Низкая плотность электролита в аккумуляторе: Как повысить плотность электролита в АКБ

Содержание

Как проверить плотность аккумулятора

Каждая АКБ является накопителем электрической энергии. Принимая во внимание тот факт, что без батареи ни один автомобиль работать не сможет, крайне важно тщательно следить за ее состоянием. Одним из самых значимых моментов в подобном анализе является вопрос о том, как проверить плотность аккумулятора.

Технические нормативы

Электролит – это раствор серной кислоты и дистиллированной воды, взаимодействующий с активной массой электродов. Один элемент свинцово-кислотной батареи имеет номинальное напряжение 2 вольта. Автомобильная АКБ состоит из шести элементов, подключенных последовательно, что в сумме дает 12 вольт. Эти значения принято считать номинальными, полностью заряженный аккумулятор имеет напряжение 12,7 вольт или выше.

Уровень и плотность электролита при эксплуатации транспортного средства постоянно колеблются. Какая плотность является оптимальной? Значения 1.27-1.28 г/см3 при нормальном уровне электролита соответствуют 100% заряда.

Плотность электролита – основной и самый объективный показатель заряженности батареи. Идеальные условия для свинцово-кислотной АКБ – полный уровень заряда. Именно поэтому так важно контролировать плотность электролита. При постоянно сниженной плотности и уровне заряда резко снижается срок эксплуатации аккумулятора. В большинстве случаев плотность «проседает» при недозаряде АКБ по данным причинам:

Неисправности автомобиля – не работает генератор или есть ток утечки;
Слишком короткие поездки – АКБ не успевает зарядиться;
Низкая температура воздуха – холодная батарея медленно принимает заряд;
Длительный простой автомобиля;
Использование электрооборудования авто при заглушенном двигателе – питание дает аккумулятор;
Срок службы АКБ подходит к концу – чем старше батарея, тем хуже она заряжается.

Важная информация

Перед тем, как проверить плотность АКБ, изучите следующие данные:

Слишком высокая плотность электролита – это не преимущество, а недостаток. Если вы зафиксировали завышенные значения, смело разбавляйте серную кислоту дистиллятом. А все потому, что чрезмерное содержание серной кислоты оказывает негативное влияние на состояние пластин, сокращается ресурс батареи.
Если вы зафиксировали значение, которое значительно ниже нормы, приступайте к заряду батареи. Данный процесс производят до поднятия плотности до заводских значений 1.27-1.28 г/см3. Как правило, заряд длится не менее 10 часов. Если в процессе заряда плотность перестала расти, поднимают напряжение вплоть до 16 вольт и продолжают заряд малым током. Если же после окончания заряда плотность выше нормы, нужно добавить дистиллированную воду.

Проверка

Как проверить плотность аккумулятора? Для этой цели вам понадобится прибор под названием ареометр. От вас потребуется выполнить следующие шаги:

Убедитесь в том, что температура в помещении составляет 20-25°С;
Тщательно очистите корпус устройства от грязи и пыли. Крайне важно, чтобы в мерном образце не было посторонних частиц;
Опустите измерительный прибор в отверстие и захватите некоторый объем электролита;
Проанализируйте показания;
Слейте электролит обратно;
Повторите процедуру для всех остальных банок.

Помните о том, что описываемую операцию необходимо выполнять в защитных перчатках и не допускать попадания электролита на кожу или одежду.

Назад к списку

Низкая плотность электролита в аккумуляторе — Электрооборудование и электроника

09.10.2015, 14:43 #1

Добрый день. Месяца два назад купил аккумулятор Зверь, 65 ампер.
Все было отлично. Окошко ареометра было зеленым, т. е. аккумулятор заряжен.
Недели две назад стало белым. Согласно наклейке — низкая плотность электролита, нужно зарядить.
Поставил на зарядку. Через несколько часов ареометр показал зеленый цвет.
Поставил на машину. Поездил. Через два дня снова стал белым. Потом еще через пару дней сам стал зеленым.
После этого уже неделю как белый.
Заводится отлично. Проверял на утечки тока — все в норме — 0,04 А.
Напряжение на заведенной машине с потребителями — 14,2 вольта.
Что может быть?
09.10.2015, 15:04 #2

Если обслуживаемый — электролит(дист. воду) долить.
09. 10.2015, 15:31 #3

Насколько я понимаю Зверь 65А/ч с пробками. Забить на этот зелёный глазок, который для лохов и даёт только информацию о том , что в одной банке творится и то с точностью 60%. Вывернуть пробки посмотреть уровень и померять плотность во всех банках реальным ареометром. Если уровень не в норме довести до нормы дист. водой. Потом зарядить до полного и снова померять плотность. По результатам будет понятно, что с аккумом.
11.10.2015, 19:34 #4

Сегодня собрался выкрутить пробки и замерить плотность нормальным ареометром. Открываю капот, смотрю на аккум, а глазок снова зеленый. Чудеса
P.S. Замерил напряжение на аккуме — 12,55 вольт. Завел, без потребителей — 14,69 в, с габаритами, противотуманками и ближним светом — 14,5 в, на 3 тыс. об. то же самое. Это нормально, как я понимаю?
Последний раз редактировалось Implx; 11.10.2015 в 19:39.
13.10.2015, 21:33 #5

И тем не менее, если пробки всё же имеются, то я бы выкрутил и провёл процедуры описанные постом выше. Во первых грядёт зима и её желательно встретить с абсолютно здоровым аккумом. Во вторых зелёный глазок «загорается» уже при 60-70% зарядки аккума. И если у вас он «то потухнет то погаснет», то это значит, что либо зарядка крутится вокруг этих цифр, либо уровень электролита на нижнем пределе. Не знаю, что написано в инструкции на Зверя, но обычно в инструкции про этот индикатор пишут, что при низком заряде и как следствие низкой плотности он чёрный или тёмный, а при низком уровне он светлый или белый.

Твердотельная батарея Пейзаж | QuantumScape

16 февраля 2021 г.

Твердотельный аккумулятор Пейзаж

16 февраля 2021 г.

Обновлено 22 марта 2021 г.

После объявления результатов технологии твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape в декабре 2020 года в отрасли возник большой ажиотаж, связанный с потенциалом этой новой технологии и ее влиянием. может быть на автомобильной трансмиссии EV.

Как и в случае с любой технологией, когда есть много волнений, также может быть много заблуждений. Цель этой статьи — помочь инвесторам, клиентам и другим лицам, заинтересованным в этой технологии, понять более широкий технологический ландшафт технологии твердотельных аккумуляторов.

Обычные литий-ионные батареи

Начнем с краткого обзора того, как работают обычные литий-ионные батареи. Как показано на рисунке ниже, литий-ионный аккумулятор состоит из трех основных слоев: катода или положительного электрода, состоящего из литийсодержащего материала из смешанных оксидов металлов; анод или отрицательный электрод, состоящий из углерода или смеси углерода и кремния; сепаратор, электрический изолятор из пористого полимерного материала; и электролит, среда, через которую ионы лития перемещаются в батарее, обычно состоящая из углеводородного растворителя и растворенной соли лития. (В этом документе мы будем использовать термин «угольный анод» для обозначения либо чистого углеродного анода, либо гибридного углеродно-кремниевого анода.)

Батарея может быть представлена как электрохимический эквивалент катания мяча вверх по склону, который требует, чтобы система вложила работу, увеличивая потенциальную энергию в системе во время процесса и позволяя ему катиться вниз по склону самостоятельно, чтобы высвободить накопленную энергию. энергии и выполнять полезную работу. В полностью разряженном элементе литий в элементе находится на катоде, в «нисходящем» состоянии. Когда ячейка заряжается, в систему вводится работа по перемещению ионов лития от катода к аноду, где они диффундируют в частицы углерода, из которых состоит анод. В полностью заряженном состоянии ионы лития сидят в аноде, как шарики, которые катятся вверх по склону, ожидая, пока их можно будет освободить, чтобы снова скатиться вниз. Когда батарея разряжена, эти ионы лития могут вернуться от анода к катоду, и в процессе этого из системы может быть извлечена энергия, точно так же, как мяч, катящийся вниз по склону, может высвободить накопленную энергию в виде полезной энергии. работа.

Литий-металлическая батарея

Батарея следующего поколения может включать материал катода следующего поколения или материал анода следующего поколения (или оба). На приведенной ниже диаграмме, опубликованной группой BMW, показаны дюжина различных катодных материалов следующего поколения и три различных анодных материала. Эта диаграмма ясно показывает, что прирост плотности энергии от использования катодных материалов следующего поколения ограничен, если в качестве анода не используется металлический литий. Основная причина этого ограничения заключается в том, что для катодов с более высокой емкостью требуются соответственно более толстые аноды, чтобы удерживать повышенное количество лития, что сводит на нет некоторые преимущества усовершенствования катода.

Традиционные литий-ионные элементы используют размещенный анод, в котором основной материал, такой как углерод или кремний, обеспечивает структуру для удержания лития. Например, в случае углерода требуется шесть атомов углерода, чтобы удерживать один атом лития. Однако, если бы использовался анод из чистого металлического лития, как показано на схеме ниже, весь углерод в аноде можно было бы удалить, а энергию можно было бы хранить в гораздо меньшем объеме, тем самым резко увеличивая плотность энергии. клетка.

Потенциальное увеличение плотности энергии литий-металлических анодных батарей известно с середины 1970-х годов. Однако также известно, что литий-металлические аноды не работают с обычными жидкими электролитами из-за двойной проблемы образования дендритов при зарядке батареи и быстрого роста импеданса из-за химической побочной реакции между жидким электролитом и литием. металл. Дендриты представляют собой игольчатые образования из металлического лития, которые могут расти поперек сепаратора и вызывать короткое замыкание в ячейке. Импеданс относится к внутреннему сопротивлению ячейки; рост этого сопротивления снижает энергетическую емкость клетки, а также ее способность работать на больших мощностях.

Таким образом, широко распространено мнение, что для изготовления литий-металлической анодной батареи необходим твердотельный сепаратор, проводящий примерно так же, как жидкость, но препятствующий образованию дендритов и не вступающий в реакцию с металлическим литием. Промышленность искала такой материал более 40 лет.

Обещание твердотельной литий-металлической батареи

Оказывается, литий-металлический анод, активированный таким твердотельным сепаратором, может решить не только проблему плотности энергии, но и ряд других ограничений обычные литий-ионные батареи, поскольку многие из них также имеют угольный анод, в том числе:

Плотность энергии: Поскольку углерод, из которого состоит анод, занимает место и имеет массу, его устранение увеличивает плотность энергии в клетке.
Плотность мощности/быстрая зарядка: литий, который проходит через элемент в анод, должен диффундировать в углерод со скоростью, которая определяется фундаментальными свойствами материала графита. Любые попытки ввести ионы лития в частицы углеродного анода быстрее, чем эта естественная скорость диффузии, могут привести к «покрытию» литием поверхности частицы вместо того, чтобы диффундировать в нее, вызывая потерю емкости и отказы. Устранение углерода устраняет это ограничение, обеспечивая быструю зарядку без каких-либо неблагоприятных последствий.
Срок службы: срок службы элемента частично ограничен необратимой химической побочной реакцией (т. е. нежелательной реакцией) на границе раздела углеродной частицы и жидкого электролита, которая потребляет небольшое количество лития при каждой зарядке. цикл разрядки, приводящий к кумулятивной потере емкости (и, следовательно, энергии) в течение срока службы элемента. При отсутствии углерода в аноде эта побочная реакция должна быть устранена, что приведет к увеличению срока службы элемента.
Безопасность: полимерный сепаратор и жидкий электролит, используемые в литий-ионных батареях, являются углеводородами и являются горючими. Для разжигания огня требуются три элемента: топливо, источник кислорода и источник тепла. Поскольку электролит — топливо — находится в непосредственном контакте с катодом, который представляет собой оксид, единственным другим элементом, необходимым для возникновения пожара, является источник тепла. Источником тепла могут быть многие условия неправильного использования, от внутренних коротких замыканий до несчастных случаев. Замена полимерного сепаратора на твердотельный керамический сепаратор, термически устойчивый к очень высоким температурам и не горящий (поскольку он уже окислился), снижает содержание топлива в ячейке и обеспечивает термически стабильный барьер между анодом и катодом.
Стоимость: затраты на материалы, связанные с угольным анодом и процессом производства анодного электрода, можно исключить, заменив угольный анод литий-металлическим анодом. Кроме того, традиционный процесс формирования, один из самых дорогих этапов производственного процесса батареи, в котором собранные элементы должны храниться в течение нескольких недель, чтобы сформировать надлежащие границы раздела на частицах электрода и позволить идентифицировать производственные дефекты. , можно существенно упростить.

Задача

Это обещание твердотельных литий-металлических батарей, и именно поэтому промышленность так воодушевлена открывающимися возможностями. Однако создание твердотельного керамического сепаратора, необходимого для выполнения этого обещания, оказалось очень сложной задачей. В частности, такой сепаратор должен:

(а) иметь литий-ионную проводимость, аналогичную или лучше, чем у современных жидких электролитов;

(b) быть химически и электрохимически устойчивым к металлическому литию; и

Несмотря на десятилетия работы, промышленность не нашла сепараторных материалов, отвечающих этим требованиям.

Сравнение материалов для сепараторов

Были опробованы многие классы материалов для сепараторов, но ни один из них не отвечает одновременно основным требованиям. К ним относятся:

Полимеры: литийпроводящие полимеры, такие как полиэтиленоксид, изначально считались кандидатами на роль твердотельного сепаратора. К сожалению, они, как правило, не отвечают всем трем требованиям, изложенным выше. Во-первых, их проводимость слишком низкая, поэтому для работы требуются повышенные температуры. Во-вторых, плохая стабильность полимеров при контакте с металлическим литием приводит к росту импеданса в течение срока службы и требует, чтобы в аноде использовалась литиевая фольга для подачи избыточного лития в элемент, что снижает плотность энергии и увеличивает стоимость. В-третьих, они слишком мягкие, чтобы предотвратить проникновение через них литий-металлических дендритов. Кроме того, они нестабильны при напряжении выше 3,8 вольт, что еще больше снижает плотность энергии из-за необходимости использования низкоэнергетического катодного материала.
Сульфиды: открытие профессором Рёдзи Канно в Японии в 2011 году сульфидов, проводящих литий, таких как LGPS, вызвало волнение, поскольку они обладают высокой проводимостью ионов лития, что соответствует требованию (а) выше. Однако они являются одними из наиболее термодинамически нестабильных из широко исследованных твердотельных электролитов — реагируют как на стороне катода высокого напряжения, так и на стороне лития низкого напряжения. Чтобы компенсировать эту реакционную способность, катодные материалы обычно имеют покрытие. К сожалению, эти покрытия часто повышают внутреннее сопротивление элемента и делают элемент неспособным работать при высокой мощности или низких температурах. Но самым фатальным оказалось то, что, несмотря на годы работы, сульфиды не предотвращали образование дендритов при низкой температуре и высокой скорости зарядки, что делает их просто непригодными для использования в коммерческих аккумуляторных системах для электромобилей.
Оксиды: Сепараторы проводящего оксида лития были обнаружены за последние несколько десятилетий, но, хотя некоторые оксиды обладают достаточной проводимостью и стабильностью по отношению к металлическому литию, обычные оксиды также не смогли подавить образование дендритов при требованиях к скорости заряда автомобилей.
Композиты: некоторые группы работали над композитами, состоящими из полимеров и керамики, в надежде, что они смогут объединить «лучшее из обоих миров» — простоту работы с полимерами и твердость керамики. К сожалению, такие подходы вместо этого приводят к «худшему из двух миров», что приводит к нестабильному материалу, который не может предотвратить образование дендритов, поскольку дендриты, кажется, растут через границу раздела между двумя материалами.
Жидкости: Некоторые группы продолжали работать над обычными жидкими электролитами, но эти усилия по-прежнему затруднены из-за двойной проблемы образования дендритов и роста импеданса из-за химической побочной реакции между жидкостью и металлическим литием.

Важно отметить, что если у вас есть система, в которой используется какой-либо из вышеперечисленных материалов сепаратора, по-прежнему возможно изготовить ячейки и сообщить о результатах циклирования, но это циклирование должно выполняться в скомпрометированных условиях испытаний. В частности, ниже приведены некоторые из наиболее часто используемых компромиссов:

Углеродный или углеродно-кремниевый анод вместо металлического лития: возврат к размещенному аноду приносит в жертву преимущества литий-металлических анодов, такие как плотность энергии, быстрая зарядка, срок службы, безопасность и более низкая стоимость. Таким образом, эти подходы не являются ступенчатым изменением производительности, необходимым для массового рынка электромобилей.
Низкая плотность тока: при низкой плотности тока, например, 1-2 мА/см2, даже жидкость может циркулировать с металлическим литием. Однако такие низкие плотности тока непригодны для автомобильных приложений.
Повышенные температуры или давление: при повышенных температурах металлический литий становится мягче и с меньшей вероятностью образует дендриты. Кроме того, высокие температуры повышают проводимость таких материалов, как полимеры и сульфиды, и снижают удельное сопротивление катодных покрытий. Однако требование повышенной температуры делает элемент непрактичным и слишком дорогим для большинства коммерческих применений. Повышенное давление также позволяет «сжать» литий в более гладкую структуру, но чрезмерно высокое давление, например выше 10 атмосфер, просто нецелесообразно даже в автомобильных приложениях.
Низкий срок службы: из-за стохастической природы дендритов и прогрессивного характера роста импеданса многие элементы, изготовленные из материалов, не отвечающих вышеуказанным требованиям, могут выполнять несколько циклов, но недостаточно для того, чтобы быть коммерчески жизнеспособными, и элементы недостаточно надежен, чтобы его можно было использовать в реальных приложениях.
Избыток лития на аноде: некоторые усилия начинаются с избыточного слоя лития на аноде, что упрощает процесс нанесения покрытия лития, но за счет плотности энергии и стоимости, что делает эти подходы непрактичными также для автомобильных приложений.

Ключевые вопросы

В последнее время было много объявлений и заявлений, касающихся твердотельных батарей. Первый вопрос, который следует задать при оценке заявлений о твердотельных элементах, заключается в том, используют ли элементы литий-металлический анод или обычный размещенный (углеродный или углеродно-кремниевый) анод. Если они используют размещенный анод, ключевые показатели производительности для этих батарей будут аналогичны обычным литий-ионным батареям и не будут реализовывать преимущества твердотельного литий-металлического подхода (значительно более высокая плотность энергии, быстрая зарядка, срок службы и расходы). Ряд недавних претензий попадают в эту категорию.

Если в рассматриваемом твердотельном элементе используется литий-металлический анод, следующий вопрос, который следует задать, – сможет ли он работать в бескомпромиссных условиях испытаний, в том числе при температурах, близких к комнатной и ниже комнатной, и при высокой плотности тока (т. например, 1-часовая зарядка или 15-минутная зарядка). В частности, какой срок службы обеспечивает элемент при температуре, близкой к комнатной (~ 30 °C), с автомобильной мощностью (> 3 мА/см2, необходимой для зарядки в течение одного часа)? Если клетки не могут работать в этих условиях, мы считаем, что они не являются коммерчески жизнеспособными. В эту категорию попадают и многие другие анонсированные твердотельные литий-металлические устройства.

Подход QuantumScape

Многие твердотельные объявления либо вообще не показывают никаких данных, либо упускают некоторые из вышеперечисленных параметров, когда сообщают данные, оставляя в лучшем случае неполную картину. В QuantumScape мы разработали твердотельный керамический сепаратор, способный удовлетворить эти требования, не требуя скомпрометированных условий испытаний, описанных выше. Мы представили данные, показывающие, что однослойные версии наших твердотельных литий-металлических элементов могут выдерживать более 1000 циклов и сохранять более 90% от их начальной энергии при циклировании с агрессивной скоростью 1C, температурой, близкой к комнатной, и с умеренным давлением. Совсем недавно мы представили данные, показывающие, что многослойные клетки проходят около 800 циклов с аналогичным сохранением емкости.

Мы собрали данные о ключевых показателях производительности по основным технологиям твердотельных аккумуляторов на основе информации, которую нам удалось получить, сделать вывод или извлечь из опубликованных материалов и презентаций.

Эти данные представлены на диаграмме ниже и актуальны на 4 марта 2021 года.

Мы надеемся, что этот документ поможет нашим заинтересованным сторонам понять более широкий технологический ландшафт технологии твердотельных аккумуляторов и особый подход QuantumScape.

Загрузить версию в формате PDF

Заявления прогнозного характера

В этой статье содержатся заявления прогнозного характера по смыслу федерального законодательства о ценных бумагах, а также информация, основанная на текущих ожиданиях руководства на дату настоящего отчета. Все заявления, кроме заявлений об исторических фактах, содержащиеся в этой статье, в том числе заявления о будущем развитии аккумуляторной технологии QuantumScape, ожидаемых преимуществах технологий QuantumScape и производительности ее аккумуляторов, а также о планах и целях будущих операций, являются заявлениями прогнозного характера. . При использовании в настоящем отчете слова «может», «будет», «оценивать», «проформа», «ожидать», «планировать», «полагать», «потенциальный», «предсказывать», «целевой», «должен», «был бы», «мог бы», «продолжать», «полагать», «предполагать», «намереваться», «предвидеть» отрицание таких терминов и другие подобные выражения предназначены для обозначения прогнозных заявлений, хотя не все прогнозные заявления содержат такие идентифицирующие слова.

Эти прогнозные заявления основаны на текущих ожиданиях, предположениях, надеждах, убеждениях, намерениях и стратегиях руководства в отношении будущих событий и основаны на имеющейся в настоящее время информации об исходе и сроках будущих событий. Эти прогнозные заявления сопряжены со значительными рисками и неопределенностями, которые могут привести к существенному отличию фактических результатов от ожидаемых. Многие из этих факторов находятся вне контроля QuantumScape, и их трудно предсказать. QuantumScape предупреждает читателей, чтобы они не слишком полагались на какие-либо прогнозные заявления, которые действительны только на дату их публикации. Если иное не требуется применимым законодательством, QuantumScape отказывается от каких-либо обязательств по обновлению любых прогнозных заявлений. Если лежащие в основе предположения окажутся неверными, фактические результаты и прогнозы могут существенно отличаться от выраженных в каких-либо прогнозных заявлениях. Дополнительную информацию об этих и других факторах, которые могут существенно повлиять на фактические результаты QuantumScape, можно найти в периодических заявках QuantumScape в SEC. Заявки QuantumScape в SEC находятся в открытом доступе на веб-сайте SEC по адресу www.sec.gov.

Доля на

Продолжить чтение

Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте

14 сентября 2022 г.

Технология твердотельных литий-металлических аккумуляторов QuantumScape обеспечивается запатентованным керамическим твердоэлектролитным сепаратором.

ПОДРОБНЕЕ

Преимущества литий-металлических анодов

19 мая 2022 г.

Перезаряжаемые литий-металлические батареи десятилетиями были предметом интенсивных исследований, и сегодня они как никогда близки к выходу на рынок.

ПОДРОБНЕЕ

Ceramics 101: разделитель QuantumScape в контексте

14 сентября 2022 г.

ПОДРОБНЕЕ

Преимущества литий-металлических анодов

19 мая 2022 г.

ПОДРОБНЕЕ

АККУМУЛЯТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

РЕСУРСЫ

НОВОСТНАЯ

БЛОГ QS

КАРЬЕРА

Политика конфиденциальности | Условия использования
© 2022 QuantumScape Corporation
1730 Technology Drive, San Jose, CA 95110
[email protected]

Твиттер Линкедин YouTube

Исследование, проведенное при поддержке JCESR, стало прикрытием журнала Science: новый электролит улучшает конструкцию перезаряжаемой батареи

Аккумуляторные электролиты с использованием хелатообразователей на основе аминов, сольватирующих двухвалентные катионы, продемонстрировали стабильное и хорошо обратимое покрытие/удаление металлического Mg с изображениями сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) зацикленного анода Mg, показанными слева, вместе с репрезентативной сольватной оболочкой катиона Mg2+ .

(Источник: Нина Бородин, Сингюк Хоу, Сяо Цзи из Университета Мэриленда.)

Этот пресс-релиз подготовлен Инженерной школой им. А. Джеймса Кларка Университета Мэриленда.

Энергия, содержащаяся в литий-ионных батареях, может изменить технологию будущего поля боя, создавая во всем мире спрос на основные материалы для литий-ионных батарей, такие как литий, кобальт и никель, что создает проблемы с поставками для будущего производства. .

Художественный рендеринг аккумуляторных электролитов с использованием хелатирующих агентов на основе аминов для стимулирования интеркаляции и деинтеркаляции ионов магния (Mg) (желтый) в высоковольтных катодах из оксида марганца. Хелатообразователи также облегчают обратимое напыление и удаление металла с Mg-анода. Реорганизация сольватационной оболочки и модификация интерфейса электрод-электролит привели к плотности энергии в ионно-магниевых батареях 412 ватт-часов на килограмм на уровне электродов. См. стр. 156 и 172.

(Иллюстрация: В. Алтунян/Наука; Данные: Сяо Цзи, Сингюк Хоу, Олег Бородин)

Исследователи из Университета Мэриленда (UMD) и Командования по развитию боевых возможностей армии США, известного как DEVCOM, Армейская исследовательская лаборатория, разработали революционный аккумуляторный электролит, который может открыть новые возможности для многообещающих альтернатив, таких как перезаряжаемые батареи из магниевого металла. Подробное исследование этой новой аккумуляторной технологии было опубликовано 8 октября в журнале Science . химик-вычислитель из Объединенного центра исследований в области хранения энергии. «Низкий окислительно-восстановительный потенциал и большая емкость металлического магниевого анода также потенциально могут обеспечить плотность энергии, сравнимую или даже большую, чем у литий-ионных батарей в сочетании с высоковольтными оксидными катодами».

Бородин также пояснил, что по сравнению с литием магний образует меньше дендритов, что эксперты называют основной причиной проблем с безопасностью литий-ионных аккумуляторов.

Несмотря на эти преимущества, батареи из магниевого металла по-прежнему сталкиваются со многими проблемами, которые мешают их развитию. Одна из основных проблем связана с сильной реакцией магния на обычные электролиты во время работы батареи — оба электрода должны быть совместимы с электролитом, чтобы батарея достигла достаточной плотности энергии.

В качестве материала анода магний имеет тенденцию вызывать коррозию электролита и создавать толстое покрытие вокруг анода.

В то время как аналогичные покрытия в литий-ионных батареях обеспечивают диффузию ионов лития и защищают электролит от дальнейшего разложения, это покрытие блокирует магниевое покрытие и предотвращает протекание необходимых электрохимических реакций.

Пытаясь решить эту проблему, исследовательская группа UMD во главе с Чуньшэном Ваном, профессором химического машиностроения и директором Центра исследований экстремальных аккумуляторов, разработала новую стратегию проектирования, включающую новый класс растворителей.

К их удивлению, конструкция электролита не только предотвратила процесс коррозии, но и значительно увеличила кинетику реакции как анода, так и катода, повысив общую производительность батареи.

«Предыдущие электролиты могли покрывать магний, но у них было много недостатков, — сказал Ван. «Это исследование решило эту проблему с помощью нового электролита, который позволил наносить покрытие из металлического магния, а также использовать катоды с более высоким напряжением. Это первый раз, когда магниевая батарея теоретически достигла такой же плотности энергии, как литий-ионная батарея».

Исследователи также обнаружили, что они могут применить тот же принцип проектирования к другим материалам, подпадающим под категорию двухвалентных металлов, а не только к магнию.

«Магния значительно больше, чем лития, что должно удовлетворить потребности постоянно растущего рынка аккумуляторов. Низкий окислительно-восстановительный потенциал и большая емкость металлического магниевого анода также потенциально могут обеспечить плотность энергии, сравнимую или даже большую, чем у литий-ионных батарей в сочетании с высоковольтными оксидными катодами». — Олег Бородин

В своем эксперименте новая стратегия проектирования электролита позволила исследователям обойти часто встречающиеся проблемы как с перезаряжаемыми металлическими магниевыми, так и с кальциево-металлическими батареями.

«Испытание с кальцием показывает, что эта конструкция электролита может быть распространена на другие типы мультивалентных батарей с низким потенциалом и расширяет выбор электродных материалов в целом», — сказал Сингюк Хоу, аспирант UMD и соавтор исследования. . «Люди особенно интересуются кальцием, потому что потенциал кальциевого анода даже ниже, чем у магниевого, а кальция в земной коре очень много».

Армейские исследователи в основном поддержали исследование с помощью расчетов теории функционала плотности (DFT), которые помогли команде понять, почему новый электролит привел к этим улучшениям, и направить поиск новых электролитов.

«Армия помогла нам понять механизм того, что именно произошло», — сказал Ван.

Разное