z O 2 (NMC) катод). Таким образом, электродные материалы на основе интеркаляции считается хозяином для хранения ионов лития. С другой стороны, Механизм превращения включает образование нового продукта после окислительно-восстановительного процесса. реакции с ионами лития. Несколько примеров электродов конверсионного типа материалы: анод из литиевого металла, катод из элементарной серы (S 8 ), и кислородный (O 2 ) катод. Следовательно, электродные материалы, которые принять механизм преобразования не рассматриваются в качестве хоста для Li ионы. Разница в терминах между литий-ионными и литий-металлическими батареями просто возникает из типов электродных электрохимических реакций. В Как правило, литий-металлическая батарея относится к любому типу батареи, в которой используется литий. металл в качестве анода. Таблица 1 поясняет общие термины, введенные в аккумуляторные поля:
Большинство катодных материалов на основе интеркаляции в литированном состоянии, когда клетки впервые построены, тогда как Катодные материалы конверсионного типа не являются. Это связано с термодинамикой связанных с электродными материалами. Таким образом, интерпретация N/P соотношение немного отличается для каждого из типов батарей. Таблица 2 обобщенные интерпретации отношения N/P для каждого из точных термины батареи, за которыми следует практический диапазон отношений N/P.
| |||||||||||||||
Таблица 1: В этой таблице объясняется термин батареи на основе на электродных механизмах электрохимических реакций. |
Интерпретация соотношения N/P определяется электродный механизм электрохимической реакции, в котором интеркаляция механизм включает литий-ионный носитель, тогда как тип преобразования включает объемная электрохимическая реакция между Li и катодными частицами. Однако, Литий-ионный аккумулятор в этом случае является исключением, так как он включает в себя как механизмы преобразования и интеркаляции в аноде и катоде, соответственно. Поскольку в катоде уже хранится ион лития материала (т. е. любых литированных катодов), в идеале не должно быть дополнительных ионов лития. требуется на аноде для работы батареи. Поэтому новый аккумулятор термин введен для нулевого отношения N/P для ионно-литиевого аккумулятора, который безанодный литий-металлический аккумулятор. [7] Кроме того, широко используемый металлический литий Термин батареи представляет собой отношение N / P больше нуля для ионно-литиевого металла. батарея. Важно отметить, что термин «литий-металлическая батарея» относится к любой тип аккумуляторов, в которых в качестве анода используется металлический литий; однако литий-металл Аккумулятор в полевых условиях часто относится к литий-ионным аккумуляторам. Кроме того, есть две конфигурации, которые описывают ион металла лития. батареи, которые представляют собой безанодную литий-металлическую конфигурацию (N/P = 0) и Конфигурация металла лития (N/P > 0).
| |||||||||||||||
Таблица 2: Интерпретация соотношения N/P в зависимости от батареи условия. Практический диапазон соотношения N/P в зависимости от срока службы батареи предоставлен. |
Расчет соотношения N/P для литий-металлической батареи
Для простоты расчета соотношения N/P для металлического лития аккумуляторы, часто площадь емкости в мАч см -2 для литиевого металла используется материал анода и катода. Стоит отметить, что часто теоретическая емкость Li и практическая емкость катода равны используется для расчета отношения N/P. Это потому, что металл Li часто промышленно обработанный в виде тонкой пленки (от 500 мкм до 20 мкм в толщину), а начальная емкость Li не сильно зависит от условий езды на велосипеде. Однако основная причина для использования практической мощности, эквивалентно измеренной мощности, для катода заключается в том, что фактическая емкость катода чувствительна к рабочему условия, такие как окно рабочего напряжения, скорость C, температура и и т. д. Поэтому в полевых условиях принято рассматривать измеряемый катод мощность из определенных рабочих условий для расчета соотношения N/P. Поскольку электроды батареи относительно тонкие, значения емкости нормализуются по размеру электрода, чтобы получить площадь емкости анод и катод. Сообщается также о гравиметрических возможностях, но это стало обычным делом использовать площадные мощности для определения соотношения N/P. Поскольку анод из литиевого металла представляет собой тонкую пленку, полезное уравнение для рассчитать соотношение N/P с металлической фольгой лития, соотнеся толщину лития с площадью вместимость. Приведенное ниже уравнение относится к тому, как толщина металлического лития фольга связана с ее теоретической емкостью.
| ||||||||
Таблица 3: Площадь емкости Li с относительно его толщины. Обратите внимание, что это теоретические ценности. Толщина рассчитывается исходя из идеального плоская и гладкая пленка Li. |
Т Ли | = | 10000 Q А М с n F ρ | (1) |
где
Т Ли | ≡ | Толщина лития [мкм] |
Q А | ≡ | емкость Li [мАч см -2 ] |
М ш | ≡ | молекулярная масса Li = 6,941 [г моль -1 ] |
п | ≡ | количество переданных электронов = 1 |
Ф | ≡ | Постоянная Фарадея = 26801,4814 [мА·ч моль -1 ] |
р | ≡ | плотность Li = 0,534 [г см -3 ] |
Используя приведенное выше уравнение, толщина лития может быть рассчитывается как функция площади емкости Li или наоборот. В таблице 3 показаны три соответствующие толщины лития на основе трех репрезентативные площадные мощности, обычно используемые в полевых условиях. Рис. 1 показывает более полный спектр соответствующей толщины Li на основе площадная емкость. Кроме того, этот график можно использовать для быстрой оценки площадь емкости лития в зависимости от толщины используемой литиевой фольги.
Конфигурации элементов литиевой батареии соответствующая энергия Плотность
На рис. 2 показано сравнение структуры ячеек между Литий-ионный элемент и литий-металлический элемент (N/P > 0) с соответствующими компонентами батареи в ячейке, такие как токосъемники, сепараторы и электроды. Основываясь на структуре ячеек, конфигурация литий-металлических ячеек увеличивается примерно на В 1,67 раза выше гравиметрическая плотность энергии и в 3 раза выше объемная плотность энергии на основе конфигураций литий-ионных элементов. Обратите внимание, что это прогнозируемые значения, а точные значения могут изменение на основе различных спецификаций и размеров ячеек; Однако, относительное увеличение плотности энергии является надежным значением. Следовательно, очевидно, что такая конфигурация литий-металлического элемента имеет большее преимущество улучшения объемной плотности энергии, чем гравиметрическая плотность энергии литиевой батареи. Электромобилям требуется высокая объемная плотность энергии из-за ограниченного пространства форм-фактором автомобиля, а на трансмиссию не так сильно влияет дополнительный вес автомобиля. Это стало основным драйвером развития литий-металлические батареи, и все еще продолжаются исследования по дальнейшему улучшить плотность энергии литиевых батарей.
Сообщалось, что гравиметрическая энергия плотность литий-металлических аккумуляторов (N/P > 0) можно повысить за счет систематическая оптимизация параметров батареи. [2-4] Существует множество параметры, влияющие на плотность энергии батареи, такие как отношение N/P, загрузка электролита, типы и емкости катодов, насыпная плотность катод, толщина сепаратора, толщина токосъемника, рабочая окно напряжения, неактивные компоненты батареи и т. д. Оптимизируя вышеупомянутые параметры, литий-металлический аккумулятор способен превзойти 500 Втч кг -1 . [2] Благодаря улучшенной плотности энергии пробег пробег электромобилей может быть увеличен примерно с 300 миль до 600 миль. миль.
Безанодный литий-металлический элемент (N/P=0) является идеальным конфигурация ячейки, так как в ячейке нет избытка Li. Таким образом безанодный литий-металлический аккумулятор считается «Святым Граалем» для Li батарея. Благодаря безанодной конфигурации литий-металлического элемента практичность объемная плотность энергии 1200 Втч л -1 достигается при уровень стека. [3] Это многообещающий результат для развития более надежные электромобили. Хотя улучшение батарей требует интенсивного исследований и разработок, скоро появятся высокопроизводительные литиевые батареи. реализована, и эта усовершенствованная аккумуляторная технология действительно будет способствовать дальнейшему способствовать 4 й промышленной революции.
© Мун Сек Ким. Автор гарантирует, что произведение принадлежит автору, и что Стэнфордский университет не предоставил никакой другой информации. чем руководство по набору текста и ссылкам. Автор предоставляет разрешение копировать, распространять и отображать эту работу в неизменном виде, со ссылкой на автора, только в некоммерческих целях. Все другие права, включая коммерческие права, сохраняются за автор.
Ссылки
[1] Д. Лин, Ю. Лю и Ю. Цуй, «Возрождение литиевых Анод металлический для аккумуляторов высокой энергии», Нац. нанотехнолог. 12 , 194 (2017).
[2] J. Liu et al. , «Пути практического Высокоэнергетические литий-металлические батареи с длительным циклом», Nat. Energy 4 , 180 (2019).
[3] A.J.Louli et al. , «Диагностика и Исправление отказа безанодной ячейки с помощью электролита и морфологических Анализ», Нац. Энергия 5 , 693 (2020).
[4] П. Альбертус и др. , «Статус и проблемы в использовании литий-металлического электрода для высокоэнергетических и недорогих Аккумуляторы», Nat. Energy 3 , 16 (2018).
[5] J. Zheng et al. , «Регулирование Электроосаждение морфологии лития: на пути к коммерческой значимости Вторичные литий-металлические батареи, Chem. Soc. Rev. 49 , 2701 (2020).
[6] Х.-Б. Ченг и др. , «На пути к безопасному литию Металлический анод в перезаряжаемых батареях: обзор», Chem. Rev. 117 , 10403 (2017).
[7] Ж.-Г. Чжан, «Без анода», Nat. Энергия. 4 , 637 (2019).
Все, что вам нужно знать о плотности энергии литиевых батарей
Перейти к содержимому Все, что вам нужно знать о плотности энергии литиевой батареиВ последние годы быстро развиваются новые области, такие как транспортные средства на новой энергии, хранение энергии, связь и центры обработки данных, что в значительной степени способствовало разработке литий-ионных аккумуляторов большой емкости. Различные области выдвинули более высокие требования к плотности энергии литий-ионных аккумуляторов.
Активный материал для накопления энергии литий-ионных аккумуляторов представляет собой материал положительного и отрицательного электродов. Способ увеличить плотность энергии для положительного электрода состоит в том, чтобы увеличить разрядное напряжение и разрядную емкость. Для материалов отрицательного электрода это высокая емкость и низкое среднее напряжение удаления лития.
В литий-ионных батареях третьего поколения, основная цель разработки которых заключается в повышении плотности энергии, материалы положительного и отрицательного электродов находятся на стадии модернизации и модернизации. В дальнейшем дальнейшее увеличение плотности энергии будет направлено на разработку аккумуляторов с отрицательными электродами из металлического лития.
Что такое плотность энергии батареи?Плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержит батарея по отношению к ее весу. Это измерение обычно представлено в ватт-часах на килограмм (Втч/кг). Ватт-час — это мера электрической энергии, эквивалентная потреблению одного ватта в течение одного часа.
Плотность мощности — это мера того, насколько быстро может быть доставлена энергия, а не доступного запаса энергии. Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.
Плотность энергии относится к количеству энергии, хранящейся в определенной единице пространства или массы материи. Плотность энергии батареи — это электрическая энергия, выделяемая средней единицей объема или массы батареи.
Плотность энергии батареи обычно делится на два параметра: весовая плотность энергии и объемная плотность энергии.
Как рассчитать плотность энергии литиевых батарей?Плотность энергии (Вт·ч/л) = емкость аккумулятора × напряжение/объем разрядной платформы, базовая единица измерения – Вт·ч/л
Вес батареи Плотность энергии = емкость батареи × разрядная платформа/ вес, базовая единица измерения – Вт·ч/кг
Напряжение платформы железных батарей: 3,2 В; напряжение платформы тройных литиевых батарей обычно составляет 3,7 В.
Цилиндрический объем = πr 2 × h
Призматический или другой объем = длина × ширина × высота .
Знаете ли вы плотность энергии этих аккумуляторов?Типы мономерных ячеек | Плотность энергии |
---|---|
Свинцово-кислотная батарея | 30-50 Втч/кг |
Никель-кадмиевая батарея | 45-80 Втч/кг |
Никель-металлогидридная батарея | 60-120 Втч/кг |
Литий-ионный аккумулятор | 50-260 Втч/кг |
Согласно приведенной ниже таблице, мы можем легко понять, что литиевый элемент может достигать наивысшей плотности энергии. Именно по этой причине литиевые батареи широко используются во всем мире, и их можно использовать в самых разных аспектах.
Итак,
Что именно ограничивает плотность энергии литиевых батарей?Основной причиной является химическая система батареи.
Вообще говоря, четыре части литиевой батареи очень важны: положительный электрод, отрицательный электрод, электролит и диафрагма. Положительный и отрицательный полюса — это места, где происходят химические реакции, которые эквивалентны вторым жилам губернатора, и можно увидеть их важный статус.
Все мы знаем, что плотность энергии аккумуляторной системы с тройным литием в качестве положительного электрода выше, чем плотность энергии аккумуляторной системы с литий-железо-фосфатом в качестве положительного электрода. Почему это?
Большинство существующих анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов в основном представляют собой графит с теоретической емкостью в граммах 372 мАч/г графита. Теоретическая емкость в граммах катодного материала из фосфата лития-железа составляет всего 160 мАч/г, а тройного материала никель-кобальт-марганец (NCM) составляет около 200 мАч/г. Согласно теории ствола, уровень воды определяется самой короткой частью ствола, а нижний предел плотности энергии литий-ионных аккумуляторов зависит от материала катода. Платформа напряжения фосфата лития-железа составляет 3,2 В, а тройной индекс — 3,7 В. По сравнению с двумя фазами плотность энергии выше, а разница составляет 16%.
Конечно, помимо химической системы, уровень технологии производства, такой как плотность уплотнения и толщина фольги, также будет влиять на плотность энергии. Вообще говоря, чем больше плотность уплотнения, тем выше емкость батареи в ограниченном пространстве, поэтому плотность уплотнения основного материала также рассматривается как один из эталонных показателей плотности энергии батареи.
В четвертом эпизоде «Великого тяжелого оружия II» в эпоху Ниндэ использовалась 6-микронная медная фольга с использованием передовых технологий для увеличения плотности энергии.
Как повысить плотность энергии литиевой батареи?Внедрение новой системы материалов, точная настройка конструкции литиевой батареи и улучшение производственных возможностей — вот три этапа, на которых инженеры-исследователи должны «танцевать с длинными рукавами». Ниже мы объясним, исходя из двух измерений мономера и системы.
— — плотность энергии мономера, в основном зависящая от прорывов в химической системе
01 Увеличение размера батареиПроизводители батарей могут добиться эффекта увеличения мощности, увеличив размер исходной батареи. Пример, с которым мы наиболее знакомы: Tesla, известная компания по производству электромобилей, которая взяла на себя инициативу в использовании батарей Panasonic 18650, будет заменена новой батареей 21700.
Однако «упитанность» или «удлинение» батареи — это только симптом, а не лекарство. Чтобы нарисовать дно чайника, нужно найти ключевую технологию для повышения плотности энергии материалов положительного и отрицательного электродов, из которых состоит аккумуляторная батарея, и состава электролита.
02 Изменить химическую системуКак упоминалось ранее, плотность энергии батареи зависит от положительного и отрицательного электродов батареи. Поскольку текущая плотность энергии материала анода намного больше, чем у катода, необходимо постоянно улучшать материал катода для увеличения плотности энергии.
Положительный электрод с высоким содержанием никеля
Тройные материалы обычно относятся к большому семейству оксидов лития, никеля, кобальта и марганца. Мы можем изменить производительность батареи, изменив соотношение никеля, кобальта и марганца.
Как видно из нескольких типичных тройных материалов на рисунке 5, доля никеля становится все выше и выше, а доля кобальта становится все ниже и ниже. Чем выше содержание никеля, тем выше удельная емкость элемента. Кроме того, из-за нехватки ресурсов кобальта увеличение доли никеля приведет к сокращению использования кобальта.
Кремниевый углеродный отрицательный электрод
Удельная емкость материала анода на основе кремния может достигать 4200 мАч/г, что намного выше теоретической удельной емкости графитового анода 372 мАч/г, поэтому он стал мощной заменой графита анод.
В настоящее время использование кремнийуглеродных композиционных материалов для повышения удельной энергии аккумуляторов является одним из признанных промышленностью направлений развития анодных материалов литий-ионных аккумуляторов. Модель 3, выпущенная Tesla, использует отрицательный электрод из кремния и углерода.
В будущем, если вы хотите сделать еще один шаг вперед — преодолеть порог в 350 Вт⋅ч/кг для отдельных элементов, коллегам в отрасли, возможно, придется сосредоточиться на литий-металлических системах аккумуляторов с отрицательным электродом, но это также означает, что вся батарея изменения и уточнения производственного процесса.
03 Энергоемкость системы: повышение эффективности группировки блоков батарейГруппировка блоков батарей проверяет способность «осадных львов» батарей выстраивать в ряд отдельные батареи и модули. Необходимо брать безопасность за основу и максимально использовать каждый сантиметр пространства.
Существуют в основном следующие способы «уменьшения» аккумуляторной батареи.
Оптимизация структуры расположения
Что касается размеров, внутреннюю компоновку системы можно оптимизировать, чтобы сделать внутренние части аккумуляторной батареи более компактными и эффективными.
Оптимизация топологии
С помощью моделирования и расчетов мы реализовали проект снижения веса с целью обеспечения жесткости и надежности конструкции. С помощью этой технологии можно реализовать оптимизацию топологии и оптимизацию морфологии, что в конечном итоге поможет реализовать легкий вес батарейного отсека.
Выбор материала
Мы можем выбрать материалы с низкой плотностью, такие как верхняя крышка аккумуляторной батареи, которая постепенно изменилась с традиционной верхней крышки из листового металла на композитную верхнюю крышку, что может уменьшить веса примерно на 35%. Что касается нижнего ящика аккумуляторной батареи, он постепенно изменился с традиционной схемы из листового металла на схему из алюминиевого профиля, что уменьшило вес примерно на 40%, а эффект легкости очевиден.
============================================== =========================Вопросы и ответы
1. Какая батарея имеет самую высокую плотность энергии?По сравнению с другими высококачественными аккумуляторами (никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными) литий-ионные аккумуляторы имеют ряд преимуществ. У них одна из самых высоких плотностей энергии среди аккумуляторных технологий на сегодняшний день (100-265 Втч/кг или 250-670 Втч/л).
2. Зачем вам нужен аккумулятор с высокой плотностью энергии?Чтобы лучше понять литий-ионные батареи, вы должны понять, почему высокая плотность энергии является желательной чертой батареи. Аккумулятор с высокой плотностью энергии имеет более длительное время работы от аккумулятора по сравнению с размером аккумулятора. С другой стороны, батарея с высокой плотностью энергии может отдавать такое же количество энергии, но занимать меньшую площадь по сравнению с батареей с более низкой плотностью энергии. Это значительно расширяет возможности применения аккумуляторов.
В заводских или складских условиях аккумуляторы для вилочных погрузчиков могут весить тысячи фунтов. Легкая батарея для вилочных погрузчиков предлагает некоторые преимущества в плане безопасности и удобства использования.
Если плотность энергии батареи слишком высока, это может представлять проблему для безопасности. Когда в ячейку упаковано больше активного материала, это увеличивает риск теплового события.
3.
Какова плотность энергии мономера?Плотность энергии батареи часто указывает на два разных понятия: плотность энергии отдельной ячейки и плотность энергии аккумуляторной системы.
Аккумуляторная батарея — это наименьшая единица аккумуляторной системы. M батарей образуют модуль, а N модулей образуют аккумуляторную батарею. Это основная структура аккумуляторной батареи автомобиля.
Плотность энергии отдельной клетки, как следует из названия, представляет собой плотность энергии на уровне отдельной клетки.
4.Какова плотность энергии системы?Плотность энергии системы относится к весу или объему всей аккумуляторной системы после того, как комбинация мономеров завершена, чем всей аккумуляторной системы.