Продажа квадроциклов, снегоходов и мототехники
second logo
Пн-Чт: 10:00-20:00
Пт-Сб: 10:00-19:00 Вс: выходной

+7 (812) 924 3 942

+7 (911) 924 3 942

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, взаимодействующий со свинцом. Сочетание данных элементов дает напряжение, составляющее приблизительно 12 вольт.

Уровень плотности электролита при эксплуатации транспортного средства постоянно колеблется. Какая плотность АКБ является оптимальной? Значения 1.25-1.29 г/см3 принято считать идеальными.

Если отказаться от поддержания необходимого уровня плотности, батарея будет быстро разряжаться. Более того, резко снизится срок ее эксплуатации. В большинстве случаев плотность «проседает» при перезарядках, когда температура становится слишком высокой (электролит и вода испаряются).

Важная информация

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

  • Слишком высокий уровень плотности 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. Практика знает случаи, когда такие компоненты просто-напросто разъедались;
  • Если вы зафиксировали значение, которое ниже нормальной плотности АКБ, приступайте к зарядке батареи. Данный процесс должен длиться, как минимум, 10 часов.

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.

Помните о том, что такую процедуру следует провести для каждой банки. Чтобы получить максимально точные результаты, зарядите батарею. До проведения измерения она должна выстоять 3 часа при комнатной температуре. Описываемую операцию необходимо выполнять в защитных перчатках.

Наши услуги

Если вы хотите купить легковой аккумулятор, свяжитесь с нами по номеру +7 (343) 312-81-50. мы работаем как с юридическими лицами, так и частными автовладельцами. Мы гарантируем высокое качество поставляемой продукции. В наличии имеются все необходимые сертификаты и лицензии.

Какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе

Ребята у меня много статей про электролит в аккумуляторе. Например — почему он темнеет или сколько его внутри батареи в литрах. Но нет, ни одной статьи, которая рассказывает о его плотности, а именно о нормальном значении. А действительно, какое оно у заряженной и разряженной АКБ, от чего зависит и на что влияет. Если честно, то многие «матерые» водители знают эту информацию как «отче наш», однако с новичками все сложнее, многие вообще ни разу не заглядывали внутрь, не видели пластин, да и не представляют, из чего состоит электрохимическая жидкость. Будем это исправлять …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

Для того чтобы понять зачем нужен электролит, а тем более его плотность и что это такое вообще, стоит вспомнить строение стандартной свинцово-кислотной батареи:

  • Это обычный пластиковый корпус (разбитый на шесть отсеков или банок), который не может вступать в реакцию с кислотой
  • В каждую из банок загружены пакеты пластин, плюсовые и минусовые. Они не пересекаются друг с другом, а между ними проложены диэлектрики, обычно это пластиковые изоляторы. Каждая банка генерирует 2,1В
  • Банки подключены последовательно чтобы дать 12,6В в заряженном состоянии.
  • Сверху все это дело закрывается пластиковой крышкой, и выводятся два основных контакта, это плюс и минус.

А вот теперь мы и подошли к самому интересному, чтобы происходила реакция между плюсовыми и минусовыми пластинами, чтобы накапливался заряд, как раз и нужна электрохимическая жидкость или попросту электролит, причем с определенной плотностью.

Что такое электролит?

Как я уже написал сверху это жидкость, которая состоит из специальных компонентов. Собственно их всего два – это серная кислота и дистиллированная вода. Размещены они примерно в сочетании один к двум. То есть одна массовая доля кислоты и две доли воды (если взять процентное соотношение — то 35% на 65%). Именно такое соотношение заставляет пластины (плюс и минус) накапливать заряд.

Но что такое плотность?

Все просто – плотность это и есть соотношение кислоты и воды, если его замерить специальным прибором (ареометром) он покажет такое значение (35/65%). Значит, соотношение правильное и не требуется корректировка. То есть не нужно добавлять ни воды, ни кислоты.

Но в процентах оно практически не указывается, а измеряется граммами на сантиметр в кубе (г/см3), это говорит нам о концентрации кислоты (граммов) в одном кубическом сантиметре электролита.

Какая плотность считается нормальной?

Если смотреть посмотреть показание ареометра, то они должны быть 1,27 – 1,29 г/см3 . Это говорит нам о том, что серная кислота находится в достаточной концентрации, то есть она растворена в воде, а не осела в виде сульфатов на пластинах.

Однако такая плотность считается нормальной в средней полосе России. То есть выдерживает температуры до минус 40 градусов Цельсия. Если вы используете автомобиль ближе к северу, то плотность можно немного увеличить. Ведь если она будет не достаточной, то батарея просто может замерзнуть. Так для – 40 градусов, лучше иметь электролит в концентрации 1,30 -1,35 г/см3.

Также стоит помнить, что плотность очень сильно «прыгает» в зависимости от заряда и разряда аккумулятора. Почему да все просто.

Почему плотность меняется при разрядах и зарядах?

При заряде батарея начинает поглощать дистиллированную воду из электролита, поэтому концентрация начинает расти. Разрушаются так называемые «соли серной кислоты», которые оседают на пластинах.

У полностью заряженной батареи она составляет 1,27 – 1,29 г/см3! После того как зарядка окончена, то идет разряд (допустим на пуски и прочие потребители), плотность может упасть до 1,18 г/см3 – это уже разряженный АКБ.

Именно при разрядах из батареи поглощается серная кислота, она оседает на пластинах в виде сульфатов. Если батарею сильно разрядить или долго не заряжать, то пластины (этими сульфатами) просто «запечатываются», становятся очень жесткими – не способными разрушится при зарядке, именно этот процесс и называется сульфатацией. Он очень опасен, большинство АКБ «умирают», не от того что осыпались пластины и электролит стал мутный и черный, а именно из-за того что емкость упала, пластины в сульфатах.

Поэтому если у вас плотность ниже чем 1,27 г/см3, это говорит что АКБ разряжен. А если она 1,15 — 1,18 – это практически глубокий разряд. Нужно срочно заряжать батарею, иначе сульфатация. Вот кстати небольшое видео об этом.

А что если сильно повысить плотность?

Многие в качестве эксперимента, захотят повысить плотность намного выше, чем нормальный показатель. Либо вообще залить просто одну кислоту! Сделать это можно по разным причинам, например чтобы не замерзала при критических температурах. Но ребята, делать этого не нужно, это также может убить ваш АКБ.

Да потому что серная кислота это очень сильный растворитель — если зальете ее концентрированную, то она разъест ваши металлические пластины, вот и все! Она запросто разъедает твердые металлы, такие как сталь, а уж о свинце и говорить нечего!

Максимальная концентрация, которая возможна, примерно — 1,35 г/см3! Дальше уже не рекомендуется, потому что кислота начинает «подъедать» пластины.

Чем еще опасна низкая концентрация?

Я немного рассказал сверху, что низкая концентрация электролита говорит нам о разряде, и она ведет к сульфатации пластин. Это очень плохо!

Еще одним минусом низкого значения, является низкой порог замерзания. Попросту ваш аккумулятор может замерзнуть, а это еще хуже. Ведь значение в 1,17 г/см3, имеет порог замерзания примерно -5, — 10 градусов Цельсия, а если «завернет» – 20! Что не редкость? Лед сломает пластины, да и корпус. После замерзания восстановить АКБ, очень сложно. Это практически 100% выход из строя АКБ.

Сейчас небольшое, но полезное видео, смотрим.

Собственно на этом буду заканчивать, думаю, моя статья была вам полезна. Читайте наш АВТОБЛОГ.

(16 голосов, средний: 4,31 из 5)

Похожие новости

Какой аккумулятор лучше обслуживаемый или необслуживаемый. Прави.

Как проверить аккумулятор нагрузочной вилкой. На автомобиле, пол.

Как восстановить аккумулятор автомобиля. Делаем в домашних услов.

Свинцово-кислотным аккумуляторам уже более полутора столетий, но позиции в автомобилестроении они не сдают и по сей день. Главных причин тому две: низкая себестоимость и морозоустойчивость. Литий-ионный аккумулятор, пускай он и гораздо компактнее и легче при сопоставимой с свинцово-кислотным емкости, но стоит в разы дороже и уже при 0° С его емкость упадет вдвое (в то время как у свинцовой батареи это произойдет только при -30° С). И это не говоря уже о гораздо большей требовательности к условиям заряда и разряда.

Необслуживаемые кальциевые и AGM-аккумуляторы завоевывают все большую популярность, но АКБ традиционной конструкции с возможностью обслуживания все так же можно увидеть под капотом автомобиля. Контроль уровня и состояния электролита увеличивает ресурс аккумулятора, а самое главное – страхует от проблем зимой, что «рукастому» владельцу только в плюс.

Принцип действия аккумулятора

Говоря о плотности аккумуляторного электролита, нужно начать с самого принципа работы автомобильных аккумуляторов. Во время заряда-разряда в аккумуляторе протекают около 60 реакций, как утверждают исследования еще советских времен,но основной из них является только одна: в процессе разряда оксид свинца на катоде (отрицательном электроде) и свинец на аноде (положительном электроде) «забирают» сульфат-ионы из раствора серной кислоты, превращаясь в сульфат свинца, причем на катоде дополнительно образуется вода, а при заряде сульфат свинца, напротив, «отдает» сульфат-ионы в электролит.

Таким образом, во время разряда плотность электролита падает, при полном разряде между пластинами фактически остается дистиллированная вода, а во время заряда она возрастает. Тогда почему падает плотность раствора в аккумуляторе со временем, если эти процессы зеркальны?

Причина в том, что сульфат свинца, образующийся при разряде аккумуляторной батареи, не всегда полностью расходуется в ходе заряда. Особенно это заметно на морозе и после длительного пребывания батареи в разряженном состоянии: пластины покрываются сначала белыми разводами крупнокристаллического сульфата свинца, а затем эти кристаллы постепенно осыпаются вниз и в дальнейшей реакции, проходящей при зарядке, практически не участвуют.


Поэтому сульфатация пластин аккумулятора является однозначно вредным явлением. Снижается емкость аккумулятора, прочность пластин, а из-за падения плотности электролита батарея хуже набирает заряд: чем ниже плотность раствора, тем хуже проводимость. Полностью разряженный аккумулятор практически не принимает заряд – сопротивление электролита между его пластинами слишком велико.

Однако плотность может со временем и вырастать. Так как электролит – это не чистая серная кислота, а ее водный раствор, то при зарядке АКБ протекает еще одна реакция: банальный электролиз воды, малозаметный в начале цикла, но к концу идущий по нарастающей. Поэтому старые рекомендации по заряду обслуживаемых АКБ советовали дождаться «кипения» аккумулятора – резкого роста выделения кислорода и водорода в банках. Теряя воду, со временем электролит снизит свой уровень, а плотность его неизбежно возрастет – даже с учетом постепенного связывания серной кислоты на пластинах и в осыпи вода при «кипении» теряется быстрее.

Нормальная плотность электролита

Чистая серная кислота в аккумуляторах не используется – это чрезмерно опасно, значительно возрастает скорость сульфатации пластин даже при нормальной эксплуатации. Из эксплуатационных соображений плотность электролита аккумулятора выбрана такой, чтобы обеспечить возможность уверенной работы при отрицательных температурах, достаточную удельную емкость и скорость заряда.


При нормальных условиях (под которыми в физике принято понимать, среди прочего, температуру +20° С) плотность электролита в полностью заряженном аккумуляторе составляет 1,28-1,3 г/см3. Как можно видеть на приведенной иллюстрации, именно такая плотность обеспечивает наибольшую морозоустойчивость. Заодно заметно, что у полностью разряженного аккумулятора риск замерзания зимой очень велик – достаточно температуре опуститься ниже -5, как в электролите образовываются кристаллики льда.

Зимняя и летняя плотность электролита

Однако на практике измерение плотности электролита в аккумуляторе при строго заданной температуре невозможно: зимой в гараже плотность у исправного и заряженного аккумулятора увеличится, а летом, да еще и сразу после поездки, напротив, будет ниже. Поэтому принята система поправок при измерениях в зависимости от температуры аккумулятора, которая отображена в таблице ниже.:

Температура электролита, °СПоправка, г/см 3
От –40 до –26–0,04
От –25 до –11–0,03
От –10 до +4–0,02
От +5 до +19–0,01
От +20 до +300,00
От +31 до +450,01

Таким образом, если Вы измеряете плотность зимой во время легкого заморозка (до -10), то у заряженного аккумулятора она должна составлять 1,3-1,32 г/см3, так как с поправкой -0,02 мы и получим «стандартные» 1,28-1,3. На жаре же уже нормой плотности будут 1,27-1,29 г/см3.

Ещё кое-что полезное для Вас:

Порядок измерения плотности аккумулятора

Для начала аккумулятор необходимо установить на ровную горизонтальную плоскость и очистить крышку от пыли и грязи. Лучше для этого использовать ткань, смоченную слабым раствором соды, как самой доступной щелочи: она нейтрализует возможное отпотевание электролита вокруг пробок.

Теперь проверяем уровень электролита. Проще это сделать на аккумуляторах с полупрозрачными стенками – на стенках есть риски, с помощью которых можно сразу понять, находится ли уровень в пределах допустимого. Важна не только сама высота уровня, но и равномерность по банкам: там, где уровень электролита заметно меньше, возможна неисправность (негерметичность стенок или днища, быстрое «выкипание» электролита из-за его чрезмерной изначальной плотности и так далее). Если стенки у аккумулятора непрозрачные, воспользуйтесь прозрачной трубкой, опуская ее в отверстия пробок до упора в набор пластин и затыкая после этого верхний конец пальцем: вытащив трубку, Вы увидите, насколько электролит выше пластин. Нормой считается высота уровня в 10-15 мм над пластинами.

Если в какой-то банке уровень электролита ниже нормы, доведите его до нужного, аккуратно доливая дистиллированную воду. Как мы уже писали выше, чаще всего уровень снижается из-за потери воды за счет электролиза, поэтому восполнять уровень готовым электролитом нельзя.

Перед проверкой плотности обеспечьте батарее состояние стопроцентной заряженности – подсоедините зарядное устройство до момента «кипения» или до его отключения, если используете автоматическую модель. Это нужно и для того, чтобы плотность в банке выровнялась после доливания дистиллированной воды, иначе измерение даст ошибочный результат.

Распространенный прибор для контроля плотности – это ареометр, представляющий собой прозрачную колбу с грушей для набора жидкости. Внутри этой колбы находится грузик с делениями – в набранный электролит он погрузится на высоту, зависящую от плотности аккумулятора, и риска, по которую он погрузится, и укажет на результат измерения.

Однако есть и более удобный и универсальный прибор – речь идет об оптическом рефрактометре, который способен также измерять температуру замерзания охлаждающей жидкости и «омывайки». Для измерения достаточно капнуть на нужное место из пипетки и прижать каплю прозрачным стеклом-крышкой. Посмотрев на свет через рефрактометр, вы увидите по риске плотность электролита. Это быстрее, да и точнее, чем привычный способ с ареометром.


Как повысить или понизить плотность в аккумуляторе

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе или, наоборот, понизить ее, если измерения показали, что она выходит за пределы нормы? Сразу предупредим: придется повозиться.

Для начала нужно запастись электролитом повышенной (и заранее известной!) плотности. Для удобства возьмем электролит с плотностью 1,4 г/см3 – он достаточно безопасен при работе. Далее необходимо узнать, каков объем одной банки аккумулятора, полностью слив ее в стеклянную градуированную емкость. Отнимая некоторое количество электролита и доливая заранее запасенный «крепкий» (или, наоборот, дистиллированную воду), можно соответствующим образом довести плотность до необходимой. Ориентируйтесь на следующую таблицу для объема в 1 литр:

Измеренная плотностьОтбор электролита, млДоливка электролита, млДоливка воды, мл
1,24252256
1,25215220
1,26177180
1,27122126
1,286365
1,29
1,303638

В результате вы получите 1 литр электролита с плотностью 1,29 г/см3 – эта величина находится ровно посреди допуска.

Приведем пример: из банки слилось 0,8 литра раствора с плотностью 1,24 г/см3. Из простейшей пропорции можно вычислить, что нам нужно отлить 201 мл из этого объема и добавить 204 мл «крепкого» электролита. Почему различаются объем доливки и удаляемый объем? Любой бывалый самогонщик подскажет: раствор серной кислоты в воде, как и в случае со спиртом, меняет свой объем в зависимости от процентного соотношения компонентов, и 100 мл кислоты в смеси со 100 мл воды дадут отнюдь не 200 мл раствора.

Можно ли избежать этой возни? Естественно. Раз уж вам приходится сливать электролит из банки, то гораздо быстрее сразу залить туда свежий электролит нормальной плотности. Не помешает и промыть перед этим его дистиллированной водой: это лишний плюс для ресурса батареи.

Видео: Как правильно поднять плотность электролита в аккумуляторе

Практически каждый автомобилист знает, насколько важно держать аккумуляторную батарею своего автомобиля в порядке. От ее состояния зависит не только возможность пуска двигателя, но и нормальная работа всего электрооборудования машины. К сожалению, далеко не всем известно, что исправность и «боеготовность» батареи зависит не только от своевременной и качественной ее зарядки, но и от нормальной плотности электролита в аккумуляторе.

Устройство и принцип работы АКБ

Для того чтобы качественно провести обслуживание аккумулятора и обеспечить правильную его работу, необходимо хотя бы приблизительно представлять, что у него внутри и как все это работает. Поэтому, прежде чем перейти к вопросам об электролите, необходимо понять, как устроен автомобильный аккумулятор и по какому принципу он работает.

Конструкция батареи

Практически все свинцово–кислотные батареи имеют одинаковую конструкцию. Состоят они из отдельных секций (банок), каждая из которых имеет набор положительных и отрицательных пластин. Первые называются катодными и выполнены из металлического свинца. Вторые, анодные, сделаны из диоксида свинца. Пластины собраны в пакет и помещены в кислотостойкую емкость, в которую впоследствии заливается рабочая жидкость – водный раствор серной кислоты или так называемый электролит.

Устройство секции свинцово-кислотного аккумулятора:

  • 1 – крышка банки;
  • 2 – корпус банки;
  • 3 – ребристый отстойник;
  • 4 – пластины, собранные в пакет;
  • 5 – отрицательный (анодный) вывод;
  • 6 – отрицательный (анодные) пластины;
  • 7 – диэлектрическая прокладка – сепаратор;
  • 8 – положительный (катодный) вывод;
  • 9 – положительные (катодные) пластины.

Готовые секции, соединенные последовательно, и являются аккумуляторной батареей. В шестивольтовых АКБ таких секций три, в 12-ти вольтовых – шесть.

Как это работает

Итак, конструкция АКБ достаточно проста, но каким образом на ее выводах появляется напряжение? Действительно, если взять батарею прямо из магазина и подключить к ней вольтметр, то прибор покажет «0». Отсутствие тока обусловлено тем, что электролит не заливается в батарею сразу после изготовления, и в стоящем на магазинной полке аккумуляторе пластины сухие. Рабочая жидкость заливается в АКБ уже после покупки.

Самое время выяснить, для чего нужен электролит. Поскольку положительные и отрицательные пластины имеют различный химический состав, между ними, погруженными в кислотный раствор, возникает разность потенциалов (примерно 2 В на секцию, чем и обусловлено количество секций в батарее). При подключении к клеммам АКБ нагрузки между пластинами, благодаря высокой электропроводности электролита, начинает течь ток. Одновременно начинается химический процесс преобразования диоксида свинца в сульфат свинца с участием серной кислоты. Как только количество диоксида и серной кислоты упадет до определенного уровня, процесс прекратится, и батарея перестанет вырабатывать ток – разрядится.

В процессе разрядки серная кислота и диоксид свинца расходуются на образование сульфата свинца

Но аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов (батареек), могут восстанавливать свои химические свойства. Если подключить АКБ к источнику постоянного тока, то под его действием сульфат начнет разлагаться на диоксид свинца и серную кислоту. Батарея начнет заряжаться, преобразуя электрическую энергию в химическую. Как только количество диоксида и кислоты достигнет исходных величин, батарею можно считать заряженной.

Химические процессы, возникающие в батарее при ее разрядке и зарядке

Серная кислота, входящая в состав электролита, играет одну из основных ролей в работе АКБ. Именно от ее свойств будет зависеть качественная и долговременная работа батареи в целом.

Понятие плотности электролита

Вполне понятно, что количество серной кислоты и диоксида свинца в батарее должно быть сбалансированным – ведь они расходуются вместе. Поскольку количество диоксида свинца определяется производителем, автомобилисту после покупки аккумулятора остается лишь заправить АКБ необходимым количеством кислоты. Емкость секций батареи тоже фиксирована, поэтому в нее больше нормы не зальешь.

Остается единственный вариант – разбавить кислоту нейтральной к свинцу жидкостью, что и делается. Разбавляется кислота обычной водой, но дистиллированной, чтобы соли, содержащиеся в обычной воде, не нарушили чистоту раствора и не вывели АКБ из строя. Обычно автолюбитель покупает уже готовый электролит нужной плотности в автомагазине, хотя приготовить его можно и самостоятельно.

Процентное отношение воды к кислоте в полностью заряженном аккумуляторе составляет 70/30. Но при составлении электролита и его измерениях намного удобнее пользоваться единицами плотности – г/см. куб. или кг/м. куб. Удельный вес воды и кислоты различен, а значит, по общей плотности раствора можно судить о процентном соотношении его составляющих – концентрации.

Оптимальная концентрация кислоты

Пониженная концентрация, как правило, приводит к ускоренной сульфатации пластин – образованию на них нерастворимого сульфата свинца, который уже не может разложиться на кислоту и диоксид. В результате емкость батареи катастрофически падает, КПД уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается (сульфат – диэлектрик).

Даже полностью заряженная, но сульфатированная батарея, выдающая, казалось бы, нормальное напряжение, садится после первого пуска, а то и вообще не в состоянии провернуть стартер. Кроме того, электролит с низкой плотностью замерзает при более высоких температурах, а значит, на стоянке даже при легком морозе батарею попросту разорвет льдом.

Чрезмерно высокая плотность электролита в аккумуляторной батарее не менее опасна, поскольку излишняя кислотность сокращает ресурс батареи в разы, буквально съедая пластины. Конечно, аккумулятор, залитый одной кислотой, будет крутить «как зверь», но сколько проживет такая АКБ? Сутки, может неделю. Если повезет – месяц.

А теперь пора вернуться к оптимальной плотности. В сети можно увидеть множество таблиц «рекомендованной» плотности, в зависимости от климатических условий. Если тепло – пониже, если мороз – повыше. Чем грозят эти «повыше» и «пониже», было описано в предыдущих абзацах. Поэтому не стоит изобретать велосипед, поскольку все эксперименты уже провели производители АКБ, а рекомендованная плотность приводится в сопроводительной документации.

С новым, сухим (сухозаряженным) аккумулятором все просто – в него заливается электролит комнатной температуры с плотностью 1.28 г/см. куб. Через час концентрация упадет до 1.26 – 1.27 г/см. куб., и батарея готова к работе. Далее, в процессе заряда/разряда аккумулятора и в зависимости от температуры окружающей среды, плотность раствора будет все время колебаться. Больше разряд – ниже плотность, идет заряд – плотность повышается. В нормально функционирующей АКБ отношение плотности к степени заряда и напряжению на клеммах выражается следующими показателями:

  • 1.265 кг/м. куб. — 12.6 … 12.7 В — полностью заряжена;
  • 1.225 кг/м. куб. — 12.3 … 12.4 В — 75%;
  • 1.190 кг/м. куб. — 12.0 … 12.1 В — 50%;
  • 1.115 кг/м. куб. — 11.8 … 11.9 В — 25%;
  • 1.120 кг/м. куб. — 11.6 … 11.7 В — разряжена;
  • ниже 1.120 кг/м. куб. — ниже 11.6 В — глубокий разряд.

Стоит обратить внимание на то, что все параметры батареи, включая плотность и напряжение, сильно зависят от температуры. Поэтому значения справедливы только при 26.7 градусах Цельсия. Если нужно провести измерения при другой температуре окружающей среды, то дополнительно придется воспользоваться таблицей плотности электролита от температуры, которую несложно найти в сети.

Выяснив зависимость плотности от выходного напряжения батареи, а значит, и от степени ее заряда, контролировать концентрацию электролита несложно. Достаточно замерить напряжение на клеммах отключенного аккумулятора любым вольтметром, затем измерить плотность и проверить их соответствие.

Проверка плотности рабочей жидкости

Для измерения плотности жидкостей существуют специальные приборы – ареометры или плотномеры. Есть такой и для автомобильных аккумуляторов. Выполнен он в виде большого шприца, внутри которого расположен поплавок со специально отградуированной шкалой.

Поплавок автоареометра комплектуется специальным «шприцем» для работы в узкогорлых секциях аккумуляторов.

Для того чтобы измерить плотность в аккумуляторе, со всех его секций сворачиваются пробки. Далее грушу ареометра сжимают, а его иглу погружают в секцию. Отпустив грушу, набирают в шприц электролит. При этом поплавок прибора всплывает. Плотность жидкости считывают со шкалы по тому уровню, до которого всплыл поплавок.

Поплавок всплыл до уровня 1.200. Плотность электролита – 1.2 г/см. куб.

После измерения грушу вновь сжимают, а после слива электролита обратно в батарею ареометр промывают проточной водой и сушат. Не следует забывать, что каждая секция – отдельная, независимая часть АКБ, поэтому плотность нужно измерить в каждой.

Когда и чем доливают аккумулятор

Необходимость доливки рабочей жидкости в батарею возникает нечасто, но она бывает необходимв. Что, сколько и в каких случаях нужно доливать? Всего таких случаев два: низкий уровень электролита и ненормальная кислотность рабочей жидкости.

Низкий уровень в секциях

Эта ситуация возникает часто, поскольку в процессе работы батареи вода испаряется или, как принято говорить, выкипает. При этом уровень раствора в секциях уменьшается, и края пластин оказываются сухими. Определить это можно визуально, просто свинтив пробки с секций и заглянув в заливные горловины. Нормальный уровень жидкости в секции должен быть примерно на 1 см выше уровня среза пластин. В некоторых АКБ даже имеется специальная метка, отштампованная на корпусе. Если уровень низкий, то ситуация хоть и серьезна, но устранить ее легко. Для этой операции понадобятся:

  • медицинский шприц без иглы или автомобильный ареометр;
  • дистиллированная вода;
  • средства защиты (очки и резиновые перчатки).

Дистиллированная вода набирается в шприц и заливается в соответствующие секции, до нужного уровня. После доливки жидкости в аккумулятор его ставят на зарядку. В этом плане автоареометр намного предпочтительней, поскольку, долив воду, тут же можно проконтролировать плотность раствора.

Следует соблюдать осторожность: нельзя работать с кислотой, если глаза не защищены.

Ненормальная кислотность

Если изначально батарея была заправлена как положено, то чрезмерно большая плотность электролита в аккумуляторе может появиться только в случае, если выкипела вода или измерения проводились при сильном морозе (с понижением температуры плотность повышается, и это нормально). В первом случае достаточно просто долить воду, во втором – произвести перерасчет или, что проще и правильнее, заняться измерениями в отапливаемом помещении.

А вот падение концентрации кислоты – ситуация реальная. Обычно это происходит из-за неправильной эксплуатации АКБ или ввиду ее «преклонного возраста». Причина – появление нерастворимого сульфата, который при своем образовании использовал кислоту, но уже не разлагается при зарядке, а значит, вернуть ее обратно в раствор не может. Ситуация не особо радостная, но восстановить плотность необходимо хотя бы для того, чтобы дотянуть до покупки новой батареи.

Прежде чем принять решение о доливке кислоты, необходимо еще раз убедиться в том, что плотность действительно ниже положенной при текущем состоянии АКБ. Если решение принято, то понадобятся ареометр, перчатки, очки и корректирующий электролит плотностью 1.35 — 1.40 г/см. куб. (в продаже есть и такой).

Корректирующий электролит для доливки в автомобильный аккумулятор

В крайнем случае подойдет и стандартный 1.28 г/см. куб., но, возможно, придется отобрать лишнюю жидкость из секции в отдельную емкость, чтобы освободить место для более «крепкого».

Методика доливки та же, что и воды, но при этом плотность в банке постоянно контролируется тем же ареометром.

Категорически запрещается поднимать концентрацию раствора доливкой чистой серной кислоты. Во-первых, это очень опасно, во-вторых, даже нескольких грамм концентрированной кислоты достаточно, чтобы кардинально изменить плотность раствора в секции, а значит, выставить нужную плотность пол-литровым ареометром исключительно сложно.

Плотность электролита в аккумуляторе — какая плотность должна быть и как проверить

Автор Milavlad На чтение 6 мин. Просмотров 768 Опубликовано Обновлено

13 сентября, 2021


Большинство автолюбителей не раз были знакомы с низкой плотью электролита. Проще говоря, проблема разряженного аккумулятора касалась практически каждого второго владельца авто или полноприводного электрофэтбайка.

Нормальное показание плотности электролита

Электролит проводит электрический ток и имеет в своём составе дистиллированную воду и серную кислоту. Данные вещества находятся приблизительно в одинаковых долях. На одну часть приходится дистиллированная вода и 1,25 части серной кислоты. Таким образом нормальная плотность аккумулятора составляет 1,25.

Постоянно полуразряженный или полностью разряженный аккумулятор приводит к сульфатации пластин. Это бесповоротно убивает АКБ, снижая его ёмкость и увеличивая внутреннее сопротивление. В процессе сульфатации, пластины аккумулятора покрываются сернокислым крупнокристаллическим свинцом.

Всегда следует:

  1. Делать периодическую профилактику вашего аккумулятора.
  2. Взять за правило поддерживать заряд и чистоту аккумуляторной батареи.
  3. Устранять наличие окислов на клеммах и грязи.

Почему необходим полноценный заряд аккумулятора

  1. Чем чаще происходит разреженность свинцовых пластин в аккумуляторе, тем быстрее наступает процесс сульфатации.
  2. Качественная работа АКБ прямо пропорциональна плотности электролита.

Примечания:

  1. Профилактику АКБ следует проводить каждый сезон. Особенно в период осенне-зимней эксплуатации.
  2. АКБ приходит в негодность по разным причинам. Зачастую длительными запусками двигателя стартером. Зимой стартер потребляет повышенный ток и может привести к короблению пластин.
  3. Заряд аккумулятора прямо пропорционален плотности электролита степени заряда.

Как проверить плотность электролита аккумулятора

  • Надеть перчатки и выкрутить все пластиковые крышки герметичных банок аккумулятора. Ареометр аккуратно опустить в первую банку и извлечь резиновой грушей электролит. Поплавок прибора должен находиться в свободном положении и не задевать дно и стенки банки.
  • Жидкость в приборе наглядно укажет показания плотности.
  • Этот процесс провести поочерёдно с каждой банкой. При разнице плотности в 0,01 г-на куб. см, необходимо долить дистиллированную воду.
  • При пониженной плотности до показателя 1,22 г-на куб. см и ниже необходимо поставить АКБ на зарядку.

Важно! При повышении температуры плотность электролита прямо пропорционально уменьшается на 0.01 г/см3. И, с точностью до наоборот увеличивается при понижении температуры.

Краткий инструктаж предварительной подготовки:

  1. Соблюдая меры безопасности подготовить необходимые ниже перечисленные инструменты и материалы.
  2. Самостоятельное изготовление электролита требует внимательности и аккуратности. Кислоту медленно добавляют в воду, а не наоборот. При добавлении в воду кислота реагирует не агрессивно, исключив ожоги и испарения. Кислота погружается в толщу воды и разбрызгивания не происходит из-за определенной реакции. Рекомендация: Аккуратно вливая кислоту в дистиллированную воду, непрерывно перемешивайте раствор стеклянной палочкой. Растворение серной кислоты в воде выделяет большое количество тепла. Выливая воду в кислоту, вы подвергните себя большой опасности. Кислота имеет по сравнению с водой высокую плотность (практически в два раза). Следовательно, вода растекается на поверхности кислоты. Преобразуясь в быстро нагревающуюся агрессивную среду, образуя пары и кислотные брызги. Будьте внимательны!
  3. Ни в коем случае не переворачивайте аккумулятор! Это ведет к осыпанию пластин и может вызвать короткое замыкание.
  4. Специальную посуду и инструменты для приготовления электролита следует подготовить заранее:
    1. Защитная одежда (брезентовые рукавицы, фартук прорезиненный, кислотно-щелочестойкие перчатки, защитные очки).
    2. В свободном доступе бак с чистой холодной водой.
    3. В аптечку стоит добавить пищевую соду и нашатырный спирт.
    4. Различные приспособления для работы с реагентами (мензурку, резиновую грушу и воронку).
    5. Учесть и определенные приборы (ареометр, трубку для измерения уровня, паяльник и дрель).

Инструктаж по увеличению плотности электролита

Показатель плотности решает всё. Например, хорошее состояние определяет значение 1,25-1,28, и профилактика не нужна. Низкий показатель плотности (1,18-1,20) говорит о доливке электролита с плотностью 1,25.

Итак, приступаем:

  • Откачиваем старый электролит резиновой грушей в одной из банок АКБ. Делаем необходимые замеры плотности.
  • Новый раствор, объёмом вполовину от откачанного следует долить и медленными движениями прокачать АКБ для перемешивания.
  • Измерьте плотность. Если показания неутешительны, добавьте еще часть электролита. Повторять процесс, пока не будут достигнуты нужные показатели.

Повышение плотности электролита

Наипростейшим методом решения данного вопроса — это добавление дистиллированной воды. Хотя многие не догадываются, что вода выкипает со временем, следовательно, и сам электролит тоже.

Прежде чем повышать плотность электролита, следует произвести определённые замеры. Это поможет понять износ вашего аккумулятора и выявить дальнейшие действия. Проверку следует производить правильным образом. Специальный прибор, созданный для данной процедуры — это ареометр. Электролит является небезопасным реагентом.

Прежде чем замерять его плотность, в обязательном порядке следует подумать о мерах безопасности:

  • Замеры производить в специальной одежде.
  • Стараться полностью избегать контакта раствора с кожей и одеждой.
  • Воздержаться от курения.

Понижение плотности электролита

Обыкновенным доливом электролита вряд ли удастся решить этот вопрос. В данном варианте случае понадобится аккумуляторная кислота, потому что по плотности она выше.

Совет: если вы желаете долгую и радостную жизнь вашему аккумулятору, своевременно делайте профилактику Этот метод похож на процесс добавления электролита. Не получилось с первого раза достичь нужных результатов? Повторите процедуру до требуемого результата.

Не стоит мучиться при пониженной плотности вашего аккумулятора (1,15) просто полностью замените электролит:

  1. Во-первых, откачайте большое количество жидкости резиновой грушей.
  2. Плотно закрыть отверстия пробок на банках АКБ.
  3. Далее нужно последовательно просверлить 3,5 миллиметровые зазоры в дне каждой из банок (поставив аккумулятор набок).
  4. Прежде чем просверливать новое отверстие, необходимо извлечь электролит полностью.
  5. Делаем полную промывку АКБ дистиллированной водой.
  6. Затем запаиваем высверленные отверстия кислотно-щелочной пластмассой.

Проведя данную процедуру можно смело заливать правильно приготовленный электролит.

Безопасность в профилактике АКБ

Аккумулятор состоит из свинцовых пластин, а свинец отравляет организм. Чтобы не отравиться парами серной кислоты и не получить ожогов кожных покровов, следует придерживаться четкой техники безопасности.

Обязательным условием безопасности считается применение спецодежды и средств хим защиты. Материал одежды желательно использовать из хлопка с кислотостойкой пропиткой. Для работы в зимнее время года используют грубые шерстяные волокна.

Используйте керамическую или санфаянсовую емкость для работы с реагентами. Категорически запрещена стеклянная посуда. Стекло не предназначено для использования с такими реагентами.

Предпочтительно при работе с аккумулятором в аптечке иметь запас дополнительных средств: пищевая сода, марганец, нашатырный спирт, бинты и вату.

Непроветриемость рабочего помещения приводит к различным травмам и отравлениям. Без респиратора и перчаток вы рискуете приобрести хроническую форму отравления свинцом. Свинцовая пыль, как правило, попадает в организм через дыхательные пути. Вследствие чего появляется общая слабость, малокровие, а также заболевание почек и даже судооги.

При подозрении на отравление необходимо срочно выйти на свежий воздух и прополоскать рот содовым раствором. После чего немедленно вызвать врача. Содой можно также нейтрализовать брызги воды или электролита.

Электролит плотностью 1,25 при попадании на кожу рук и лица, нейтрализуется обычной водой с мылом.

Примечание: помните, что никакая правильная профилактика не увеличивает срок службы вашего аккумулятора как у новой АКБ.

Эксплуатация авто аккумулятора зимой

Что сделать, чтобы подготовить батарею к холодному времени года и какая плотность электролита нормальна для зимы?

Ответ:

У заряженной на 100% АКБ, изначально рассчитанной на использование в условиях умеренного климатического пояса, плотность электролита при стандартных +25оC должна колебаться между 1.27 и 1.30 г/см3. Если температура будет выше, плотность снизится, если вокруг будет холоднее – повысится. Именно поэтому на крайнем Севере используют аккумуляторы с более плотным электролитом (1.32 г/см3), а в тропических странах с более низким (1.24 /см3).

Перед наступлением холодов важно убедиться в том, что аккумулятор заряжен – в этом случае вы избежите замерзания электролита и связанных с ним проблем при пуске двигателя. Учтите также, что зимой на работу батареи серьёзное влияние оказывают утечки в системе электрооборудования и слабое натяжение генераторного ремня.


Что делать, если при старте двигателя в холода батарея разрядилась до нуля?

Ответ:

Зарядите батарею при помощи небольшого тока – причём провести зарядку нужно от стационарного устройства и не позже, чем через 2-3 дня с момента наступления глубокой разрядки.


В чём причина замерзания электролита?

Ответ:

Когда аккумулятор разряжается, плотность электролита падает – и, соответственно, становится ниже количество содержащейся в его растворе серной кислоты. Образуется вода, которая и замерзает. Чем сильнее разряжен аккумулятор, тем раньше электролит способен замёрзнуть. К примеру, при 1.11 г/см3 замерзание наступает уже при -7 градусах Цельсия, а при 1.27 г/см3 (нормальная плотность при полном заряде) только при -58 градусах.


Можно ли реанимировать батарею, если замёрз электролит?

Ответ:

Всё зависит от тяжести конкретного случая. Как правило, если аккумулятор замёрз не на весь объём, а его корпус не был деформирован, восстановить АКБ можно. Для этого занесите батарею в комнату, оставьте её там до тех пор, пока весь лёд не растает (это должно происходить при комнатной температуре, без лишнего нагрева), и уже после этого ставьте батарею на зарядку. Но учтите, что токовые характеристики аккумулятора в любом случае упадут, а электроды будут повреждены.


Если перед тем, как стартовать двигатель в холода, ненадолго включить фары, станет ли запуск легче?

Ответ:

Нет, это один из самых вредных мифов. Эффект разогрева электролита, на который надеются в рассматриваемом случае, будет ничтожным, а значит, мощность разряда не вырастет. Более того: батарея на этой процедуре теряет драгоценную ёмкость, и есть шанс, что оставшегося заряда на старт мотора не хватит.

Почему в холода советуют использовать аккумуляторы с высокими пусковыми токами?

Ответ:

У холодного пуска есть несколько характерных особенностей:

  • 1. Стартеру понадобится больше времени на успешную прокрутку мотора;
  • 2. Сопротивление холодного мотора зимой возрастает в 2.5-3 раза;
  • 3. Батарее нужно будет отдать большее количество энергии и мощности;
  • 4. Чем холоднее вокруг, тем выше внутреннее сопротивление АКБ.

Именно поэтому для того, чтобы двигатель стартовал надёжно, лучше использовать аккумулятор, имеющий при аналогичных габаритах более высокие токи холодной прокрутки.


На старт двигателя в холода влияет только аккумулятор?

Ответ:

Нет, влияние также оказывает состояние свечей, электрического оборудования, топливной системы и электропроводки машины. Также много зависит от качества топлива, от масла, и, конечно, от опыта водителя.


Из-за чего замёрзла батарея?

Ответ:

Если у Вас замёрзла только одна ячейка, причина, вероятно, во внутреннем дефекте аккумулятора. Из-за него в этой ячейке снизилась плотность электролита, и он замёрз.

Если замёрзло несколько ячеек, дело в том, что аккумулятор был разряжен. Чаще всего это происходит из-за того, что при поездках по городу приходится часто запускать мотор для передвижения на короткую дистанцию – генератору просто не хватает времени для того, чтобы зарядить батарею. Между тем, уже при 45% заряда аккумулятора плотность электролита будет составлять 1.21 г/см3, а при таких параметрах он замерзает уже при -30.

Часто бывает так, что утром не удаётся завести автомобиль, и водитель едет по своим делам на метро или автобусе. Тем временем, разряженная на попытках пуска батарея до вечера успеет замёрзнуть.

Какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе

Всем привет, дорогие читатели, сегодня расскажу какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе. Электролит – основной компонент аккумуляторной батареи, от его плотности зависит накопление и удержание батареей заряда. Низкая концентрация не позволяет АКБ нормально заряжаться, а разрядка наоборот происходит слишком быстро. При низкой плотности машина плохо заводится с утра и может не завестись совсем, остановившись где-нибудь в поле. Неприятный момент, не правда ли? Чтобы его избежать, разберемся какая должна быть концентрация и как её повышать.

Причины и последствия

Почему падает плотность электролита? Она понижается в результате испарения из секций батареи. Больше всего это происходит при закипании его при перезарядке. Постепенно испаряется электролит и вода естественным путем через дренажные отверстия. Есть такие в крышках банок АКБ, чтобы его не разорвало избытком газа или паров.

О необходимости доливать воду по уровню в обслуживаемых батареях знают многие владельцы машин. Но вот о том, что необходимо доливать и электролит, когда его концентрация низкая, знают далеко не все. Частично кислота выпаривается вместе с водой, частично разлагается, вступая в реакцию с веществом пластин АКБ.

Разумеется это происходит не быстро, поэтому проверять электролит ежедневно не имеет смысла. А вот ежемесячная проверка, для обслуживаемого аккумулятора будет не лишней.

Тем более что проверка дело быстрое и совсем не трудное. Для проверки нужно лишь снять АКБ. Открутить пробки и проверить ареометром все банки. После этого закрутить пробки обратно, и вернуть батарею на место. Займет не более 10 минут, даже если все делать не спеша.

К чему приводит безответственность

Когда водитель постоянно доливает по уровню лишь воду в батарею, нормальная плотность электролита падает, зимой такой аккумулятор просто разорвет льдом. Воды в нем больше чем кислоты, значит при понижении температуры она перейдет в лед. А лед, как известно расширяется, вот и происходит разрыв корпуса АКБ

Летом такая батарея быстро разряжается, не смотря на исправный генератор и постоянные стационарные подзарядки.  С похолоданием, при температуре около нуля машина не заводится. Так как плотность снижается и от снижения температуры. Уровень заряда падает автоматически.

Какая нужна плотность

Понятие летней и зимней плотности относительное, поддержание нужной концентрации необходимо и зимой и летом. В областях с более холодным климатом —  плотность должна быть несколько выше, но все равно в определенных пределах. Поддерживать концентрацию помогает систематическая проверка. Вот график плотности и температур, который поможет вам сориентироваться, нужно ли повышать плотность электролита в вашей батарее.

Из графика видно, что даже при относительно нормальной плотности летом, с наступлением холодов все равно возникнут проблемы. Если электролит в аккумуляторе помутнел или почернел, лучше его заменить полностью, отрегулировав плотность в процессе замены. Как правильно это сделать сейчас расскажу.

Повышаем плотность

Начнем с того, что для этого необходимо:

  • Ареометр – прибор для измерения плотности.
  • Резиновая груша.
  • Мерная колба или стакан.
  • Емкость, куда сливать электролит.
  • Бутылка с электролитом для аккумуляторов.
  • Бутылка дистиллята.

Техника безопасности

Техника безопасности тоже на первом месте, вы же не хотите остаться слепыми? Я точно этого не хочу. Поэтому работайте в плотных резиновых перчатках, для защиты глаз приобретите специальные защитные очки, закрытые со всех сторон.

 

Если приходится разводить электролит своими руками, тогда помните: сначала в сосуд наливается вода, а потом в воду постепенно доливается кислота. Если сделать наоборот, происходит мгновенный нагрев жидкости и кипение. Сосуд может лопнуть, и тогда точно получите ожоги. А вам ведь это не нужно?

Если полностью менять электролит, нужно слить из АКБ старый раствор. При этом запрещено сильно наклонять или переворачивать корпус АКБ. Это может привести к осыпанию материала пластин и замыканию их. Тогда батарею можно выбросить.

Замеры плотности выполняют при температуре в помещении 20 градусов, или чуть выше. Когда на улице мороз, батарею нужно принести в отапливаемое помещение. Дайте ей постоять и согреться. Учтите, что чем сильнее разряжена батарея, тем ниже её концентрация электролита. Поэтому перед замерами необходимо будет зарядить АКБ на максимум.

Как поднять плотность в не обслуживаемой батарее, я рассматривать не буду, лучше её просто сдать на свинец. Все манипуляции с такой батареей вы будете делать на собственный страх и риск, потому что её конструкция не позволяет выполнять обслуживание. Если вы любите риск и советы «очумельцев», помешать я вам не смогу, однако все же не советую.

Емкость для старого электролита лучше брать стеклянную или резиновую. Выливать его на землю или в водоем запрещено категорически. В канализацию тоже не рекомендуется. Лучше сдать на утилизацию, во избежание неприятностей, чем утилизировать самому, тем более что сейчас это сделать просто. В Интернете множество фирм, которые этим занимаются.

Обслуживание батареи

Процесс повышения плотности объясню на примере кислотной АКБ, как более распространенной. Показатели для щелочного типа будут отличаться, от приведенных мной.

Плотность для электролита приводится в граммах на кубический сантиметр (г/см3). Измеряется она ареометром, поочередно во всех банках. Допустимая плотность 1,25-1,29.Допустимый разброс между измерениями в банках 0,01. Как выровнять в банках уровень плотности? Конечно же не водой.

Когда показатель 1,20 или ниже, тогда нужно повышать концентрацию добавлением электролита.  Добавляемый электролит должен быть с плотностью 1,27.

Действуйте следующим образом:

  • Сначала, при помощи резиновой груши выкачиваете из одной банки старый электролит, как можно больше, и сливаете в мерный стаканчик, чтобы измерить его количество.
  • После этого заливаете в ту же банку новый электролит, только ½ откачанного объема.
  • Теперь нужно покачать батарею, не переворачивая, и сильно не наклоняя, чтобы старый электролит перемешался с новым.
  • Затем снова замеряете плотность, если её не хватает, доливаете вторую половину откачанного объема.
  • Так поступаете поочередно со всеми банками, пока не получите нужную плотность.
  • Как увеличить плотность, если показатели ниже 1.18? Рекомендуется доливать уже не электролит, а кислоту аккумуляторную по описанной выше схеме. Пока не получим нужную концентрацию. Превышение плотности не желательно, будут быстрее разлагаться пластины аккумулятора и снижаться его ресурс.
  • После достижения нужной концентрации, заряжаете АКБ.
  • После зарядки снова измеряете концентрацию и выравниваете по необходимости дистиллятом или электролитом.

В общем, как повысить плотность электролита вы теперь знаете, работа это кропотливая. Зато АКБ потом отлично работает в течение года, а может и дольше, если избегать закипаний и замыканий. Если рассыпались пластины хотя бы одной банки, тогда поможет только замена АКБ.

Спасибо всем, подписывайтесь на обновления и делитесь с друзьями, будет еще много познавательного. До встречи.

Плотность электролита в аккумуляторе

Проверять плотность проводника электрического тока в аккумуляторе следует регулярно. Процесс является важным во всей системе обслуживания батареи. В свинцовых аккумуляторах плотность измеряется в г/см3 и пропорциональна концентрации раствора.

Почему важно поддерживать оптимальную плотность?

По плотности электролита аккумулятора можно определить состояние батареи. Если значение плотности понизилось, скорее всего, произошел сбой. Он может быть связан с:

  • наличием дефекта ячейки;
  • обрывом цепи;
  • глубоким разрядом батареи.

Аккумулятор не держит заряд? Следует в первую очередь проверить состояние электролита.


Важно! В ходе эксплуатации батареи вода постепенно испаряется. По этой причине электролит становится более концентрированным. Это может негативно сказаться на состоянии аккумулятора, сократив срок его службы.

Чем проверить?

Проверить плотность можно с помощью специального прибора. Его называют «денсиметр» (ареометр). Обычно проверки осуществляются при температуре +25 градусов.

При отсутствии специального прибора проверка может быть выполнена с помощью вольтметра (он есть практически у каждого автовладельца). Просто подключите к клеммам аккумулятора автомобильный тест и определите показатель напряжения.

Он должен варьироваться в диапазоне от 11,9 до 12,5 В.

Под нагрузкой показатели также изменяются. Минимальным является напряжение 13,9 В, максимальным – 14,4 В.

Какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе?

Нормальная плотность зависит от климатической зоны, в которой используется аккумулятор. 

В зонах с умеренным климатом показатель плотности электролита в аккумуляторе может варьироваться от 1,25 до 1,27 г/см3.

В холодных зонах показатель является более высоким (на 0,01).

В жарких зонах показатель сокращается на 0,01 г/см3.

Важно! Плотность электролита влияет на емкость аккумулятора и срок его службы. Чем она меньше в полностью заряженном аккумуляторе, тем дольше прослужит устройство.

Плотность электролита 2 7 в каждой банке. Какая должна быть плотность в аккумуляторе? Как проверить плотность аккумулятора? Как повысить плотность аккумулятора? Почему снижается плотность

На многих сайтах и форумах пишут, что если в аккумуляторе понизилась, то нужно срочно долить электролит и повысить его плотность. Также есть мнения, что при заряде электролит из аккумулятора выплескивается.

На самом же деле при заряде выделяются пузырьки газа — молекулы кислорода и водорода, т. е вода. Сера из аккумулятора никуда не девается.

Поэтому не нужно сразу бежать за электролитом, чтобы увеличить его плотность. Лучше выяснить причину снижения плотности.

Включенные днем фары, музыкальное оборудование, современные сигнализации, обогреватели и другое дополнительное оборудование не дают аккумулятору полностью зарядиться, т.к. от генератора часть энергии идет не на зарядку батареи, а на обслуживание этих приборов. Свою роль играют и поездки по городу, когда машины еле двигаются в пробках. Аккумулятор на автомобиле нормально заряжается при скоростном движении, а в пробках на холостых оборотах зарядки батареи практически нет, вся энергия уходит на питание электроприборов Авто.

Постоянный недозаряд аккумулятора приводит к его сильной . Часть серы не успевает раствориться в процессе заряда и кристаллизуется на нижней части пластин. При этом образуется плотный твердый слой сульфата свинца с крупными кристаллами, который затрудняет работу этой части пластин. Плотность электролита уменьшается т.к. часть серы осела на пластинах и превратилась в труднорастворимые кристаллы. Чем глубже сульфатация, тем ближе плотность электролита к 1,0, т.е. плотности воды.

Когда ситуация не очень запущена, то положение можно исправить полностью зарядив аккумулятор. Еще лучше произвести несколько циклов заряд-разряд, при этом полностью заряжая батарею.

Если у Вас есть регулируемое зарядное устройство, то настройте его на зарядный ток 0,05С номинальной емкости и заряжайте батарею от 12 часов до 2-3 суток. В процессе заряда необходимо постоянно проверять плотность и уровень электролита.

Для полного заряда батареи настройка зарядного устройства должна быть не менее 2,65В на элемент или 15,9В для 12В аккумуляторов. Т.е. в процессе заряда должно происходить газовыделение (кислорода и водорода) — «кипение» аккумулятора.

Современные автоматические для стартерных аккумуляторов настроены с конечным зарядным напряжением 14,4В (2,4В на элемент), так же как настроен реле регуляторы на автомобилях. Это напряжение защищает машину от бурного газовыделения, но и не позволяет батарее зарядиться на 100%.

Поэтому производители стартерных аккумуляторных батарей рекомендуют 1 раз в полгода проверять плотность электролита и полностью заряжать батарею.

Если же в этом случае долить электролит, то в аккумуляторе увеличится количество серы, плотность естественно тоже увеличится. Но кристаллы свинца, связывающие пластины не дадут им полностью работать. К тому же высокая концентрация серы будет способствовать отслоению активной массы на пластинах.

Нормальная плотность электролита свинцовой аккумуляторной батареи в условиях средней полосы и температуре электролита +25 град.С должна быть 1,28+-0,01г/см3.

Доливать электролит в свинцово-кислотную аккумуляторную батарею можно, только если точно известно, что электролит из нее пролит. В этом случае доливается электролит той же плотности и с той же температурой, что и в аккумуляторе.

Выравнивание плотности свинцового аккумулятора проводят в конце заряда, когда происходит хорошее перемешивание электролита из-за бурного газовыделения. В противном случае следует продолжать заряд после доливки в течение 30 минут для достижения лучшего перемешивания и затем через 30 минут измерить плотность и температуру, чтобы снова определить приведенную плотность. Доводка плотности электролита до нормы обычно не получается с первого раза, тогда ее следует повторить. Промежутки между приемами доводки должны быть не менее 30…40 минут, чтобы аккумулятор успел остыть.

Для того чтобы не превысить уровень, из аккумуляторной батареи необходимо предварительно отобрать часть электролита.

Уравнивание можно проводить только в полностью заряженном аккумуляторе, когда электролит имеет плотность. Уровень электролита должен быть на 10—15мм выше пластин, а температура электролита около 25°С.

Наверняка большинство автомобилистов сталкивались с ситуацией, когда оставленная на некоторое время машина перестает заводиться. При этом стартер может вообще не подавать каких-либо признаков жизни. Основной причиной этому, скорее всего, является аккумуляторная батарея, что за несколько дней полностью разрядился. Попытка зарядить ее в этом случае не приведет к положительному результату. Подобная проблема является результатом снижения плотности электролита, что залит в банки батареи …

Ведь эта жидкость, по сути является катализатором электрохимического процесса, без нее аккумулятор это набор и пластика, который работать не будет. Как мы с вами знаем, состоит от из (примерно 65%) и (35%), у этой жидкости есть определенная плотность, которая может понижаться и повышаться, в зависимости от заряженности.

Почему снижается плотность электролита?

Чаще всего с целью поддерживать на требуемом уровне количество жидкости внутри автомобильной батареи владельцы машины доливают туда дистиллированную воду. При этом редко проверяется плотность получившегося раствора. Вместе с тем, когда количество дистиллированной воды будет достаточно большим, при подзарядке вместе с этой жидкостью будет выкипать и электролит, что и приводит к снижению его плотности.

Рано или поздно этот показатель упадет ниже критического уровня, и завести транспортное средство уже не получиться.

В таком случае возникает необходимость повысить этот параметр раствора в аккумуляторе, что вернет его работоспособность.

Подготовка к восстановлению батареи

Перед тем, как своими силами повышать уровень плотности аккумуляторной батареи, к этому процессу следует тщательно подготовиться. В первую очередь:

  • Замеряется этот основной показатель автомобильной батареи при температуре около 22 градусов. Сделать этом можно при помощи специального прибора – ареометра. При этом работать можно только в перчатках и защитных очках, чтобы избежать возможных ожогов.

  • При приготовлении нового электролита кислота добавляется в воду. Если же сделать наоборот, жидкость , что может привести к кислотным ожогам.
  • Переворачивать аккумулятор при работе с ним категорически запрещено, поскольку при этом могут посыпаться его пластины, что приведет к выходу прибора из строя.
  • Наперед следует подготовить емкости, в которые будет сливаться старая жидкость и готовиться новая.
  • Потребуются точные расчеты необходимого объема кислоты, поскольку в процессе зарядки плотность жидкости в АКБ возрастет.

Повышение плотности электролита

В АКБ есть несколько банок, электролитический раствор есть в каждой из них. Проверять и при необходимости повышать уровень плотности необходимо в каждой банке.

Нормальный уровень данного показателя зависит от нескольких факторов, в первую очередь – от температуры воздуха. Нормальным считается значение 1,25-1,29г/см3. Разница таких показателей между банками не должна превышать 0,1.

Если измерение этого показателя является ниже нормы, нужно повысить плотность электролита в аккумуляторе.

При помощи спринцовки из каждой банки выкачивается раствор. При этом набирать нужно как можно большее количество жидкости, измеряя ее объем, чтобы затем долить точно такое же количество свежего электролита.

Залив столько же свежего раствора, сколько было извлечено старого, АКБ хорошенько прокачивается с целью размешивания нового и старого электролита.

После этого снова проводиться измерение этого показателя: если он все еще находиться ниже нормы, все действия повторяются до достижения нужного значения плотности. По завершению при необходимости в банки автомобильной батареи добавляется дистиллированная вода.

Плотность ниже минимального значения

Бывают такие случаи, когда уровень этого показателя опускается ниже отметки 1,18. В таком случае вышеописанный способ ничем не поможет.

Чтобы восстановить работоспособность аккумуляторной батареи, вместо электролитического раствора нужно использовать кислоту, плотность которой выше, чему у электролита. При этом все действия проводятся точно так же, как и в предыдущем случае до того времени, пока показатель не придет в норму.

Можно ли повысить минимальную плотность?

Если уровень плотности раствора, что проводит ток в АКБ автомобиля упал намного ниже 1,18 г/см3, поднимать ее нет никакого смысла. В таком случае необходимо слить весь раствор, заменив его свежим.

Сначала с банок откачивается с помощью спринцовки как можно больше электролита. Далее батарея помещается в большую емкость, аккуратно переворачивается на бок, в дне каждой банки просверливается небольшое отверстие. Перевернув прибор, с него сливаются все излишки оставшейся жидкости.

Сделав это, в АКБ заливается свежий раствор, после чего прибор будет готов к использованию. Недостатком подобного способа является то, что в конечном результате снижается срок службы устройства, но некоторое время оно все еще поработает до покупки нового.

Как повысить при помощи зарядного устройства

Тут также все просто, нам нужно заряжать аккумулятор на слабом токе, длительный промежуток времени. Суть такова, при достижении полного заряда, электролит начнет кипеть, пойдут пузырьки, это распадается и испаряется вода. Для повышения плотности нам нужно чтобы лишняя вода испарилась, а кислота осталась. Конечно, будет понижаться уровень в батареи – но вместо ушедшего уровня, добавляем нужный плотности электролит. Процесс этот долгий и муторный (выкипание — добавление), но примерно через пару суток можно догнать уже до плотности в 1,27 – 1,29 г/см3, что уже нормально.

Редко кому из водителей не приходилось сталкиваться с такой проблемой, поэтому многим будет полезно узнать, как выровнять плотность электролита в банках аккумулятора. Есть и такие владельцы, которые вообще не знают, что аккумулятор также нуждается в периодическом обслуживании.

Кроме того, что его нужно периодически подзаряжать от внешнего источника тока, следует также проверять уровень и плотность электролита в его банках. Только внимательное отношение к аккумуляторной батарее обеспечит её длительный срок службы.

Как выровнять плотность электролита в банках аккумулятора мы постараемся донести всем желающим вполне доступным языком, чтобы даже далёкий от «техники» владелец смог самостоятельно выполнить такую операцию. Для этого не требуется каких-то особых требований или условий, она легко выполняется в условиях гаража. Далее поговорим о том, почему появляется необходимость корректировки плотности, как правильно её выполнить.

Несколько слов об устройстве аккумулятора

Прошло много лет с момента появления первых аккумуляторных батарей. Несмотря на то что постоянно происходило её усовершенствование, сконструированы принципиально новые виды аккумуляторов, по прежнему самым массовым прибором до сих пор является «старушка» свинцово-кислотная АКБ. Наверное, уже из названия стало понятно, что в её основе использован свинец для изготовления пластин, и серная кислота для электролита, чтобы пропитать эти пластины.

АКБ состоит из пластмассового корпуса, в котором размещают шесть отдельных аккумуляторных банок. Каждая такая секция способна выдать напряжение 2,1 вольт, при соединении их в последовательную цепочку, получим на выходе 12,6 вольт. В каждой такой баночке установлен своеобразный пакет из отрицательных и положительных пластин. Между ними обязательно должен быть небольшой промежуток для свободного доступа к ним раствора электролита.

Его изготавливают на основе концентрированной серной кислоты добавлением в неё дистиллированной воды. Нельзя использовать любую другую воду, только чистую в химическом отношении. Смешивая кислоту и воду, получают раствор электролита, плотность которого должна быть 1,27 г/см3. Работа батареи состоит из циклов разряда, а затем подзарядки от работающего автомобильного генератора.

Причины снижения плотности

Для этого имеется много поводов, рассмотрим некоторые из них. С приходом холодов для батареи наступает период её более интенсивной эксплуатации. Становится более продолжительным запуск двигателя, движение с включенным светом приводят к тому, что работы генератора уже недостаточно для восстановления её ёмкости.

Но ещё более «коварная» причина кроется в токах саморазряда батареи. Не путайте их с токами потребления часами или автомагнитолой в дежурном режиме, они несравненно малы в сравнении с саморазрядом. В процессе подзарядки от автомобильного генератора происходит газовыделение из банок паров электролита. В процессе этого неизбежно происходит конденсат этих паров и выпадение осадков, в том числе на корпус АКБ. В результате этого появляются токопроводящие дорожки от «минуса» батареи к её «плюсу» приводящие к саморазряду АКБ.

Как правильно корректировать плотность?

Для проведения такой операции необходимо иметь следующие приборы и материалы:

  • Корректирующий электролит, его плотность должна быть от 1,33 до 1,4 г/см3;
  • Дистиллированная вода;
  • Термометр для измерения его температуры;
  • Денсиметр, прибор для определения плотности;
  • Стеклянная трубка для отбора жидкости из банок.
Проводить корректировку нужно проводить после того, когда после зарядки стационарным устройством, плотность электролита ниже показателя 1,27 г/см3. Для проведения этой операции аккумулятор нужно снять с машины, а работу выполнять на улице или в помещении с вентиляцией. В первую очередь осматривают и очищают поверхность батареи, особенно в тех местах, где установлены пробки в её банках.

Далее нужно вывернуть все пробки из банок и денсиметром измерить плотность в каждой из них. Она может быть повышенной или заниженной, что одинаково плохо для батареи, и её срока службы. После этого при помощи стеклянной трубочки отбирают в отдельную посуду некоторое количество жидкости из банок. Если денсиметр показал значение выше рекомендуемого, то нужно добавить такой же объём воды, а если оно ниже, то добавляется корректирующий электролит.

Теперь нужно поставить АКБ минут на 30 на зарядку при номинальном токе, а затем дать пару часов ей отстояться. В это время происходит полное смешивание жидкостей в банках и они станут однородными. Снова нужно проверить плотность и уровень электролита в банках и если потребуется, то снова провести коррекцию.

Как видно из описания, операция достаточно простая и выполнить её могут все владельцы машин. Надеемся, что всем прочитавшим до конца эту статью, стало понятным, как выровнять плотность электролита в банках аккумулятора. Для того чтобы такую операцию проводить, как можно реже, чаще обращайте внимание на состояние АКБ вашего автомобиля.

Многим автовладельцам наверняка приходилось сталкиваться с проблемой некорректной работы аккумулятора. Бывает так, что машина простояла всего сутки, а завести ее после этого становится невозможно. При этом даже длительная зарядка батареи не помогает. Подобные симптомы свидетельствуют о снижении О том, какая должна быть плотность в аккумуляторе, почему она падает, и как ее поднять до нужного уровня, мы и поговорим в этой статье.

Электролит и его плотность

Электролит — это раствор, состоящий из серной кислоты и дистиллированной воды. Эти компоненты содержатся в примерно равных частях: вода — 1 часть, серная кислота — 1,25 части. Показатель 1,25 — это и есть плотность аккумулятора АКБ напрямую зависят от этого показателя — чем он выше,
тем ниже у нее температура замерзания, а сама она находится в удовлетворительном рабочем состоянии. Зная, какая должна быть плотность в аккумуляторе, можно судить о реальном состоянии своего устройства.


Замер плотности АКБ

Перед тем как проверить плотность аккумулятора, следует обзавестись специальным прибором под названием ареометр. Он представляет собой устройство, состоящее из нескольких резиновых и стеклянных элементов.

Т.к. электролит является опасным химическим соединением, перед замером его плотности необходимо позаботиться о мерах предосторожности, а именно работы проводить в резиновых перчатках, избегая попадания жидкости на кожу и одежду. Категорически запрещается курить!

Откройте горловину банки, вставьте в нее наконечник устройства и с помощью груши наберите немного электролита так, чтобы поплавок ареометра свободно плавал в корпусе, не задевая дно, боковые стенки и верх. Подождите, пока жидкость в приборе успокоится, и, держа его на уровне глаз, визуально считайте показания. Данную процедуру проведите со всеми банками. Если разница плотности будет превышать 0,01 г на куб. см, то обязательно долейте дистиллированную воду либо поставьте АКБ на выравнивающую зарядку. При снижении плотности до показателя 1,24 г на куб. см или ниже аккумулятор следует подзарядить.

Важно знать не только, как проверить плотность аккумулятора с помощью ареометра,
но и правила внесения поправок к показанию прибора в конкретных температурных условиях. Оптимальная температура электролита для измерения его плотности составляет +15 — +25˚С, но если приходится выполнять эту процедуру при более высокой или низкой температуре, то показания необходимо корректировать.

Температура электролита (˚С)

Поправка к показаниям ареометра

Не следует выяснять, какая плотность в аккумуляторе, после того как туда недавно
была долита вода, или после неоднократных попыток запуска стартера. После выполнения всех процедур тщательно промойте ареометр водой.

Как поднять плотность в аккумуляторе?

Самым простым способом поддержания необходимого уровня электролита в АКБ является долив Однако большинство автовладельцев забывают или не знают о том, что периодически необходимо замерять плотность аккумулятора, т.к. вода со временем выкипает, а вместе с ней и электролит, что влечет снижение плотности, иногда до критической отметки. Когда аккумулятор совсем
отказывается работать, то тут же возникает животрепещущий вопрос: «Как поднять плотность в аккумуляторе?»

Используя нижеизложенную инструкцию, вы сможете самостоятельно продлить жизнь АКБ. Однако помните, что эта процедура требует особого внимания и аккуратности.

Меры предосторожности

Соблюдайте максимальную осторожность при работе с электролитом: все действия выполняйте в защитных очках и резиновых перчатках.
. При самостоятельном разведении электролита обязательно следует добавлять кислоту в воду, но не наоборот! Эти жидкости имеют разную плотность, и результатом ошибки могут стать серьезные ожоги.
. Запрещено переворачивать АКБ вверх дном, т.к. вследствие этого активная поверхность пластин может осыпаться и вызвать короткое замыкание.
. Заранее подготовьте емкости для слива старого электролита и приготовления новой смеси.
. Предварительно проверьте пластмассу, которую будете использовать для запайки отверстий, на стойкость к электролиту.
. Помните, что заряженный аккумулятор будет иметь большую плотность.

Подготовительный этап

Для того чтобы поднять плотность электролита аккумуляторе, потребуются:
. ареометр;
. мерная емкость;
. клизма-груша;
. паяльник;
. дрель;
. электролит;
. аккумуляторная кислота;
. дистиллированная вода.


Как поднять плотность электролита в аккумуляторе: подробная инструкция

Производим замеры плотности электролита в каждой банке. Помня, какая должна быть
плотность в аккумуляторе, сопоставляем свои реальные показатели. Итак, если плотность составляет 1,25-1,28, а разброс значений в каждой банке не превышает 0,01, то аккумулятор вполне работоспособен, и каких-либо процедур ему не требуется. Если же показатели варьируются на уровне 1,18-1,20, то единственным вариантом будет долив электролита с плотностью 1,27.

Из одной банки откачайте с помощью клизмы-груши максимальное количество старого электролита и замеряйте его объем.
. Долейте свежий раствор в количестве, составляющем половину от откачанного.
. Активно, но аккуратно покачайте аккумулятор, чтобы перемешались жидкости.
. Замеряйте плотность. Если значение не такое, какая должна быть плотность в аккумуляторе, долейте еще ½ электролита от оставшегося количества. Операцию следует повторять, пока не получите требуемые показатели.
. Остаток долейте дистиллированной водой.


Что делать при критическом уровне плотности

Если показатель плотности ниже 1,18, то данную проблему решить доливом электролита не получится. В этом случае потребуется аккумуляторная кислота, имеющая существенно большую плотность. Данный процесс производится аналогично схеме добавления электролита. Если с одного раза не удалось достичь нужных результатов, повторяйте процедуру необходимое количество раз.
Если в аккумуляторе плотность даже ниже 1,18, то необходимо прибегнуть к процедуре полной замены электролита. Для этого сразу надо откачать с помощью груши максимальное количество раствора. Затем на аккумуляторных банках герметично закройте вентиляционные отверстия пробок. Поставьте АКБ набок и поочередно просверлите 3-3,5-миллиметровые отверстия в дне каждой из банок. Перед тем как проделывать очередное отверстие, из предыдущего сливайте остатки электролита.

Далее необходимо тщательно промыть дистиллированной водой. После этого запаяйте высверленные отверстия кислотостойкой пластмассой (к примеру, для этого можно использовать пробки с ненужного аккумулятора).
Проделав все подготовительные процедуры, можете приступать к заливке свежего электролита. В этом случае рекомендуется использовать раствор, приготовленный самостоятельно, плотность которого будет несколько выше, чем предусмотрена для вашего климатического пояса. При этом следует учесть, что даже полная замена электролита в старом аккумуляторе не сможет обеспечить ему такой же срок службы, как у новой АКБ.

Совет: если вы хотите, чтобы аккумулятор служил вам как можно дольше, не забывайте его вовремя заряжать и проверяйте периодически его плотность.

Аккумуляторная батарея – один из основных элементов автомобиля, отвечающих за пуск двигателя. Значение аккумулятора сложно переоценить, ведь без него невозможно завести мотор, а, значит, машина своим ходом передвигаться не сможет. Именно поэтому АКБ требует к себе особого внимания, исключающего возникновение неприятных ситуаций в виде невозможности совершить запланированную поездку. При этом стоит отметить, что для поддержания работоспособности это важного источника питания не требуется предпринимать каких-то сверхусилий, а достаточно выполнять лишь небольшой комплекс профилактических мер.

Свинцовая аккумуляторная батарея представляет собой гальванический элемент, внутри которого химическая энергия в результате протекающих реакций преобразуется в электрическую. Этот процесс невозможен без электролита – раствора кислоты, обеспечивающего движение заряженных частиц между погруженными в него электродами. Как правило, электролит представляет собой водный раствор серной кислоты определенной плотности. Именно такой параметр как плотность электролита оказывает значительное влияние на работоспособность аккумулятора, поэтому периодически его нужно контролировать.

Измерение плотности электролита в аккумуляторе

Измерить плотность залитого в свинцовый аккумулятор электролита не так уж сложно, однако есть определенные нюансы, связанные с особенностями устройства и принципом работы АКБ. Перечислим некоторые важные моменты, которые надо учесть:

  1. Осуществить процедуру измерения плотности получится только в случае с так называемым обслуживаемым аккумулятором, который предоставляет доступ к банкам (секциям) с электролитом посредством закрытых крышками заливных отверстий. Как раз через эти отверстия (обычно их число равно шести, как и количество секций) и осуществляется забор состава для замера плотности.
  2. В процессе своей работы автомобильная аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. Разряд происходит при прокручивании стартера, а заряд – при уже заведенном двигателе от генератора. В зависимости от степени заряженности меняется и плотность электролита. Значения могут колебаться в пределах 0.15-0.16 г/см 3 . Важно отметить, что автомобильный генератор не способен полностью зарядить аккумуляторную батарею. При штатной работе на машине потенциал АКБ используется только на 80-90%. Полный заряд может обеспечить только внешнее зарядное устройство, к которому обязательно придется прибегнуть перед осуществлением замера плотности электролита.
  3. Плотность электролита зависит от его температуры. Обычно замер производится при температуре +25 °С, в противном случае делаются поправки.

Допустим, все вышеперечисленные условия приняты во внимание, и есть возможность приступить непосредственно к замеру плотности. Для этого понадобится специальный прибор – денсиметр, который состоит из ареометра, резиновой груши и стеклянной трубки с наконечником. Прибор вводится в банку аккумулятора через заливное отверстие, а затем осуществляется засасывание электролита с помощью резиновой груши. Оно происходит до тех пор, пока ареометр не всплывет. Показания считываются после того, как прекратятся колебания ареометра и появится возможность определения точного значения. Отсчет показаний производится по шкале, при этом взгляд должен находиться на уровне поверхности жидкости.

Полученное значение должно входить в диапазон 1.25-1.27 г/см 3 , если автомобиль эксплуатируется в средней полосе. В холодной климатической зоне (средняя месячная температура января ниже -15 °С) показатель должен находиться в интервале 1.27-1.29 г/см 3 . Проверять плотность электролита на соответствие этим числам нужно в каждой из шести банок аккумулятора. Показания не должны отличаться более чем на 0.01 г/см 3 , иначе потребуется их корректировка.

Как мы уже говорили, плотность электролита изменяется в зависимости от температуры. Это значит, что зимой и летом жидкость в одном и том же полностью исправном аккумуляторе будет иметь разную плотность. О том, насколько будут разниться показания, дает представление приведенная ниже таблица.

Зависимость температуры замерзания электролита от его плотности демонстрирует еще одна таблица. На основе этих данных можно установить оптимальную плотность электролита для конкретных климатических условий. Нижняя граница подобранного интервала должна гарантировать, что электролит не замерзнет даже при самых сильных холодах и обеспечит требуемое для прокручивания стартера усилие. В то же время чрезмерно завышать плотность тоже нельзя, так как на положительных электродах аккумулятора начинают ускоряться коррозионные процессы, приводящие к сульфатации пластин.

Температура замерзания, °С Плотность электролита при 25 °С, г/см 3 Температура замерзания, °С
1.09 -7 1.22 -40
1.10 -8 1.23 -42
1.11 -9 1.24 -50
1.12 -10 1.25 -54
1.13 -12 1.26 -58
1.14 -14 1.27 -68
1.15 -16 1.28 -74
1.16 -18 1.29 -68
1.17 -20 1.30 -66
1.18 -22 1.31 -64
1.19 -25 1.32 -57
1.20 -28 1.33 -54
1.21 -34 1.40 -37

Причины изменения плотности электролита

Зафиксированные в результате измерения плотности значения не всегда соответствуют требуемым показателям. Расхождения могут касаться как отдельных банок аккумулятора, так и всех вместе. Если плотность завышена, то нужно обратить в первую очередь внимание на уровень электролита. Низкий уровень в большинстве случае является последствием электролиза, приводящего к разложению входящей в состав электролита воды на водород и кислород. Этот процесс выражается в появлении на поверхности жидкости пузырьков, что обычно происходит при зарядке аккумулятора. Частое «кипение» может приводить к снижению концентрации воды, и этот вопрос решается ее простым добавлением. Доливать в аккумулятор стоит только дистиллированную воду, контролируя при этом уровень электролита. Подробнее о корректировке плотности электролита поговорим ниже.

Если с повышенной плотностью все ясно, то с пониженной ситуация несколько сложнее. В теории, одной из причин понижения плотности, может быть то, что по какой-то причине в электролите уменьшилась доля серной кислоты. Однако на практике это маловероятно, так как сама по себе она обладает высокой температурой кипения, исключающей испарение даже при интенсивном нагреве, который происходит, например, при зарядке аккумуляторной батареи. Более распространенной причиной снижения плотности электролита является так называемая сульфатация пластин, заключающаяся в образовании на электродах сульфата свинца (PbSO4). На самом деле, это естественный процесс, происходящий при каждом разряде АКБ. Но дело в том, что при нормальном режиме работы после разряда аккумулятора обязательно происходит его заряд (на автомобиле аккумулятор постоянно подзаряжается от генератора). Заряд сопровождается обратным преобразованием сульфата свинца в свинец (на катоде) и двуокись свинца (на аноде) – в те активные вещества, которые составляют основу электродов и непосредственно участвуют в химическом процессе внутри аккумуляторной батареи. Если АКБ находится длительное время в разряженном состоянии, сульфат свинца кристаллизуется, безвозвратно теряя способность участвовать в химических реакциях. Это очень неприятный процесс, в результате которого аккумулятор уже не получится зарядить полностью даже при использовании внешнего зарядного устройства ввиду того, что не вся площадь пластин задействована в работе. Так как аккумулятор не заряжается до конца, то и плотность электролита не восстанавливается до своих исходных значений. По сути, здесь уже идет разговор об устранении нарушений в нормальном функционировании аккумулятора.

Частичную сульфатацию пластин можно устранить с помощью контрольно-тренировочных циклов, заключающихся в заряде и последующем разряде батареи до определенного уровня. Большинство современных зарядных устройств имеют такую функцию, поэтому имеет смысл ей воспользоваться, особенно если аккумулятор по какой-то причине долго находился в разряженном состоянии. Процедура десульфатации весьма длительная и может занять до нескольких дней. Если она не принесла результата, то крайней мерой является увеличение плотности с помощью добавления корректирующего электролита (плотность около 1.40 г/см 3). Такой способ можно рассматривать только как временное решение проблемы, потому что причина как таковая не устраняется.

Как поднять плотность электролита

Понизить или повысить плотность электролита в аккумуляторе можно путем откачивания его определенного количества, и долива взамен дистиллированной воды или электролита с повышенной плотностью (корректирующего). Данная процедура требует больших временных затрат, так как цикл откачки-долива может повторяться несколько раз, пока не будет достигнуто требуемое значение. После каждой корректировки необходимо поставить аккумулятор на зарядку (минимум на 30 минут), а затем дать ему постоять (0.5-2 часа). Эти действия необходимы для лучшего перемешивания электролита и выравнивания плотности в банках.

В процессе поднятия (или понижения) плотности электролита не стоит забывать и о контроле его уровня. Он осуществляется стеклянной трубкой с двумя отверстиями по краям. Один край погружается в электролит до тех пор, пока не упрется в предохранительную сетку. Далее верхний конец закрывается пальцем, а сама трубка осторожно поднимается вместе со столбиком жидкости внутри. Высота этого столбика указывает на расстояние от верхней кромки пластин до поверхности залитого электролита. Оно должно составлять 10-15 мм. Если аккумулятор имеет индикатор (тубус) или прозрачный корпус с нанесенными метками минимума и максимума, то контролировать уровень значительно проще.

Не стоит забывать, что все операции с электролитом необходимо выполнять осторожно, используя защитные перчатки и очки.

Двухионная батарея с высокой плотностью энергии для стационарного хранения электроэнергии с использованием концентрированного фторсульфонилимида калия

Графит в качестве катода для двухионных батарей

Графит обычно используется в качестве материала анода в Li-ion (емкость накопителя до 372 мАч g −1 ). Однако в контексте DIB этот материал служит катодом, позволяющим интеркалировать AlCl 4 , BF 4 , PF 6 , CF 3 34 , BIS (Трифторметансульфонимид) (TFSI ) 11,35 , фторсульфонил (трифторметаносульфонил) имид (FTFSI ) 36 , BIS (пентафторэтанесульфонил) имид (Beti ) 37 и бис(фторсульфонил)имид (FSI ) 38 анионов из ионных жидкостей и органических электролитов.Основными факторами, обеспечивающими эффективное поглощение анионов графитом, являются высокая степень графитизации 39 , увеличенная площадь «небазальной плоскости» и небольшие анионные интеркаланты 38 . Такие графитовые катоды обеспечивали катодную емкость до 60–100 мАч г·–1· при среднем напряжении разряда 1,4–1,7 В относительно стандартного водородного электрода (СТЭ), т.е. 4,4–4,7 В относительно Li + /Li. . Типичный анод может сочетаться с катодами, включая графит, углерод, металлический литий и натрий, а также с различными электродами конверсионного типа (Bi, Sn, Pb).В этом исследовании мы сосредоточимся на комбинациях электрод-электролит, не содержащих лития, которые включают только элементы, распространенные на Земле.

Механизм и плотность энергии GDIB

GDIB работает как не-качалка, т.е. двухионная батарея за счет использования обратимой интеркаляции анионов в графитовый катод во время заряда (окисление графитовой сетки). +}} + {\ mathrm {Material}} \leftrightarrow {\ mathrm {Material (Cat)} }_x\, \\ \left( {\mathrm{интеркаляция/сплавление}}} \right)$$

(3)

, где A — анион (FSI , TFSI , PF 6 и т. д.), Cat + обычно представляет собой катион щелочного металла (Na + , K + и т. д.). «Материал» представляет собой активный материал, способный поглощать атомы металла, например, путем ионной интеркаляции (графит и другие углеродсодержащие материалы) 9,10,40,41 или сплавления (т.е. Sn и Pb) 16 . Процесс зарядки завершается, когда в электролите не остается ни катионов, ни анионов, или когда графитовый катод или анод из активного материала достигают максимальной емкости накопления заряда. Следовательно, расчет теоретической плотности энергии на уровне ячейки должен учитывать количество электролита, соответствующее емкости.{ — 1}} \right),$$

(5)

, где F  = 26.8×10 3  мА·ч моль −1 (постоянная Фарадея), x – заряд электроактивных частиц, [электролит] – молярная концентрация электролита в M (моль л −1 ), C c — удельная гравиметрическая емкость графитового катода в мА·ч  г −1 , ρ — плотность электролита в г мл −1 , а ρ C — объемная плотность графит в г мл −1 . Для оценки плотности энергии значение C ячейки необходимо умножить на среднее напряжение батареи, E  =  C ячейка В .

Используя уравнение (4) и аналогичное выражение гравиметрической емкости на уровне клеток, о котором сообщают Dahn et al. 42 . для других вариантов GDIB без лития с реакцией интеркалирования/легирования на анодной стороне, а также для заявленных емкостей электродов, напряжения батареи и молярности электролитов можно показать, что плотность энергии на уровне ячейки для зарегистрированных DIB без лития падает в диапазоне 22–68 Втч кг −1 (см. Дополнительный рис. 1 и таблицу 1) 9,10,11,13,17,21,40,41,43 .Самое высокое зарегистрированное значение ок. 68 Втч кг -1 было для GDIB с использованием 1M NaPF 6 в электролите этиленкарбонат/этилметилкарбонат (EC/EMC) 40,41 . Также можно продемонстрировать, что плотность энергии ограничена умеренными концентрациями электролитов (обычно около 0,3–1 М) или довольно низким напряжением батареи (например, 2 В для батарей на основе AlCl 3 ) 43 . Отметим, что за счет использования высококонцентрированных электролитов в ГДИ на основе лития (до 4 M) были достигнуты значительно более высокие плотности энергии до 150 Втч кг −1 44,45,46,47 .Исходя из этих соображений, здесь мы сосредоточились на поиске высококонцентрированного, но не содержащего лития состава электролита, максимизирующего анодную емкость без ущерба для графитовой емкости.

КФСИ-графит ДИБ с высококонцентрированным электролитом

Как правило, растворимость соли определяется энергией решетки (затраты энергии, которую необходимо преодолеть для образования отдельных ионов из кристаллической решетки) и энергией сольватации ионов (выигрыш энергии при сольватация в растворителе, называемая энергией гидратации, когда растворителем является вода).Согласно Gopal 48 , температура плавления щелочных солей может служить полуколичественным индикатором их энергии решетки. С другой стороны, энергия сольватации ионов положительно коррелирует с плотностью их заряда 49 . Поэтому мы исследовали температуры плавления и ионные размеры сложных одновалентных анионов, которые могут интеркалировать в графит и доступны в виде солей, не содержащих лития, таких как FSI , CF 3 SO 3 , TFSI , ALCL 4 , BF 4 , FTFSI , CLO 4 , PF 6 и Beti .Среди них соли FSI имеют особенно низкие температуры плавления (около 99–103 °C для KFSI и около 109–114 °C у NaFSI) и в то же время относительно небольшой ионный размер (ок. 5,4 Å в длину) по сравнению, например, с TFSI (около 8,0 Å в длину) 38 . Для растворителей необходимо учитывать два ключевых фактора: кислотность по Льюису (способность координировать анионы) и электрохимическую стабильность. Среди множества возможных растворителей мы выбрали растворитель этиленкарбонат/диметилкарбонат (ЭК/ДМК) из-за его самого высокого окна электрохимической стабильности до 6 В 50 .Другие полярные растворители с более высокой кислотностью по Льюису (например, диметоксиэтан, ацетонитрил и вода) не подходили из-за их гораздо более низкой устойчивости к окислению или восстановлению. Важно отметить, что мы обнаружили, что молярность насыщенного раствора KFSI в EC/DMC при комнатной температуре превышает 5 M (65 мас.% KFSI). Для сравнения, насыщенный раствор NaFSI в EC/DMC составляет всего 1,8 M (37 % масс. NaFSI), что хорошо согласуется с его более высокой температурой плавления. Насыщенные растворы других солей, не содержащих лития, упомянутых выше, также имели более низкие концентрации в смеси растворителей ЭК/ДМЦ.

Механизм КФСИ-графит ДИБ можно описать следующим образом. В процессе заряда FSI интеркалирует в графит, а ионы K + восстанавливаются и осаждаются на алюминиевом токосъемнике в виде пленки металлического калия (рис. 1а). Согласно уравнению (4), емкость накопления заряда на уровне элемента будет определяться емкостью графитового катода и молярностью электролита KFSI. Для расчетов плотности энергии мы принимаем постоянное напряжение батареи, равное 4.7 В против K + /K, полученное экспериментально с 5 M электролитом KFSI/EC/DMC (рис. 1б). Рисунок 1c иллюстрирует ограничивающий емкость эффект молярности электролита, поскольку теоретические значения ячейки C для 1 и 5 М растворов составляют 17 и 44 мАч г -1 соответственно. Наконец, мы получили высокую теоретическую плотность энергии 207 Втч кг −1 (388 Втч л −1 ) для концепции KFSI-графита DIB с использованием электролита 5 M, рассчитанную исходя из емкости катодного графита 98 мАч г . -1 (206 Ач л -1 ).

Рис. 1

Принцип работы и плотность энергии КФСИ-графит ДИБ. a Схема процесса зарядки в КФСИ-графит ДИБ. Атомы фтора, кислорода, серы и азота в анионе FSI показаны коричневым, красным, синим и зеленым цветами соответственно. b Типичный профиль гальваностатического напряжения KFSI-графита DIB, измеренный при плотности тока 50 мА g −1 . c Расчетная (кривая из уравнения (4)) и экспериментальная (одна точка) плотность энергии на уровне клеток KFSI-графита DIB с использованием различных концентраций KFSI в растворителе EC/DMC. d Сравнение объемной и гравиметрической плотности энергии графитовой батареи DIB KFSI с батареями других технологий: PHS, ванадиевая окислительно-восстановительная батарея (VRB), свинцово-кислотная батарея и литий-ионная батарея

С точки зрения накопления энергии на уровне сети , плотность энергии ок. 200 Втч кг −1 выгодно отличается от общепризнанных коммерческих технологий, таких как свинцово-кислотные батареи (30–50 Втч кг –1 ) и проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (10–30 Втч кг –1 ).Более подробное сравнение с основными аккумуляторными технологиями, которые используются или могут использоваться для стационарного хранения, показано на рис. 1d. Двумя важными преимуществами GDIB на основе KTFSI являются практически неограниченное естественное изобилие его элементарных компонентов и отсутствие токсичных металлов.

DFT исследование интеркаляции аниона FSI

в графит

Чтобы лучше понять механизм стадий интеркаляции аниона FSI в графит, были выполнены расчеты DFT.Сложные анионные частицы не проникают равномерно в каждый промежуточный слой графита, а уникальным периодическим образом, называемым стадийным механизмом, как показано на дополнительном рисунке 2. Такой механизм является результатом баланса между ван-дер-ваальсовыми силами между графеновыми слоями с одной стороны. и ионное отталкивание между интеркалирующими слоями и внутри них 51 . Этот механизм протекает через различные стадии с различным периодическим расстоянием повторения I c (которое является расстоянием между двумя соседними слоями анионного интеркаланта FSI ) и независимой от стадии высотой галереи интеркаланта d i ( я.е. расстояние между двумя соседними графитовыми слоями с интеркалантом FSI анионов). Меньший номер этапа ( n ) соответствует более высокой концентрации интеркаланта и меньшему количеству пустых графен-графеновых слоев, поэтому он также подразумевает более высокую емкость накопления заряда.

Для моделирования механизма стадирования моделируются четыре различных этапа интеркаляции (см. Дополнительный рисунок 3), и для каждого этапа рассматриваются три разные концентрации. Учитывая формульную единицу C 6 [FSI] x , значения x равны 0.167, 0,334 и 0,50 для стадии 1; 0,083, 0,167 и 0,250 для стадии 2; 0,055, 0,112 и 0,167 для стадии 3; и 0,042, 0,083 и 0,125 для этапа 4. Суперячейка 6 × 6 × 2 из 288 атомов углерода построена для расчета этапа 1 (дополнительный рис. 4), этапа 2 (дополнительный рис. 5) и этапа 4 (дополнительный рис. 6). Еще одна суперячейка 6 × 6 × 3 из 432 атомов использовалась для расчетов этапа 3 (дополнительный рисунок 7).

Затем мы смоделировали рентгенограммы (рис. 2а) на основе релаксированных координат атомов, полученных из расчетов DFT.Для всех стадий между n  = 1 и 4 мы обнаружили два доминирующих пика, обозначенных пунктирными линиями на рис. 2а, которые отражают явление стадийности. Хорошо известно, что для стадии n два наиболее доминирующих пика XRD соответствуют плоскостям ( 00n  +  1 ) и ( 00n  +  2 ), а отношение d ) +1 / d 00 n +2 отражает номер стадии компаунда интеркаляции графита 52 .Периодическое повторяющее расстояние связано с значениями D-расстояния, как I C = ( N + 1) D 00 N + 1 = ( N + 2) D 00 N +2 = ( N + M) D 00 N + M , где D 00 N +1 , D 00 N +2 , а D 00 N + M D -пространства ( 00n + 1 ), ( 00n + 2 ), а также ( 00n + м ) самолетов соответственно.Для стадии 1 значения интервалов d 00 n +1 и d 00 n +2 равны 3,92 и 2,61 1 Å 90 90 повторений, соответственно, что приводит к c   =  2 × 3,92 = 3 × 2,61 в диапазоне от 7,83 до 7,84 Å. В целом эти результаты указывают на образование интеркалированного графита FSI стадии 1 в полностью заряженной графитовой батарее KFSI (рис. 2b). В этом случае межслоевое расширение составляет 134 % при интеркаляции аниона FSI , что меньше, чем при интеркаляции аниона AlCl 4 (150–160 %) 53 и сопоставимо со значениями PF 6  и TFSI интеркаляция аниона (130–140%) 54 .Полностью интеркалированная ступень 1 с формулой C 6 [FSI] 0,5 имеет максимальную емкость хранения 186  мА·ч г –1 .

Рис. 2

Расчеты методом DFT интеркаляции аниона FSI в графит. a Моделируемые рентгенограммы порошка заряженного графита с интеркалированными анионами FSI на разных стадиях. Пунктирными линиями показаны положения наиболее интенсивных пиков для стадий 1, 2, 3 и 4. Для стадии 1 пик при 2 θ  = 20.81° соответствует плоскости ( 0k0 ) из-за латерального смещения графитовых слоев (сложенных AB) при интеркаляции FSI в полностью заряженной системе. Поскольку для других этапов (этапы 2, 3 и 4) сдвиг AB-стекинга гораздо меньше, мы не обнаружили никаких дополнительных пиков для этих систем (подробное объяснение см. Дополнительный рисунок 8 и примечание 3). b Схема аниона FSI , интеркалированного в графит для стадии 1 ( n  = 1). Атомы фтора, кислорода, серы и азота, представляющие анион FSI , показаны коричневым, красным, синим и зеленым цветами соответственно. c Расчетный профиль напряжения интеркаляции аниона FSI в графит в зависимости от молярного отношения между FSI и C (т. е. x в C 6 [FSI] x 1)

Мы рассчитали профиль напряжения KFSI-графитового DIB, следуя поэтапному механизму интеркаляции аниона FSI в графит (рис. 2c, подробности см. в дополнительном примечании 4). Отчетливо видно, что напряжение увеличивается с увеличением степени интеркаляции аниона FSI .Расчетные напряжения для ступеней 4, 3, 2 и 1 составляют 4,75, 4,76, 4,82 и 4,95 В против К + /К соответственно, при их среднем значении 4,82 В против К + /К. Как правило, помимо окислительного потенциала графита, существуют и другие факторы, влияющие на потенциал интеркаляции аниона в графит. Это энергия десольватации аниона (затраты энергии, которые необходимо преодолеть для образования отдельных анионов из электролита, чем меньше анион, тем выше эта энергия) и энергия интеркаляции (затраты энергии, которые необходимо преодолеть для внедрения аниона в решетку графита, чем больше анион — тем выше энергия).Требуется более высокая мощность зарядки, чтобы открыть межслоевые пространства для вставки более крупных анионов. Более высокие энергии десольватации и интеркаляции увеличивают напряжение интеркаляции. Например, напряжение интеркаляции FSI , представленное в этой работе, часто оказывается выше, чем напряжение интеркаляции PF 6 16,21,28 , что может быть связано с большим размером аниона FSI − анион (объем Ван-дер-Вааль, 95 Å 3 ) по сравнению с анионом PF 6 (объем ван-дер-Вааль, 69 Å 3 ) 55 .В то же время можно ожидать, что меньший размер аниона PF 6 повысит его энергию сольватации, несколько нейтрализуя нижний интеркаляционный барьер. Здесь вступает в действие свойство растворителя, которое может сместить этот баланс в сторону более высокого интеркаляционного напряжения PF 6 . Например, для системы на основе PF 6 при использовании в качестве растворителя пропиленкарбоната 56 , который имеет более высокую полярность, чем Смесь растворителей EC/DMC, использованная в данной работе.

Рентгенофазовое исследование интеркаляции FSI

in situ

После компьютерных исследований механизм стадий интеркаляции аниона FSI в графит был экспериментально изучен с помощью XRD измерений in situ. На рис. 3 показаны полученные закономерности при зарядке и разрядке графитового катода в течение первых двух циклов. Расщепление отражения ( 002 ) исходного графита при зарядке свидетельствует о процессе интеркаляции.Появление двух доминирующих пиков, соответствующих рефлексам ( 00n + 1 ) и ( 00n  +  2 ), также указывает на интеркаляцию FSI-анионов анионами

5 −

. После полной зарядки при верхнем пределе потенциала 5,25 В против K + /K положения двух самых сильных пиков (22,76° и 34,40° в 2 θ -единицах, или 0,39 и 0,26 нм в дн. — единиц интервала) хорошо согласуются с результатами расчетов (белые пунктирные линии на рис.3), что указывает на стадию 1. Судя по гальваностатическим кривым, до 0,3 моля анионов FSI могут быть интеркалированы в 6 молей углерода, что дает емкость 112 мАч г -1 . Некоторое необратимое улавливание анионов FSI происходит во время первой зарядки, о чем свидетельствует разница в емкости между первой зарядкой и первой разрядкой. После первого разряда почти одинаковые емкости при последующих полуциклах заряда и разряда свидетельствуют об обратимости процесса интеркаляции.Необратимый захват анионов FSI при первом заряде можно объяснить тем, что в графите произошли необратимые изменения межслоевого расстояния (от 3,35 до 7,85 Å), а также плоскостей (от (00l ) до ( 0k0 )–( 00l ) плоскость, см. Дополнительный рисунок 9). Эта графитовая структура с боковым смещением дает FSI стабильную плоскость для идеального интеркалирования и взаимодействия с соседними графитовыми слоями с максимальным связыванием, что приводит к менее благоприятному процессу деинтеркаляции и, в конечном итоге, захвату некоторых анионов FSI внутри структура графита, как видно из экспериментальных наблюдений этого исследования и некоторых предыдущих исследований PF 6 анионов 57 .Однако после первого цикла заряда/разряда последующая интеркаляция/деинтеркаляция анионов FSI в процессе заряда/разряда становится плавной благодаря уже смоченной (открытой объемной) структуре графитового электрода 58 .

Рис. 3

Рентгенодифракционные измерения графита in situ во время зарядки и разрядки. Вверху: профиль гальваностатического напряжения, измеренный при плотности тока 10 мА g −1 для первых двух циклов. Внизу: рентгенограммы графита во время циклирования.Белые горизонтальные пунктирные линии соответствуют рассчитанным позициям для различных стадий (показаны на рис. 2а). 19 F ЯМР-спектроскопия (рис. 4а). Для этих измерений графит заряжали и разряжали при плотности тока 10 мА g -1 до 5,25 В относительно K + /K, а затем избыток электролита смяли, используя чистый растворитель EC/DMC.Сохранение заряженного состояния во время очистки, обработки и измерений было подтверждено измерениями XRD (рис. 4b), где сравниваются спектры, полученные in situ в конце электрохимической зарядки, и ex situ после выделения и промывки. Спектр ЯМР твердого тела 19 F заряженного и промытого графита демонстрирует широкий сигнал между 20 и 125 млн, который намного слабее, чем тот, который наблюдается для разряженного графита, что подтверждает интеркаляцию фторсодержащих частиц при зарядке.Сходство частотной области 19 F сигнала в заряженном графите с изотропным химическим сдвигом электролита KFSI (измеренным методом ЯМР в растворе) указывает на то, что одна или несколько конформаций FSI , скорее всего, являются доминирующими. форма интеркалированных F-содержащих частиц. Повышенная широта спектра ЯМР твердого тела обусловлена ​​невозможностью вращения образца из-за проводящих свойств графита. Тем не менее, форма спектра статических твердотельных спектров 19 F напоминает статический аксиальный тензор, как и следовало ожидать, если предположить, что изотропные FSI частицы, т.е.g., вращением или кувырканием иона, окружены двумя плоскими и параллельными слоями графена. Эталонное измерение было проведено путем простого погружения графита в электролит KFSI без электрохимической интеркаляции и последующей промывки его ЭХ/ДМК. В этом случае сигнал не обнаружен.

Рис. 4

19 F ЯМР и рентгеноструктурный анализ графитовых чешуек. a 19 F Спектры ЯМР заряженных и разряженных чешуек графита (промытых в ЭХ/ДМК), незаряженных чешуек графита (эталон) и электролита 5 M KFSI/ЭХ/ДМК. b Рентгенограммы заряженного графита, собранные in situ и ex situ (т. е. после отделения и промывки чешуек графита). Для сравнения также показана картина для исходного графита

Электрохимические характеристики KFSI-графита DIB

/DMC для сравнения) оценивали с использованием ячеек типа монеты K|Al с использованием сепаратора Celgard 2400. Клетки циклировали при плотности тока 0.5 мА см -2 (рис. 5а). Процессы зарядки и разрядки были ограничены емкостью до значения 1 мАч см -2 . В низкоконцентрированном электролите с концентрацией 1 M выделение/удаление калия было необратимым с низкой кулоновской эффективностью. Напротив, стабильное циклирование было измерено в электролите 5 M KFSI/EC/DMC в течение не менее примерно 150 циклов со 100% кулоновской эффективностью. Эти результаты демонстрируют сильную способность электролита 5 M KFSI-EC/DME поддерживать обратимое осаждение/удаление металлического калия.На самом деле, эти результаты и аналогичные исследования гальванического покрытия Li 59 , Na 60 и K 61 из высококонцентрированных электролитов показывают, что такие электролиты создают гомогенизирующий поток катионов, который вызывает плоское и однородное осаждение металла 62 . Мы также протестировали другую стратегию подавления образования дендритов, вставив барьер из твердого электролита между металлом и жидким электролитом. Используя твердый электролит из β-глинозема калия для отделения катода, мы наблюдали стабильное гальванопокрытие (дополнительные рис.10 и 11). На основании дополнительного рисунка 10 твердотельный калиевый электролит не мешал работе батареи, поддерживая катодную емкость 80 мАч g −1 при 4,7 В по сравнению с K + /K. Такая твердотельная конструкция может представлять интерес для практических батарей KFSI-GDIB, например. с расплавленным и, следовательно, не содержащим растворителей электролитом KFSI.

Рис. 5

Электрохимические характеристики КФСИ-графита ДИБ. a Гальваностатические кривые плетения (разряда) и зачистки (заряда) элементов типа «таблетка», состоящих из металлического калия в качестве противоэлектрода и электрода сравнения и алюминия в качестве рабочего электрода в электролите 1 и 5 M KFSI/EC/DMC, измеренные на площади плотность тока 0.5 мА см −2 (с ограничением по площади 1 мАч см −2 ). b d Кривые напряжения гальваностатического заряда-разряда ( b ), измерения пропускной способности ( c ) и циклические характеристики KFSI-графита DIB ( d )

Эксперименты по гальваностатическому циклированию KFSI-графита DIB были выполнены с использованием изготовленных на заказ ячеек монетного типа из нержавеющей стали с покрытием TiN. Отметим, что обычные металлы, такие как алюминий или нержавеющая сталь, могут легко подвергаться коррозии при высоких напряжениях выше > 4.4 В по сравнению с K + /K (4,5 В по сравнению с Li + /Li). Таким образом, защитная пленка TiN использовалась для предотвращения окисления катодного токосъемника при циклировании, по аналогии с нашим более ранним отчетом об AlCl 3 — графитовой батарее 63 . Пленка TiN толщиной 500 нм была выращена методом магнетронного напыления на одну сторону монеты из нержавеющей стали в азотно-аргоновой атмосфере с использованием титановой мишени. Ячейка монетного типа состояла из тонкой пленки калия (используемой в качестве затравочного слоя), напрессованной на алюминиевую фольгу, сепаратора из стекловолокна, пропитанного электролитом 5M KFSI/EC/DMC, и графитового катода.Мы отмечаем, что самая высокая емкость, среднее напряжение разряда и начальная кулоновская эффективность наблюдались для электролита 5 M KFSI, что указывает на то, что это оптимальная концентрация среди различных молярностей KFSI в EC / DMC (дополнительный рисунок 12). Графитовый катод состоял из чешуек природного графита (загрузка: 10 мг см -2 ) без использования связующих или проводящих добавок.

На рис. 5б показаны кривые гальваностатического напряжения КФСИ-графита ДИБ, измеренные в интервале напряжения 3.2–5,25 В относительно K + /K при плотности тока 100 мА g −1 . Графитовые катоды показали очень плоские профили напряжения с начальной кулоновской эффективностью 85%. Среднее напряжение заряда и разряда составило 5,0 и 4,7 В против K + /K соответственно. На рисунке 5c показана скорость передачи KFSI-графита DIB при различных плотностях тока 50–500 мА г -1 , что дает катодную емкость 98–47 мАч г -1 , соответственно. Падение емкости КФСИ-графит ДИБ при высоких плотностях тока 200 и 500 мАч г −1 можно объяснить лимитирующим влиянием ионной проводимости электролита КФСИ/ЭК/ДМК при очень высоких молярных значениях (5 М, 65 мас.% KFSI) 64 .Важно отметить, что когда скорость тока вернулась к 50 мА g -1 с 500 мА g -1 , емкость почти полностью восстановилась. Соответствующая удельная мощность при 500 мА·ч г −1 достигла 1338 Вт кг −1 , что выгодно отличает их от аккумуляторов, используемых в коммерческих сетевых хранилищах, а именно свинцово-кислотных (75–300 Вт кг −1). ) и проточные ванадиевые окислительно-восстановительные батареи (60–100 Вт кг −1 ). Испытания графита на циклическую стабильность при плотности тока 100 мА g −1 показали сохранение емкости свыше 80 мА g −1 в течение не менее 300 циклов с кулоновским КПД 93–99 %.С точки зрения энергоэффективности полученная энергетическая эффективность 89% (полученная из соотношения интегральных площадей зарядных и разрядных кривых для 100-го цикла (рис. 5b), например) сравнима с эффективностью коммерческих литий-ионных аккумуляторов. . Отметим, что снижение кулоновской эффективности связано с окислением/коррозией краев изготовленной на заказ ячейки монетного типа из нержавеющей стали с покрытием TiN (см. Дополнительный рисунок 13). Слой TiN действует как токосъемник, как показано в наших предыдущих работах для ряда химических элементов аккумуляторов 63 .Напротив, нержавеющая сталь не подходит для такого типа батарей из-за ее коррозии при таких высоких напряжениях. Непрерывное покрытие ячейки монетного типа из нержавеющей стали проводящей пленкой TiN в конечном итоге было ограничено используемым в данной работе методом магнетронного напыления, который позволяет выращивать защитную пленку TiN только на относительно плоских поверхностях. Эти результаты предполагают, что будущая работа должна быть сосредоточена на дальнейшем улучшении конструкции элементов графитовой батареи KFSI, а также других DIB (у которых есть аналогичные проблемы), с целью минимизировать окисление / коррозию используемых токосъемников.Этот сценарий коррозии хорошо согласуется с наблюдением высокой кулоновской эффективности вначале и ее снижением с течением времени, вероятно, из-за образования точечных отверстий и других усиленных проявлений коррозии.

Аккумуляторы органического происхождения получают импульс от древесного электрода и электролита на водной основе

Исследователь держит гелевый электролит над лигниновым электродом большой площади, покрытым металлическим коллектором. Фото: Тор Балхед.

Безопасная, дешевая и устойчивая технология хранения энергии была разработана в Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга, Швеция.Он основан на двух основных прорывах: производстве электродов на основе древесины в рулонах и нового типа электролита на водной основе. Об этом сообщается в статье Advanced Energy & Sustainability Research . технология уже запатентована и должна быть коммерциализирована дочерней компанией Ligna Energy из Норчёпинга.

Увеличение доли возобновляемой энергии в энергетическом балансе и рост потребления электроэнергии в обществе создают серьезные проблемы для балансировки сетей электроснабжения.В принципе, электроэнергия потребляется в момент ее производства, и в настоящее время возможности хранения больших объемов электроэнергии ограничены. Проблема особенно остро стоит в холодные периоды, когда спрос на электроэнергию наиболее высок. Дисбаланс в сети может привести к серьезным перебоям в подаче электроэнергии.

Ксавье Криспин и его коллеги из Лаборатории органической электроники разработали концепцию крупномасштабного безопасного, дешевого и устойчивого хранения энергии на основе органических батарей.Потенциальная выходная мощность этих аккумуляторов достаточно высока для поддержания баланса мощности в электроснабжении.

«Наши результаты позволяют создать безопасный, экологически устойчивый органический накопитель энергии с высокой плотностью мощности, 5 кВт/кг, где электроды изготавливаются из древесного материала на печатном станке», — говорит Криспин. «Мы должны, однако, увеличить плотность энергии: наши органические батареи лучше, чем обычные суперконденсаторы, и имеют примерно такую ​​же производительность, как свинцово-кислотные батареи.Но литий-ионные аккумуляторы лучше».

Предыдущие попытки разработать устойчивую систему хранения энергии на основе дешевых органических и водных электролитов с углеродными электродами имели проблемы с быстрым саморазрядом: было трудно хранить энергию более одного дня.

Отличные результаты, о которых сообщается в статье, основаны на двух прорывах: новом типе электролита на водной основе и электродах, изготовленных из лигнина, который является легко доступным и дешевым побочным продуктом производства бумаги.Таким образом, органическая батарея содержит полиэлектролит, состоящий из высококонцентрированного полимера на водной основе, полиакрилата калия вместе с биополимерным лигнином (в качестве положительного электрода) и полиимидом, смешанным с проводящим углеродом (в качестве отрицательного электрода).

«Падение напряжения, измеряющее саморазряд, составляет менее 0,5 В за 100 часов, что является мировым рекордом для накопителей энергии с органическими электродами в электролитах на водной основе», — говорит Криспин.

В новой технологии также используется дешевое сырье: ни лигнин, ни углерод, ни полиэлектролит не стоят дороже 1 доллара США/кг.Это легкодоступные и негорючие материалы, и эту технологию можно масштабировать до больших батарей. Это устойчивое решение для крупномасштабного и безопасного хранения энергии.

Эта статья адаптирована из материалов Университета Линчепинга с редакционными изменениями, внесенными Materials Today. Взгляды, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Elsevier. Ссылка на первоисточник.

Водно-полимерный солевой электролит для медленного саморазряда в органических батареях — ScienceDaily

Безопасная, дешевая и устойчивая технология хранения энергии была разработана в Лаборатории органической электроники Линчепингского университета.Он основан на двух основных прорывах: производстве электродов на основе древесины в рулонах и нового типа электролита на водной основе. Результат был опубликован в научном журнале Advanced Energy and Sustainability Research. Технология была запатентована и должна быть коммерциализирована дочерней компанией Ligna Energy AB из Норчепинга, которая получила награду за лучший «Стартап для климата» на недавней встрече COP26 в Глазго.

Увеличение доли возобновляемой энергии в энергетическом балансе и рост потребления электроэнергии в обществе создают серьезные проблемы для балансировки сетей электроснабжения.В принципе, электроэнергия потребляется в момент ее производства, и в настоящее время возможности хранения больших объемов электроэнергии ограничены. Проблема особенно остро стоит в холодные периоды, когда спрос на электроэнергию наиболее высок. Дисбаланс в сети может привести к серьезным перебоям в подаче электроэнергии.

Профессор Ксавье Криспин и его коллеги из Лаборатории органической электроники Университета Линчепинга разработали концепцию крупномасштабного хранения энергии, которая является безопасной, дешевой и устойчивой.Потенциальная выходная мощность достаточно высока, чтобы технология поддерживала баланс мощности в электроснабжении.

«Наши результаты позволяют создать безопасный, экологически устойчивый органический накопитель энергии с высокой плотностью мощности, 5 кВт/кг, где электроды изготавливаются из древесного материала в печатном станке. Однако мы должны увеличить плотность энергии: наш органический батареи лучше, чем обычные суперконденсаторы, и имеют примерно такие же характеристики, как свинцово-кислотные батареи.Но литий-ионные аккумуляторы лучше», — говорит Ксавье Криспин.

Предыдущие попытки разработать устойчивую систему хранения энергии на основе дешевых электролитов на органической и водной основе с углеродными электродами имели проблемы с быстрым саморазрядом: было трудно достичь более одного дня.

Прекрасные результаты, представленные в статье, основаны на двух прорывах: новом типе электролита на водной основе и электродах, изготовленных из лигнина, который является легко доступным и дешевым побочным продуктом производства бумаги.Исследователи разработали полиэлектролит, который состоит из высококонцентрированного полимера на водной основе, полиакрилата калия, биополимера лигнина (в качестве положительного электрода) и полиимида, смешанного с проводящим углеродом (в качестве отрицательного электрода).

«Падение напряжения, измеряющее саморазряд, составляет менее 0,5 В за 100 часов, что является мировым рекордом для накопителей энергии с органическими электродами в электролитах на водной основе», — говорит Ксавье Криспин.

А в новой технологии используется дешевое сырье: ни лигнин, ни углерод, ни полиэлектролит не стоят дороже 1 долл./кг.Это легкодоступные и негорючие материалы, и эту технологию можно масштабировать до больших батарей. Это устойчивое решение для крупномасштабного и безопасного хранения энергии.

Основными источниками финансирования исследования были Фонд Кнута и Алисы Валленберг, а также Область стратегических исследований шведского правительства в области материаловедения функциональных материалов в Университете Линчепинга.

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Линчёпинга .Оригинал написан Моникой Вестман Свенселиус. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Оптимизация производительности и качества электролита батареи с помощью настольного ЯМР — магнитно-резонансный анализ

В этом интервью мы поговорим с доктором Джеймсом Сагаром, нашим менеджером по стратегическим продуктам и приложениям, о том, как можно использовать настольный ЯМР для оптимизации производительности и качества электролита батареи.

Не могли бы вы рассказать нам об услугах, которые Oxford Instruments предоставляет производителям аккумуляторов?

Компания Oxford Instruments уделяет большое внимание аккумуляторным батареям.Аккумуляторы, которые мы поставляем для аккумуляторной промышленности, включают целый ряд аналитических решений, от контроля качества до производства компонентов и от обработки сырья до первоначальных исследований. Oxford Instruments — ведущий поставщик решений для анализа на основе электронной микроскопии. Наши решения используются нашими клиентами для целого ряда приложений, включая высокотехнологичные исследования в области разработки новых материалов для твердотельных аккумуляторов и оценки качества исходных порошков для аккумуляторов и материалов для аккумуляторных электродов.

Мы используем наноразмерные характеристики поверхности в наших атомно-силовых микроскопах, чтобы наши клиенты могли понять, как характеристики материалов батареи могут влиять на электрохимические процессы. Тем не менее, в центре внимания этого интервью находятся наши спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Они используются при разработке продуктов для токопроводящих жидких электролитов и для контроля качества.

В чем разница между широкополосной настольной системой ЯМР и традиционной установкой ЯМР?

При мысли о ЯМР часто вспоминается большой цилиндр в специализированном помещении, требующий опытно обученных операторов и использование жидких криогенов.Мы сократили эту технологию до инструмента, который можно разместить на столе в типичной лаборатории с настольным ЯМР, хотя он имеет уменьшенную напряженность магнитного поля. Теперь мы можем эффективно проводить большинство тех же экспериментов, для которых когда-то требовалась традиционная система сильнопольного ЯМР, благодаря этим недорогим и компактным системам.

При разработке батарей следующего поколения широкополосный настольный ЯМР является невероятно мощным методом. Всего один прибор необходим для анализа широкого спектра интересующих элементов в аккумуляторных электролитах благодаря широкополосности.

Это новая технология, которую можно использовать для прогнозирования характеристик электролита в конечных аккумуляторных системах и для разработки новых составов.

Какие характеристики прибора и другие факторы влияют на выбор настольной системы ЯМР?

Одна из наших настольных ЯМР-систем должна работать без жидких криогенов в любой стандартной лаборатории при комнатной температуре. Высококвалифицированный, опытный или преданный своему делу оператор не требуется.Это позволяет пользователям вмешиваться и получать данные по мере необходимости. Наконец, размеры машины должны позволять размещать ее в инертном перчаточном ящике, чтобы можно было охарактеризовать чувствительные к воздуху материалы батареи, перевозить ее на тележке или устанавливать на верстаке.

Все представляющие интерес пики в ваших спектрах должны различаться по спектральному разрешению прибора. Для обнаружения ключевых видов в ваших материалах необходима достаточная чувствительность. Для многократного проведения точных измерений также необходима стабильность.Настоящая «широкополосная» система необходима, чтобы иметь возможность анализировать все соответствующие химические ядра в рецептуре для определения характеристик электролита. Это выгодно для обеспечения наилучшего понимания материалов.

В некоторых продвинутых экспериментах важно иметь возможность использовать градиенты импульсного поля. Использование этих градиентов позволяет количественно определить перенос (как переносящие ток ионы мигрируют в зависимости от их заряда), ионную проводимость и коэффициенты диффузии.Наконец, также может быть важно иметь возможность использовать переменный контроль температуры для исследования электролитов в обычных рабочих диапазонах батарей.

Как настольный ЯМР-спектрометр X-Pulse помогает удовлетворить эти потребности?

Наш новейший настольный ЯМР-спектрометр X-Pulse. Он может разрешать сложные спектры протонов при напряженности поля 60 МГц благодаря спектральному разрешению выше 0,35 Гц на половине высоты пика.

X-Pulse уникален тем, что это единственный настольный ЯМР-прибор со встроенной возможностью широкополосного многоядерного анализа.Эта возможность позволяет пользователям собирать спектры широкого спектра ядер, присутствующих в электролитах, включая углерод, водород, натрий, бор, фосфор, фтор и литий. Температуру образца можно поддерживать в типичных рабочих условиях для большинства батарей, которая составляет от 20°C до 60°C.

Спектры ЯМР 1H, 19F, 31P и 7Li, собранные на одном приборе, показывают все компоненты типичного состава электролита батареи.

Стандартные градиенты импульсного поля позволяют понять ключевые физические свойства путем измерения самодиффузии катионов и анионов.X-Pulse потенциально может быть встроен в перчаточный ящик, транспортирован на тележке или установлен в любой лаборатории из-за его физических размеров. Требуемая точная воспроизводимость данных, особенно при контроле качества, обеспечивается благодаря высокой стабильности, обеспечиваемой магнитом.

Как настольный ЯМР используется для анализа электролитов аккумуляторов?

Компоненты ионно-литиевых батарей

Большинство аккумуляторов содержат катод и анод с электролитами и встроенным пористым сепаратором между ними.Электролит внутри батареи будет содержать литиевую соль; наиболее распространенными солями лития являются TFSI лития ((бис(трифторметансульфонил)имид)), тетрафторборат лития и гексафторфосфат лития.

Соль растворяется в органическом растворителе – например, в диметилкарбонате и этиленкарбонате. Иногда они могут включать добавки, используемые для улучшения характеристик этого электролита.

Целью этих добавок является улучшение формирования поверхностного слоя твердого электролита на электродах или повышение стабильности для предотвращения разложения.Создаваемый при этом пассивирующий слой может привести к потере емкости батареи, но защищает электроды, сохраняя при этом возможность передачи тока.

При рассмотрении того, как выглядит хорошая батарея, мы часто разбиваем ее на пять ключевых аспектов:

  • Количество циклов зарядки, в течение которых батарея будет удерживать заряд, также известное как срок службы плотность)

Мы можем измерить концентрацию солей в электролитах, чтобы лучше понять плотность энергии и разработать рецептуры с более высокой удельной мощностью.Мы можем количественно определить числа переноса этих электролитов и ионную проводимость, определив коэффициенты диффузии различных частиц в электролитах. На плотность энергии и мощность элемента, а также на срок службы батареи влияют вышеуказанные параметры, а также поведение, зависящее от температуры и времени. Проверка чистоты сырья позволяет нам сравнивать электролиты, что позволяет нам быстро получать отзывы о влиянии новых составов на разработку более стабильных электролитов и новых добавок.Чтобы конкретно определить срок службы, мы можем отслеживать реакции распада электролитов, чтобы лучше понять их процессы.

Следовые количества воды можно использовать, например, для ускорения образования нежелательных продуктов разложения на основе фтористоводородной кислоты (HF). Используя эти знания о процессах, мы можем использовать новую информацию для разработки присадок, специально предназначенных для предотвращения разрушения. Быстрый ЯМР-анализ новых составов электролитов может снизить накладные расходы и ускорить разработку, сделав батареи более рентабельными.Кроме того, количество бракованных аккумуляторов значительно снижается, а срок службы аккумуляторов увеличивается благодаря быстрому тестированию, позволяющему количественно оценить качество конечного продукта с электролитом.

Можете ли вы привести практический пример использования настольного ЯМР в контроле качества?

Спектры ЯМР 19F двух разных партий одного и того же состава электролита с разными электрохимическими свойствами. Зеленый спектр ясно показывает, что один образец разложился.

Клиент хотел узнать, может ли настольный ЯМР точно определить состав их растворителей, чтобы помочь улучшить их процессы контроля качества. Он особенно хотел знать, можно ли отличить материалы хорошего качества от материалов низкого качества. Если можно, то следующий вопрос: что является причиной выхода из строя некачественного материала? Образцы заказчика в этом примере можно описать как комбинацию этилметилкарбоната и этиленкарбоната, а также гексафторфосфата лития.Нам предоставили два образца, предположительно имеющих одинаковую химию.

Однако эти два бесцветных жидких электролита показали разные характеристики при помещении в ячейку. Сначала мы взяли быстрый спектр водорода и подошли к этому случаю с большинством ЯМР-спектроскопистов. Мы идентифицировали небольшой пик, который мы связали с виниленкарбонатом (типичным стабилизирующим агентом), а также с этилметилкарбонатом и этиленкарбонатом.

После того, как мы поняли, какие пики связаны с какими растворителями, мы смогли точно измерить вклад обоих растворителей в процентах по массе.Растворители оказались химически идентичными, как только они обнаружили, что между этими спектрами нет разницы. Это указывало на то, что, вероятно, была другая причина проблем с производительностью.

После этого мы попытались понять анион электролита, происходящий из литиевой соли гексафторфосфата. Для этого мы сняли спектр ЯМР фтора. Сразу было видно, что есть разница в спектре. Связь фтора с фосфором в гексафторфосфате вызывала появление дублета в связанном спектре.

На другой частоте мы тоже видели другой дублет. Это было вызвано продуктом разложения, что позволило предположить, что разница в характеристиках была вызвана распадом соли. В результате наших наблюдений мы установили, что расщепление литиевой соли по общему пути реакции гидролиза, скорее всего, является причиной разницы в спектакль.

Наш анализ позволил заказчику решить эти проблемы с производительностью электролита, что демонстрирует, насколько полезным может быть настольный ЯМР в приложениях контроля качества.

Насколько распространенной проблемой является разложение при работе с электролитами в батареях и как можно решить эту проблему с помощью настольного ЯМР?

Существует множество различных путей разложения обычных электролитов, таких как углекислые растворители, тетраборатные соли и гексафторфосфат лития. настольного ЯМР. Полезно взглянуть на пример пути гидролиза, чтобы лучше понять это.Добавление одной капли воды к типичному коммерческому электролиту гексафторфосфата в диметилкарбонате приводит к реакции гидролиза, которая включает расщепление гексафторфосфата на комбинацию пентафторфосфата и фторида лития, при этом первый расщепляется далее с образованием как фторфосфорной кислоты, так и плавиковой кислоты. . Фосфорная кислота также будет образовываться, если присутствует достаточное количество воды. Мы отслеживаем ход реакции, снимая спектры каждые 30 минут. Реакция довольно резкая и протекает быстро даже при относительно небольшом количестве воды.

Мы можем наблюдать за количеством образующихся продуктов разложения и скоростью реакции на разных стадиях разложения, записывая и сравнивая эту серию спектров. В конечном итоге это позволяет лучше управлять и устранять эти риски.

Как можно использовать ЯМР с градиентом импульсного поля для разработки новых жидких электролитов?

Графики Стейскала-Таннера для 3 различных составов электролитов литий-ионных аккумуляторов, позволяющие измерять коэффициенты самодиффузии, проводимость и перенос основных компонентов.

Возможно, измеряются только вязкость и ионная проводимость, а также использование этих новых составов электролитов. Рекомендуется измерять количество заряда, переносимого отдельными видами ионов (также известное как число переноса), а также коэффициент диффузии различных видов ионов. Это обеспечивает более точное прогнозирование характеристик электролита при его помещении в ячейку. Мы можем использовать последовательности ЯМР спинового эха с градиентом импульсного поля для записи всех этих параметров, которые отслеживают изменение амплитуды сигнала, пропорциональное коэффициенту самодиффузии молекулы.

Мы возбуждаем образец типичным 90-градусным импульсом, а затем применяем градиентный импульс к этому образцу, чтобы вызвать изменение фазы в образце, чтобы исследовать это. Если бы диффузии не было, применение второго 180-градусного импульса и дополнительного градиентного импульса позволило бы нам увидеть тот же сигнал, что и раньше.

Следует отметить, что мы бы увидели уменьшение интенсивности сигнала в зависимости от коэффициентов молекулярной диффузии и силы этого импульса градиента, а также если бы молекулы в нашем растворе диффундировали в течение времени между этими двумя импульсами градиента.Мы интегрировали пики в наших спектрах после получения серии спектров с разной силой градиента, после чего мы должны увидеть уменьшение сигнала.

Эти данные соответствовали уравнению Стейскала-Таннера, поэтому мы могли рассчитать коэффициент диффузии для конкретных видов в растворе. Мы могли бы измерить коэффициенты диффузии для молекул растворителя, используя водород с помощью широкополосного ЯМР, а также провести измерения для каждого ионного соединения, используя фосфор, бор, фтор или литий.

Затем мы можем рассчитать ионную проводимость переноса катионов и электролита, когда у нас есть эти коэффициенты диффузии. Это очень полезные параметры при разработке новых электролитов. Мы также можем понять, как процесс пробоя влияет на диффузию, используя измерения электролитов на разных стадиях разложения. Это также позволяет нам лучше понять физические свойства электролита.

Наконец, не могли бы вы вкратце изложить причины, по которым настольные ЯМР-приборы, такие как X-Pulse, идеально подходят для работы с аккумуляторными материалами?

Настольный ЯМР

идеально подходит для относительно простых спектров, которые мы получаем от материалов батареи, и наоборот.Мы можем за считанные минуты количественно определить концентрацию основных материалов, а также измерить сырье и его качество. Это означает, что мы получаем почти мгновенную обратную связь о новых составах в исследованиях и разработках, гарантируя, что мы понимаем ключевые факторы, влияющие на производительность, и делаем то, что ожидали. Мы можем раскрыть физические свойства электролитов с помощью экспериментов по диффузии. При контроле качества мы можем определить, происходит ли какое-либо разложение или присутствуют какие-либо загрязнения, путем очень быстрых измерений.В конечном счете, благодаря этим экспериментам и исследованиям улучшаются качество, производительность и стоимость конечного продукта.

За дополнительной информацией
О докторе Джеймсе Сагаре

Джеймс Сагар является менеджером по стратегическим продуктам и приложениям в области настольного ЯМР в Oxford Instruments с января 2019 года. обнаружение рентгеновских лучей Li.До этого Джеймс проводил постдокторские исследования в Университетском колледже Лондона.


Мощность батареи онлайн | Взгляд внутрь вашей батареи: наблюдение за ростом дендритов

Комментарии Линси Конга и Майкла Пехта

24 августа 2020 г. | Литий-ионные аккумуляторы на сегодняшний день являются наиболее популярным типом портативных аккумуляторов и используются во многих электронных устройствах. Их распространение можно объяснить более высокой плотностью энергии, удельной мощностью и отсутствием эффекта памяти.Другие типы аккумуляторов не могут предложить эти преимущества. Таким образом, применение литий-ионных аккумуляторов расширяется с 1990-х годов, когда они впервые появились на рынке. Литий-ионный аккумулятор обычно содержит анод из графита и катод из оксида переходного металла лития. В нормальных рабочих условиях ионы лития переносятся между двумя электродами для накопления и высвобождения энергии, что дало название литий-ионной батарее этому типу перезаряжаемой батареи. Однако сообщалось о многочисленных инцидентах, связанных с безопасностью литий-ионных аккумуляторов, что вызвало обеспокоенность общественности.

Среди зарегистрированных инцидентов внутренние короткие замыкания, вызванные образованием литиевых дендритов, были одной из причин отказа батареи. Литий-ионный аккумулятор, работающий в ненормальных условиях, таких как перезарядка или зарядка при более низкой температуре, может привести к вредному явлению, называемому ростом литиевых дендритов или литиевым покрытием. Литиевые дендриты представляют собой металлические микроструктуры, образующиеся на отрицательном электроде в процессе зарядки. Литиевые дендриты образуются, когда дополнительные ионы лития накапливаются на поверхности анода и не могут вовремя абсорбироваться анодом.Они могут вызвать короткое замыкание и привести к катастрофическим отказам и даже пожарам. Несколько аккумуляторов Samsung Galaxy Note 7 загорелись в 2016 году, и расследование выявило механизм, по которому литиевые дендриты вызвали внутреннее короткое замыкание. Исчезновение емкости — еще одна потенциальная опасность роста литиевых дендритов. Дендриты лития вступают в реакцию с электролитом, вызывая его разложение и вызывая потерю активного лития внутри батареи. Потеря емкости является аккумулирующим эффектом наряду с постепенным ростом дендритов лития.

Понимание механизма роста литиевых дендритов полезно для повышения безопасности аккумуляторов. Однако рост литиевых дендритов трудно наблюдать, потому что типичная литий-ионная батарея непрозрачна. В Центре разработки жизненного цикла (CALCE) Университета Мэриленда мы создали прозрачную оптическую ячейку для наблюдения за процессом роста литиевых дендритов и решения проблем безопасности. Симметричный литиевый элемент, в котором как положительный, так и отрицательный электроды были изготовлены из металлического лития, заряжали постоянным током для определения скорости роста дендритов.

На рост дендритов лития влияет множество параметров, включая плотность тока, температуру, электролит и конвекцию электролита. Эти факторы определяют динамику электролита. На текущем этапе постоянный ток подавался до тех пор, пока литиевый дендрит не вызывал внутреннее короткое замыкание. Взаимосвязь между приложенной плотностью тока и скоростью роста дендритов была в центре внимания на этом этапе исследования. Метод наблюдения на месте использовался для обнаружения образования дендритов при различных плотностях тока.

Морфологию дендритов при различных плотностях тока можно увидеть на рис. 1. Плотности тока менялись от 10 до 110 мА/см 2 . Время, указанное на каждом изображении, указывает, когда после начала испытания произошло внутреннее короткое замыкание. В этих тестах литиевый дендрит рос от отрицательного электрода (справа) к положительному электроду (слева). При увеличении плотности тока время до короткого замыкания уменьшается, а это означает, что скорость роста дендритов лития увеличивалась при увеличении плотности тока.Кроме того, изменилась морфология литиевого дендрита. При более высоких плотностях тока выступающая часть (указана красными стрелками) образовывалась на краю отрицательного электрода.

Рис. 1. Рост дендритов при различных плотностях тока.

На рис. 2 показан типичный профиль тока и напряжения во время теста на рост литиевых дендритов. Этот профиль показывает ток и напряжение из теста при 110 мА/см 2 , что соответствует пятому образцу на рис. 1. В этом примере ток контролировался и показывал постоянное значение.Напряжение оставалось почти стабильным около 0,7 В до внезапного падения примерно через 0,5 часа, что указывает на то, что литиевый дендрит вызвал внутреннее короткое замыкание. Средняя скорость роста дендритов увеличивается вместе с увеличением плотности тока, что может влиять на морфологию дендритов. При повышении плотности тока выше 87 мА/см 2 морфология дендритов в процессе роста менялась с плоской моховой на остроигольчатую. Наблюдение за ростом дендритов лития и факторами, влияющими на рост, помогает смягчить проблемы, связанные со сбоями и инцидентами в потребительских технологиях.Скорость роста дендритов, зафиксированная при различных плотностях тока, может использоваться для оценки длины дендритов и обеспечения раннего предупреждения о коротких замыканиях.

Рис. 2 Типичный профиль тока и напряжения во время теста на рост литиевых дендритов (110 мА/см2).

Линси Конг и Майкл Пехт — исследователи Центра перспективной инженерии жизненного цикла (CALCE) Исследовательской группы аккумуляторов Университета Мэриленда. С группой можно связаться через Майкла Пехта, директора CALCE, по адресу [email protected]образование

Компания

Ion Storage Systems заявляет, что ее керамический электролит может изменить правила игры для твердотельных батарей

Подобные несоответствия в спросе и предложении способствовали массовым каскадным отключениям электроэнергии в В августе 2003 г. на северо-востоке США и в Канаде, в июле 2012 г. в Индии и в марте 2019 г. в Венесуэле.

Ситуация вряд ли улучшится в ближайшее время по трем причинам. Во-первых, по мере того как страны повсеместно переходят к обезуглероживанию, электрификация транспорта, отопления и других секторов вызовет резкий рост спроса на электроэнергию.Во-вторых, традиционные угольные и атомные электростанции выводятся из эксплуатации по экономическим и политическим причинам, удаляя стабильные источники из энергосистемы. И в-третьих, в то время как ветряные и солнечные фотоэлектрические системы полезны для климата и являются самыми быстрорастущими источниками выработки электроэнергии, изменчивость их мощности порождает новые проблемы для балансировки сети.

Так как же сетевые операторы могут поддерживать баланс спроса и предложения, даже если они закрывают старые, грязные электростанции, наращивают переменную генерацию и добавляют новые электрические нагрузки? Есть несколько возможностей.Один из них — сделать модернизированную версию того, что мы делали в прошлом: построить гигантскую централизованную инфраструктуру. Это означало бы установку огромного количества накопителей энергии, таких как батареи масштаба сети и гидронасосные установки для хранения избыточной вырабатываемой возобновляемой энергии и соединения этого хранилища с высоковольтными линиями электропередачи, чтобы предложение могло удовлетворить спрос в сети. Китай является лидером в этом подходе, но это невероятно дорого и требует огромной политической воли.

Мы думаем, что есть лучший способ. Вместо радикального расширения инфраструктуры электросетей наша работа в Университете Вермонта была сосредоточена на том, как координировать спрос в режиме реального времени, чтобы соответствовать все более изменчивому предложению. Наша технология берет две идеи, которые делают Интернет фундаментально масштабируемым — пакетирование и рандомизация — и использует их для создания системы, которая может координировать распределенную энергию. Эти две концепции передачи данных позволяют миллионам пользователей и миллиардам устройств подключаться к Интернету без какого-либо централизованного планирования или контроля.Те же основные идеи могут работать и в электрической сети. Используя связь с низкой пропускной способностью и небольшие контроллеры, работающие с простыми алгоритмами, можно использовать миллионы электрических устройств для балансировки потока электроэнергии в локальной сети. Вот как.

Спрос на электроэнергию в сети возникает из-за миллиардов электрических нагрузок. Их можно разделить на две большие категории: коммерческие и промышленные нагрузки и бытовые нагрузки. Из этих двух, жилые нагрузки гораздо более рассредоточены.Только в Соединенных Штатах насчитывается более 120 миллионов домохозяйств, на долю которых в совокупности приходится около 40 процентов годового потребления электроэнергии. Но бытовые потребители, как правило, не думают об оптимизации своих собственных электрических нагрузок в течение дня. Для простоты назовем эти бытовые нагрузки «устройствами», которые могут варьироваться от ламп и телевизоров до водонагревателей и кондиционеров.

Последние устройства, наряду с зарядными устройствами для электромобилей и насосами для бассейнов, являются не только большими электрическими нагрузками (то есть мощностью более 1 киловатта), но и гибкими.В отличие от освещения или телевизора, которые вы хотите включить, как только щелкнете выключателем, гибкое устройство может отсрочить потребление и включиться в любое время — пока есть горячая вода для вашего душа, ваш бассейн чист, ваш электромобиль достаточно заряжен, и температура в помещении комфортная.

В совокупности существует большая гибкость в бытовых электрических нагрузках, которые можно использовать для балансировки переменных поставок. Например, если бы в каждом домашнем хозяйстве в Калифорнии и Нью-Йорке было только одно устройство, которое могло бы гибко потреблять энергию в любое время, энергосистема имела бы эквивалент около 15 гигаватт дополнительной мощности, что более чем в 10 раз превышает объем, доступный в настоящее время. от аккумуляторной батареи общего назначения в этих состояниях.

Вот что означает гибкость, когда речь идет об эксплуатации, скажем, бытового электрического водонагревателя. При нагреве воды типичный агрегат потребляет около 4,5 кВт. В течение обычного дня прибор работает примерно в десятую часть времени, потребляя около 10,8 киловатт-часов. Для домовладельца ежедневные затраты на эксплуатацию водонагревателя составляют менее 2 долларов США (при ставке около 15 центов за кВтч). Но для коммунальных предприятий стоимость электроэнергии сильно варьируется: от номинальных 4 центов за кВтч до более 100 долларов за кВтч в пиковые годовые периоды.Иногда стоимость даже отрицательная: когда от ветряных или солнечных электростанций вырабатывается слишком много энергии, сетевые операторы фактически платят коммунальным службам за потребление излишков.

Спрос и предложение электроэнергии иногда могут сильно расходиться. Пакетизация и рандомизация гибких электрических нагрузок позволяют спросу соответствовать доступному предложению.

Университет Вермонта

Чтобы снизить спрос в пиковые периоды, коммунальные службы уже давно предлагают программы реагирования на спрос, которые позволяют им отключать водонагреватели, кондиционеры и другие нагрузки клиентов по фиксированному графику — скажем, в 4 часа дня.м. до 9 вечера летом, когда использование исторически высоко. Если все, что мы хотим сделать, это уменьшить нагрузку в такие моменты, этот подход работает достаточно хорошо.

Однако, если наша цель состоит в том, чтобы сбалансировать энергосистему в режиме реального времени, поскольку возобновляемая генерация непредсказуемо меняется с ветром и солнцем, то работы устройств в соответствии с фиксированным графиком, основанным на прошлом поведении, будет недостаточно. Нам нужен более гибкий подход, который выходит за рамки простого снижения пикового спроса и обеспечивает дополнительные преимущества, повышающие надежность энергосистемы, такие как чувствительность к ценам, сглаживание возобновляемых источников энергии и регулирование частоты.

Каким образом операторы сети могут координировать множество распределенных, гибких устройств мощностью в киловатт, каждое со своими специфическими потребностями и требованиями, для предоставления совокупного ресурса сети в масштабе гигаватт, который реагирует на сильно меняющееся предложение? Размышляя над этим вопросом, мы нашли вдохновение в другой области: цифровых системах связи.

Цифровые системы представляют ваш голос, электронное письмо или видеоклип в виде последовательности битов. Когда эти данные передаются по каналу, они разбиваются на пакеты.Затем каждый пакет независимо маршрутизируется по сети к назначенному месту назначения. Как только все пакеты получены, данные восстанавливаются в исходную форму.

Чем это похоже на нашу проблему? Интернетом ежедневно пользуются миллионы людей и миллиарды устройств. У пользователей есть свои индивидуальные устройства, потребности и модели использования, которые мы можем рассматривать как спрос, в то время как сама сеть имеет динамику, связанную с ее пропускной способностью, другими словами, с ее предложением. Тем не менее, спрос и предложение в Интернете сопоставляются в режиме реального времени без какого-либо централизованного планировщика.Точно так же миллиарды электрических устройств, каждое со своей собственной динамикой, подключаются к энергосистеме, чье питание, как мы уже отмечали, становится все более изменчивым.

Признавая это сходство, мы разработали технологию пакетного управления энергопотреблением (PEM) для координации энергопотребления гибких устройств. Соавтор Хайнс давно интересовался надежностью энергосистемы и изучал, как сбои в линиях электропередачи могут привести к каскадным отключениям и системным отключениям электроэнергии.Тем временем Фролик, имеющий опыт работы в системах связи, работал над алгоритмами для динамической координации передачи данных от беспроводных датчиков таким образом, чтобы потреблять очень мало энергии. Благодаря случайному обсуждению мы поняли, что наши интересы пересекаются, и начали работать над тем, чтобы увидеть, как эти алгоритмы могут быть применены к проблеме зарядки электромобилей.

Вскоре после этого Алмассалхи присоединился к нашему отделу и понял, что то, над чем мы работаем, имеет больший потенциал.В 2015 году он написал выигрышное предложение для программы ARPA-E NODES — это программа Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США — Energy’s Network Optimized Distributed Energy Systems. Финансирование позволило нам продолжить разработку подхода PEM.

Вернемся к электрическому водонагревателю. При обычной работе водонагреватель управляется своим термостатом. Устройство включается, когда температура воды достигает нижнего предела, и работает непрерывно (при 4,5 кВт) в течение 20–30 минут, пока температура воды не достигнет верхнего предела.Пара черно-белых графиков в нижней части «Соответствие спроса на электроэнергию поставке» показывает режимы включения и выключения 10 обогревателей: черный — выключен, белый — включен.

В PEM каждая нагрузка работает независимо и в соответствии с простыми правилами. Вместо нагрева только тогда, когда температура воды достигает нижнего предела, водонагреватель будет периодически запрашивать потребление «пакета» энергии, где пакет определяется как потребление энергии в течение короткого периода времени, скажем, 5 минут. Координатор (в нашем случае — облачная платформа) одобряет или отклоняет такие пакетные запросы на основе целевого сигнала, отражающего условия сети, такие как доступность возобновляемой энергии, цена на электроэнергию и так далее.Верхний график в разделе «Соотношение спроса на электроэнергию с предложением» показывает, насколько близко потребление PEM соответствует целевому сигналу, основанному на поставках возобновляемой энергии.

Чтобы гарантировать, что устройства с большей потребностью в энергии с большей вероятностью одобрят свои запросы, каждое устройство регулирует скорость своих запросов в зависимости от своих потребностей. Когда вода менее горячая, водонагреватель просится чаще. Когда вода горячее, он просит реже. Таким образом, система динамически приоритизирует устройства полностью децентрализованным образом, поскольку вероятность выполнения пакетных запросов пропорциональна потребности устройств в энергии.Затем координатор PEM может сосредоточиться на управлении входящими пакетными запросами, чтобы активно формировать общую нагрузку от множества пакетированных устройств без необходимости централизованно оптимизировать поведение каждого устройства. С точки зрения заказчика в водонагревателе ничего не изменилось, так как эти запросы происходят полностью в фоновом режиме.

Эти же концепции могут быть применены к широкому спектру энергоемких устройств. Например, зарядное устройство электромобиля или бытовая аккумуляторная система могут сравнить текущее состояние заряда батареи с ее желаемым значением, эквивалентным ее потребности в энергии, преобразовать это в вероятность запроса, а затем отправить запрос координатору PEM, который либо принимает или отклоняет запрос на основе сетки в реальном времени или рыночных условий.В зависимости от этих условий для полной зарядки аккумулятора может потребоваться несколько больше времени, но пользователь не должен испытывать неудобств.

Таким образом, гибкие энергетические устройства обмениваются данными, используя общий простой язык запросов энергетических пакетов. В результате координатор не зависит от типа устройства, отправляющего запрос. Эта аппаратно-независимая координация аналогична сетевому нейтралитету в передаче данных. В общем, Интернету все равно, несет ли ваш пакет голосовые, видео или текстовые данные.Точно так же PEM не волнует, является ли устройство, запрашивающее пакет, водонагревателем, насосом для бассейна или зарядным устройством для электромобиля, поэтому он может легко координировать разнородное сочетание устройств мощностью в киловатт.

Этот контроллер подключается к бытовому электрическому водонагревателю и использует простые алгоритмы для запроса «пакетов» энергии от облачного координатора для поддержания подходящей температуры.

Пакетные энергетические технологии

В настоящее время восходящие технологии , управляемые устройствами, такие как PEM, не получили широкого распространения.Вместо этого в большинстве современных технологий реагирования на спрос используется нисходящий подход, при котором координатор передает управляющий сигнал всем устройствам, сообщая им, что делать. Но если каждому устройству приказано делать одно и то же в одно и то же время, все может очень быстро пойти не так, поскольку энергопотребление устройств синхронизируется. Представьте себе эффект от одновременного включения (или выключения) миллионов кондиционеров, водонагревателей и зарядных устройств для электромобилей. Это будет означать гигаваттные всплески — как если бы большая атомная электростанция включалась или выключалась щелчком выключателя.Всплеск такого большого размера может привести к нестабильности сети, что может вызвать каскадное отключение электроэнергии. Вот почему большинство коммунальных предприятий сегодня разбивают устройства на группы, чтобы ограничить всплески порядка десятков мегаватт. Тем не менее, активное управление этими различными группами, помимо нескольких ежегодных пиковых событий, является проблемой для нисходящих подходов.

Но если каждое устройство работает для удовлетворения своей уникальной потребности в энергии, то запросы пакетов (и результирующее энергопотребление) по своей сути рандомизируются, и в результате синхронизация становится гораздо менее важной.

Нисходящий подход также затрудняет учет предпочтений клиентов в отношении горячей воды, заряженных автомобилей и прохладных домов в жаркие дни. Если мы собираемся координировать энергетические устройства, чтобы улучшить работу сети, нам нужно убедиться, что мы делаем это таким образом, чтобы потребитель практически не заметил и автоматически.

Теперь рассмотрим, как PEM учитывает предпочтения отдельного клиента в случае с водонагревателем. Если температура воды падает ниже нижнего предела, а нагреватель еще не потребляет пачку энергии, он может временно «отключиться» от схемы PEM и включиться до восстановления температуры.Водонагреватель сообщит координатору PEM об этом изменении своего режима работы, и координатор просто обновит свой учет совокупного потребления. Влияние этой отдельной загрузки на общую сумму невелико, но для клиента наличие гарантии горячей воды, когда это необходимо, укрепляет доверие и обеспечивает постоянное участие.

Подход PEM, ориентированный на устройства, также упрощает работу координатора, поскольку ему не нужно централизованно отслеживать или моделировать каждое устройство для разработки оптимизированного расписания.Координатору нужно только отслеживать сетку и рыночные условия, отвечать на поток входящих запросов пакетов и вести учет «отключенных» устройств — другими словами, координатор управляет всего тремя наборами номеров.

Чтобы повысить эффективность нашей работы, мы решили коммерциализировать PEM параллельно с нашими исследованиями и в 2016 году основали Packetized Energy. Компания развернула свою облачную платформу координации энергетики в нескольких пилотных проектах, спонсируемых коммунальными предприятиями в Соединенных Штатах Штаты и Канада.Каждый из этих проектов начался с модернизации существующих электрических водонагревателей интеллектуальным термостатом, который мы спроектировали, разработали и который прошел сертификацию UL. Мы также продемонстрировали PEM с зарядными устройствами для электромобилей, бытовыми аккумуляторами и термостатами. Нашим первым клиентом была коммунальная служба нашего родного города Вермонт, Burlington Electric Department. В 2018 году BED запустила первую в стране программу водонагревателей, полностью работающих на возобновляемых источниках энергии, которая теперь расширилась и теперь включает зарядные устройства для электромобилей.

Наши проекты дали многообещающие результаты.«Демонстрация координации нагрузки в реальном времени» показывает, как PEM координировал нагрузку от 208 бытовых водонагревателей в Вермонте и Южной Каролине в течение типичного 2-часового периода. Нагреватели [оранжевая линия] следовали за быстро меняющимся целевым значением [черная линия], которое колебалось от примерно половины номинальной нагрузки до примерно вдвое большей нагрузки [красная линия].

По мере масштабирования системы до тысяч устройств с пакетной обработкой асинхронные запросы пакетов будут отображаться как непрерывный сигнал. Наше моделирование показывает, что в этом масштабе любые разрывы между целевым и фактическим исчезают.Совокупная нагрузка по крайней мере так же быстро реагирует, как время реакции современной электростанции, работающей на природном газе, и вам не нужно нести расходы на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание физической установки.

Падение расходов на датчики и микроконтроллеры приводит к быстрому росту Интернета вещей. В сочетании с технологией «умный дом» Интернет вещей позволяет представить мир, в котором все энергетические устройства — нагрузки, накопители энергии и генераторы — активно координируются, чтобы поддерживать стабильность сети и в полной мере использовать преимущества возобновляемых источников энергии.Но проблемы действительно ждут впереди.

Во-первых, сегодня существует мало стандартов, которыми могли бы руководствоваться производители, заинтересованные в координации на уровне устройств, и нет реальных стимулов для принятия ими какого-либо конкретного подхода. Это привело к распространению проприетарных технологий, решающих одну и ту же фундаментальную проблему. И здесь мы снова можем черпать вдохновение из Интернета: маловероятно, что собственные решения масштабируются до такой степени, чтобы решать имеющиеся энергетические проблемы. Новые инициативы, продвигаемые промышленностью, такие как EcoPort (ранее CTA 2045) и Matter (ранее Connected Home over IP) обещают безопасную связь с малой задержкой с устройствами разных производителей.Технические комитеты, рабочие группы и целевые группы IEEE также играют вспомогательную роль, например, технический комитет IEEE Power and Energy Society по умным зданиям, нагрузкам и потребительским системам. Мы надеемся, что в будущем эти усилия будут беспрепятственно поддерживать описанные здесь концепции «пакетизации» на основе устройств, а не просто служить традиционным нисходящим архитектурам связи и управления.

Также необходимы стимулы для потребителей электроэнергии, чтобы изменить потребление энергии.Сейчас ежедневная стоимость электроэнергии для бытового водонагревателя примерно одинакова, независимо от того, когда водонагреватель включается. У домовладельца нет финансовой выгоды от запуска водонагревателя, когда возобновляемая энергия высока или оптовая цена на электроэнергию низка. Регуляторным органам, коммунальным предприятиям и другим сторонам необходимо будет переосмыслить и переработать программы стимулирования и гибкого спроса, чтобы гарантировать, что взносы и вознаграждения будут справедливыми и равными для всех клиентов. Им также необходимо информировать потребителей о том, как работает программа.

Существует множество прецедентов для решения таких технических и политических задач. Общедоступная система, которая является справедливой, гибкой, доступной, надежной, отказоустойчивой и масштабируемой, очень похожа на Интернет. Пакетное управление энергопотреблением, основная конструкция которого основана на передаче данных в Интернете, принесет те же важные преимущества. По мере того, как мы переходим к новому типу сети, основанной на распределенной и возобновляемой генерации, нам потребуются новые технологии и новые парадигмы. К счастью, у нас есть проверенная временем модель, которая указывает нам путь.

Эта статья появилась в печатном выпуске за февраль 2022 г. под названием «Пакетизация энергосистемы».

Закон Ома для ионной проводимости в электролитах литиевых и нелитиевых батарей: Журнал химической физики: Том 151, № 2 ВВЕДЕНИЕ

< 1,2 1. J. Newman and K. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3-е изд. (John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, 2004 г.).2. Y.Ma, M.Doyle, T.F.Fuller, M.M.Doeff, L.C.De Jonghe и J.Newman, J. Electrochem. соц. 142 , 1859 (1995). https://doi.org/10.1149/1.2044206 Тип устройства, которое может питаться от батареи, ограничен максимальным током, который можно безопасно пропустить через электролит.Отправной точкой для понимания связи между падением потенциала и током является закон Ома. Для простого проводника с одним носителем заряда, такого как медная проволока [рис. 1(а)], плотность тока i пропорциональна падению потенциала на единицу длины, Δ В / L , а закон Ома можно записать в виде где σ — электронная проводимость материала . Все материалы электрически нейтральны и имеют как минимум два носителя заряда; приближение с одним носителем заряда справедливо, поскольку компенсирующие катионы меди практически неподвижны.Плотность тока в зависимости от Δ В / л для меди представлена ​​на рис. 1(б), где наклон, м, равен 5,8 × 10 5 См·см −1 . 3 3. R.A. Matula, J. Phys. хим. Ссылка Данные 8 , 1147 (1979). https://doi.org/10.1063/1.555614 В этом случае m = σ . Для медного провода градиенты концентрации носителей заряда не возникают, поскольку катионы меди неподвижны и поддерживается нейтральность заряда. Пример перезаряжаемой батареи схематично показан на рис.1(с). Он состоит из металлического литиевого анода и катода из литий-железо-фосфата, LiFePO 4, , разделенных электролитом EC:DEC/LiPF 6 в пористом сепараторе. Во время разряда прохождение ионного тока через электролит от анода к катоду вызывается перенапряжением η , которое представляет собой равновесный потенциал элемента за вычетом рабочего напряжения U 0 В . 1 1. J. Newman and K. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3-е изд.(John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, 2004 г.). При наличии перенапряжения в электролите возникают градиенты концентрации, поскольку катионы (в данном случае Li + ) и анионы (PF6-) подвижны в системе. При постоянном перенапряжении это привело бы к зависящей от времени плотности тока, пока градиент концентрации не достигнет установившегося состояния. Только ионы Li + переносятся через границы раздела электрод/электролит; это также влияет на характер градиентов.На рис. 1(г) построена зависимость стационарной плотности тока i ss от перенапряжения на единицу длины η / L для ячейки, изображенной на рис. 1. (с). 4 4. В. Шринивасан и Дж. Ньюман, Дж. Электрохим. соц. 151 , А1517 (2004 г.). https://doi.org/10.1149/1.1785012 Получается, что зависимость между i ss и η / L примерно линейная, аналогичная медному проводу.Однако наклон m = 2,5 · 10 -5 См·см -1 не равен проводимости электролита. Он отражает многочисленные процессы, включающие перенос заряда между электродами и электролитом, диффузию лития в катоде, диффузию и миграцию ионов в электролите. Таким образом, зависимость между i ss и η / L на рис. 1(d), хотя и выглядит линейной, не является проявлением закона Ома. На рис.1(e) представлена ​​схема симметричной ячейки, состоящей из электролита, зажатого между двумя одинаковыми неблокирующими электродами. С этой точки зрения мы сосредоточимся на симметричных элементах, содержащих электроды из литиевой или натриевой фольги и электролиты, содержащие литиевую или натриевую соль соответственно. Эта ячейка, популяризированная новаторскими работами Эванса, Винсента и Брюса и других, 6–8 6. J. Evans, C.A. Vincent, and PG Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://дои.орг/10.1016/0032-3861(87)-67. П. Р. Соренсен и Т. Якобсен, Электрохим. Acta 27 , 1671 (1982). https://doi.org/10.1016/0013-4686(82)80162-x8. J.R. Macdonald, J. Chem. физ. 58 , 4982 (1973). https://doi.org/10.1063/1.1679086 похож на тот, что показан на рис. 1(с), с одним существенным отличием: U 0 = 0 В. Эта ячейка позволяет честно сравнить ионно-транспортные свойства различные электролиты: симметрия ячейки позволяет отделить электродные эффекты от свойств электролита.На рис. 1(f) мы изображаем зависимость i ss от падения потенциала на электролите, ΔΦ/ L , для элемента с электродами из литиевой фольги и электролитом, содержащим полиэтиленоксид ( PEO) и соль бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI). 5 5. D.M. Pesko, Z. Feng, S. Sawhney, J. Newman, V. Srinivasan, and N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 165 , А3186 (2018). https://doi.org/10.1149/2.0231813jes Здесь наклон m = 9.9 × 10 -5 См см -1 не равно ионной проводимости электролита. Однако, в отличие от полной батареи, m связано только со свойствами электролита. В наших усилиях по разработке высокоэффективных электролитов именно угол наклона на рис. 1(f) мы хотим максимизировать. Однако многие публикации игнорируют это. В наши дни довольно часто изобретают новый электролит, измеряют ионную проводимость и объявляют победу, если она выше, чем у исходного электролита.Целью этой перспективы является анализ данных симметричных ячеек, полученных из разных электролитов. Evans, Bruce, and Vincent 6,9 6. J. Evans, C.A. Vincent, and P.G. Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-69. PG Bruce and CA Vincent, J. Electroanal. хим. 225 , 1 (1987). https://doi.org/10.1016/0022-0728(87)80001-3 и Watanabe et al. 10 10. М. Ватанабэ, С. Нагано, К. Сануи и Н. Огата, Solid State Ionics 28-30 , 911 (1988).https://doi.org/10.1016/0167-2738(88)-7 смоделированы симметричные ячейки, содержащие разбавленные и идеальные растворы электролитов. В более поздних исследованиях Ньюман и его коллеги 1,11 1. J. Newman and K. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3-е изд. (John Wiley & Sons, Хобокен, Нью-Джерси, 2004 г.).11. N.P. Balsara and J. Newman, J. Electrochem. соц. 162 , А2720 (2015 г.). https://doi.org/10.1149/2.0651514jes рассмотрели симметричные ячейки, содержащие концентрированные растворы электролитов, и установили взаимосвязь между m и собственным транспортом и термодинамическими свойствами электролита.Эта точка зрения ориентирована на малые приложенные потенциалы, когда зависимостью соответствующих свойств электролита от концентрации можно пренебречь. На основании работы в Refs. 5–115. D.M. Pesko, Z. Feng, S. Sawhney, J. Newman, V. Srinivasan и N. P. Balsara, J. Electrochem. соц. 165 , А3186 (2018). https://doi.org/10.1149/2.0231813jes6. J. Evans, C. A. Vincent и P. G. Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-67. П. Р. Соренсен и Т.Якобсен, Электрохим. Acta 27 , 1671 (1982). https://doi.org/10.1016/0013-4686(82)80162-x8. J.R. Macdonald, J. Chem. физ. 58 , 4982 (1973). https://doi.org/10.1063/1.167

. PG Bruce and CA Vincent, J. Electroanal. хим. 225 , 1 (1987). https://doi.org/10.1016/0022-0728(87)80001-310. М. Ватанабэ, С. Нагано, К. Сануи и Н. Огата, Solid State Ionics 28-30 , 911 (1988). https://doi.org/10.1016/0167-2738(88)-711. Н. П. Балсара и Дж.Ньюман, Дж. Электрохим. соц. 162 , А2720 (2015 г.). https://doi.org/10.1149/2.0651514jes, мы разрабатываем основу для измерения коэффициента закона Ома, которая позволяет нам составить упорядоченный список электролитов на основе их способности максимизировать поток катионов лития или натрия. В заключение мы обсудим ограничения нашего подхода, поскольку, в конечном итоге, необходимо переоценить ранговый порядок электролитов при наличии значительных градиентов концентрации для практических устройств.

II. ТЕОРИЯ

Раздел:

ВыберитеНаверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII. ТЕОРИЯ < κ с помощью импедансной спектроскопии переменного тока. Мощной особенностью спектроскопии импеданса переменного тока является то, что κ измеряется без введения значительных градиентов концентрации.Когда потенциал постоянного тока ΔΦ прикладывается к электролиту размером х в симметричной ячейке [фиг. 1(д)], градиенты концентрации в первый момент поляризации по определению отсутствуют ( t = 0 + ). Начальная плотность тока, i 0 , при t = 0 + определяется как .Измеряемая плотность тока уменьшается со временем по мере развития этих градиентов концентрации и достигает устойчивого значения на больших временах. Мы обозначаем ток, полученный на больших временах, как i ss . В пределе малых приложенных потенциалов выражение для i ss может быть получено на основе теории концентрированных растворов, 11,12 11. N.P. Balsara and J. Newman, J. Electrochem. соц. 162 , А2720 (2015 г.). https://doi.org/10.1149/2.0651514jes12.M.Doyle and J.Newman, J.Electrochem. соц. 142 , 3465 (1995). https://doi.org/10.1149/1.2050005, где Ne — безразмерный параметр, который мы называем числом Ньюмена. Ne определяется выражением
Ne=aκRT1−t+02F2Dc1+d ln γ±d ln m, (4)
, где R — газовая постоянная, 70070 R — газовая постоянная, 700910 T T 0 – постоянная Фарадея, D – коэффициент ограниченной диффузии соли, c – концентрация соли, t+0 – число переноса катиона относительно скорости растворителя, γ ± — средний молярный коэффициент активности электролита, м — моляльность соли.Параметр a связан со стехиометрией соли, где ν — общее число катионов и анионов, на которые диссоциирует соль, ν + — общее число катионов, на которые диссоциирует соль, z + – зарядовое число катиона. (Для соли, содержащей одновалентные ионы, a = 2.) Уравнения (3) и (4) основаны на теории концентрированных растворов Ньюмана, в которой электролиты характеризуются тремя транспортными параметрами: κ , D и t+ 0, и термодинамический коэффициент Tf=1+d ln γ±d ln m.Эта теория основана на работе Onsager 13 13. L. Onsager, Ann. Н. Я. акад. науч. 46 , 241 (1945). https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1945.tb36170.x, который обнаружил, что перенос ионов в бинарных электролитах определяется тремя коэффициентами диффузии Стефана-Максвелла: D0-, D0+ и D+-. Соотношения между κ , D , t+0 и коэффициентами диффузии Стефана-Максвелла приведены в [1]. 1111. N.P. Balsara and J. Newman, J. Electrochem. соц. 162 , А2720 (2015 г.).https://doi.org/10.1149/2.0651514jes. Хотя все четыре параметра ( κ , D , t+0 и T f ) определяют зависящий от времени ток при заданном приложенном потенциале, явное знание всех этих параметров не требуется для определения i ss или Ne. Фактически, Ne можно определить в одном эксперименте путем измерения i 0 и i ss при постоянной поляризации ΔΦ над электролитом. / я 0 . 6,9 6. J. Evans, C. A. Vincent и P. G. Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-69. PG Bruce and CA Vincent, J. Electroanal. хим. 225 , 1 (1987). https://doi.org/10.1016/0022-0728(87)80001-3Уравнения (6) и (4) можно переформулировать следующим образом, где c 0 — концентрация растворителя. Уравнения (7) и (8) впервые были выведены Балсарой и Ньюманом. 11 11. N.P. Balsara and J. Newman, J. Electrochem.соц. 162 , А2720 (2015 г.). https://doi.org/10.1149/2.0651514jes Только в пределе c → 0, β → 0 результат, представленный Брюсом и Винсентом. 9 9. Брюс П.Г. и Винсент С.А., J. Electroanal. хим. 225 , 1 (1987). https://doi.org/10.1016/0022-0728(87)80001-3 Определение диапазона концентраций, в котором β достаточно мало, так что уравнение. (9) требует знания коэффициентов диффузии Стефана-Максвелла. Для разбавления 0.01M водный раствор хлорида калия (рис. 14.1 в ссылке 11. J. Newman and K. Thomas-Alyea, Electrochemical Systems , 3-е изд. (John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2004).), D+- = 1,1 × 10 -7 см -7 S -1 , D0 + = 1,9 × 10 -5 см 2 S -1 , C 0 = 56 Mol L -1 , β = 0,031, и уравнение. (9) является хорошим приближением. Однако большинство практичных электролитов не разбавляются. Для 1М водного раствора хлорида калия D+- = 1.9 × 10 -6 см -6 см 2 S -1 , D0 + = 2,0 × 10 -5 , C 0 = 53,6 MOL L -1 и β = 0,20. Для 2,6M PEO/LiTFSI (рис. 3 и 4 в Ref. 1414. I. Villaluenga, D.M. Pesko, K. Timachova, Z. Feng, J. Newman, V. Srinivasan, and N.P. Balsara, J. Electrochem. Soc. 165 , A2766 (2018). https://doi.org/10.1149/2.0641811jes), D+− = 4.0 × 10 −9 см 2 с −1 , D0+ = 1.90 × 05 8 см 2 с −1 , c 0 = 16 моль л −1 , β = 0.44. Уравнение (9) не является хорошим приближением ни для 1M KCl, ни для 2,6M PEO/LiTFSI. Таким образом, мы определяем долю тока ρ + , которую можно переписать на основе уравнения. (6) т.к. Текущая фракция является неотъемлемым свойством электролита, независимо от того, является ли он разбавленным или концентрированным. Число переноса t+0 определяется как доля тока, переносимого катионом в растворе с одинаковой концентрацией соли, и приблизительно равно ρ + , когда β мало.По этой причине мы предпочитаем использовать ρ + для обозначения текущей доли, iss/i0, а не использовать t+0 или «переносное число», как это обычно делается в литературе. На этот момент указывали Брюс и Грей в 1995 году, которые называли эту фракцию тока «фракцией предельного тока». 15 15. П. Г. Брюс и Ф. М. Грей, в Электрохимия твердого тела , под редакцией П. Г. Брюса (Cambridge University Press, 1995), стр. 157–158. До сих пор в обсуждении не учитывалось сопротивление поверхности раздела электрод/электролит.На практике, когда на симметричную ячейку подается постоянное напряжение Δ В , падение потенциала на электролите ΔΦ будет уменьшено на величину, равную произведению межфазного сопротивления на ток. Предполагая, что другие источники омических потерь пренебрежимо малы, где R i — межфазное сопротивление, которое легко измерить спектроскопией импеданса на переменном токе, A — электрохимически активная площадь поверхности электрода, а i — плотность тока через симметричную ячейку.Мы можем объединить уравнения. (2), (3), (10) и (11), чтобы получить полезное выражение i ss и i 0 относятся к стационарной и начальной плотности тока через симметричную ячейку, как в уравнении. (11). Эванс, Брюс и Винсент 66 признали важность поправок на межфазное сопротивление. Эванс Дж., Винсент С.А. и Брюс П.Г. Полимер 28, 2324 (1987).https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-6 и Watanabe et al. 10 10. М. Ватанабэ, С. Нагано, К. Сануи и Н. Огата, Solid State Ionics 28-30 , 911 (1988). https://doi.org/10.1016/0167-2738(88)-7 Мы используем термин ρ +,0 в уравнении. (12), чтобы уточнить, что эта текущая доля основана на измеренном значении i 0 , которое мы обсудим далее. Чтобы применить уравнения. (10)–(12) необходимо измерить значение i 0 .Практический подход состоит в том, чтобы взять первую точку данных, измеренную после приложения потенциала. Однако этот метод по своей сути проблематичен, потому что ток сильно зависит от времени в первый момент поляризации. Пример такого измерения показан на рис. 2. Небольшой потенциал Δ В = 8,9 мВ был приложен к литиевой симметричной ячейке ( А = 0,079 см 2 и L = 0,050 см). содержащий 35 кг моль электролита -1 ПЭО/LiTFSI с концентрацией солей r = 0 .010, где r определяется как молярное отношение ионов лития к фрагментам оксида этилена. Частота дискретизации 1 мс -1 использовалась в течение первых нескольких секунд. На рис. 2 представлена ​​текущая реакция во всем временном окне (400 мин), необходимом для достижения установившегося состояния, а на вставке выделены первые 10 мс. В течение первых 10 мс ток примерно постоянен во времени. Таким образом, мы уверены, что измеряемая нами плотность тока i 0 = 0,051 мА·см −2 действительно улавливает начальный ток.Была предложена альтернатива 6,16–23 6. J. Evans, C.A. Vincent, and P.G. Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-616. С. Цугманн, Д. Моосбауэр, М. Амереллер, К. Шрайнер, Ф. Вуди, Р. Шмитц, Р. Шмитц, П. Искен, К. Диппель, Р. Мюллер, М. Кунце, А. Лекс-Бальдуччи, M. Winter и J. Gores, J. Power Sources 196 , 1417 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.02317. Д. М. Песко, К. Тимачева, Р. Бхаттачарья, М.C. Smith, I. Villaluenga, J. Newman и N. P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0581711jes18. К. Чжэн, Д. М. Песко, Б. М. Савойя, К. Тимахова, А. Л. Хасан, М. К. Смит, Т. Ф. Миллер, В. Коутс и Н. П. Балсара, Macromolecules 51 , 2847 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b0270619. X. Li, WS Loo, X. Jiang, X. Wang, MD Galluzzo, K.I. Mongcopa, A.A. Wang, NP Balsara и B.A. Garetz, Macromolecules 52 , 982 (2019).https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b0214220. K.M.Abraham, Z.Jiang, and B.Carroll, Chem. Матер. 9 , 1978 (1997). https://doi.org/10.1021/cm970075a21. Hiller M.M., Joost M., Gores HJ, Passerini S. and Wiemhöfer H. // Electrochim. Acta 114 , 21 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.13822. D.B.Shah, K.R.Olson, A.Karny, S.J.Mecham, J.M.DeSimone и N.P.Balsara, J.Electrochem. соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes23. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone и NP Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412 заключается в вычислении i 0 путем объединения уравнений. (2) и (11). В этом случае мы можем изменить формулу. (13) решить для i 0 . Мы ссылаемся на эту расчетную плотность тока как iΩ, потому что это формулировка закона Ома [уравнение. (1)], для электролита и элемента, используемых на рис.2, κ = 0,33 мСм см -1 и R i = 495 Ом, что дает iОм = 0,047 мА см -2 (показана красной пунктирной линией на рис. 2). Мы видим разумное согласие между i 0 и iΩ из этого эксперимента. Преимущество использования iΩ вместо i 0 состоит в том, что оно основано на легко измеряемых параметрах (Δ V , L , R i , κ 0 1 , и .Дальнейшее обоснование этого обсуждается в гл. . Для целей данной статьи мы определяем ρ + как
ρ+=issiΩΔV−iΩRi,0AΔV−issRi,ssA. (15)
Уравнение (15) отличается от уравнения (12) только при использовании iΩ для i 0 . В обсуждении ниже электролиты характеризуются двумя транспортными свойствами: κ и ρ + . Мы используем уравнение (15) для вычисления ρ + .

III. ДАННЫЕ

Раздел:

ВыберитеНаверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII. ТЕОРИЯIII. ДАННЫЕ < 6 6. J. Evans, C.A. Vincent, and P.G. Брюс, Полимер 28 , 2324 (1987).https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-6 с 2010 г. Лишь в небольшой части этих статей сообщаются все параметры, необходимые для нашего анализа. Эти параметры перечислены в Таблице I.

ТАБЛИЦА I. Список параметров, относящихся к измерениям Эванса, Винсента и Брюса i ss / i 0 , собранных для электролитных систем, описанных в этом исследовании. Мы также перечисляем их символы и описания.

5 ионная проводимость электролита, измеренной импедансом переменного тока с использованием блокирующих электродов ( е.g., Нержавеющая сталь) NB NB NB NB NB NB 5 Начальная плотность тока измеряется после поляризации при δ V
параметр Symbol Описание
ионная проводимость, блокировка κ b
Ионная проводимость, неблокирование κ NB Иоионная проводимость измеряется импендиатом переменного тока с использованием неблокирующих электродов (например, металл лития)
Нанесенное напряжение δ V постоянное напряжение, примененное потенциостатом, чтобы вызвать устойчивую точечную плотность
плотность тока, начальный I 0
Текущая плотность, устойчивое состояние I SS Текущая плотность измерена в устойчивом состоянии в ответ на δ V
межфазное сопротивление, начальный R I, 0 Межфазное сопротивление, измеренное спектроскопией импеданса переменного тока непосредственно перед ∆ В применяется D
Межфазное сопротивление, устойчивое состояние R I, SS Межфазное сопротивление, измеренные спектроскопией импеданса переменного тока после устойчивого тока
массовых сопротивлений R R R b Объемное сопротивление, измеренное в ячейке во время эксперимента с установившимся током
Толщина ячейки L Расстояние между электродами; толщина электролита
Межфазная поверхность A Номинальная площадь электрода, контактирующего с электролитом
Четыре категории электролитов, рассматриваемых в этом исследовании, показаны на рис.3: гомополимерные электролиты (ГПЭ), содержащие соль лития и не содержащие растворителя, гелевые полимерные электролиты (ГПЭ), содержащие сшитый полимер, смешанный с растворителем и солью лития, полимерные электролиты, содержащие натриевую соль (NaPE), и многокомпонентные полимерные электролиты. (MCPE), содержащие полимер, смешанный с солью и по крайней мере одним дополнительным компонентом. Дополнительным компонентом в MCPE может быть другой полимер (смешанный или ковалентно связанный), ионная жидкость или керамическая частица. Все электролиты были разработаны для переноса ионов лития, за исключением тех, которые относятся к категории натриевых электролитов.Подробное описание каждого электролита, его категории и ссылки приведены в Таблице II.

ТАБЛИЦА II. Подробное описание электролитных систем, проанализированных в этом ракурсе, и их категорий: ГПЭ — гомополимерный электролит, ГПЭ — гелеобразный полимерный электролит, МКПЭ — многокомпонентный полимерный электролит, NaPE — натрий-ионный полимерный электролит.

Electrolyte Описание Категория Ссылка
Полиэтиленоксид с литиевым бис (трифторметаносульфонил) имид (PEO / Litfsi) с 0.017 молей LiTFSI на моль кислорода эфира ( r = 0,017) HPE 2121 Acta 114 , 21 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.138
PEO/LiTFSI с r = 0,08 HPE 1717. Д. М. Смит, Тимачова Б., Песко К. , I. Villaluenga, J. Newman и N. P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017).https://doi.org/10.1149/2.0581711jes
Поли(диэтиленоксид-альт-оксиметилен) с LiTFSI (P(2EO-MO)/LiTFSI) с 0,04 моля LiTFSI на моль кислорода ( r = 0,04). . https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706
P(2EO-MO)/LiTFSI с r = 0.08 HPE 1818. Q. Zheng, D.M. Pesko, B.M. Savoie, K. Timachova, A.L. Hasan, M.C. Smith, T.F. Miller, W. Coates, and N.P. Balsara, Macromolecules 51 , 2847 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706
P(2EO-MO)/LiTFSI с r = 0,14 HPE 1818. Q. Zheng, B.M. Peskoie, D.M. K. Timachova, A.L. Hasan, M.C. Smith, T.F. Miller, W. Coates, and N.P. Balsara, Macromolecules 51 , 2847 (2018).https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706
Перфторэфир, содержащий 8 атомов углерода с диметилкарбонатными концевыми группами, и литиевая соль бис(фторсульфонил)имида (C8-DMC/LiFSI) с 5,84 мас. % LiFSI HPE 2222. D.B. Shah, K.R. Olson, A. Karny, S.J. Mecham, J.M. DeSimone и N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes
C8-DMC/LiFSI с 19,9 мас. % LiFSI HPE 2222.D.B.Shah, K.R.Olson, A.Karny, S.J.Mecham, J.M.DeSimone и N.P.Balsara, J.Electrochem. соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes
Перфторполиэфир с концевыми гидроксильными группами, содержащий 10 атомов кислорода фторэфира (PFPE D10 -Diol) и 9,1 мас. % LiTFSI HPE 2323. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and NP Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016).https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412
Перфторполиэфир с диметилкарбонатными концевыми группами, содержащий 10 атомов кислорода фторэфира (PFPE D10 -DMC) и 9,1 мас. % LiTFSI HPE 2323. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and NP Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412
Гель PEO/LiTFSI, смешанный с диметиловым эфиром тетраэтиленгликоля (TEGDME) GPE 2424.H. Wang, M. Matsui, Y. Takeda, O. Yamamoto, D. Im, D. Lee и N. Imanishi, Membranes 3 , 298 (2013). https://doi.org/10.3390/membranes3040298
80 вес. % метокси-ПЭО-метакрилата и 20 мас. % гексадекаль-ПЭО-метакрилата, сополимеризованного в матрицу (PMh30) с солью перхлората лития (LiClO 4 ) GPE 2525. F. Cai, X. Zuo, X. M. Liu, L. Wang, W. Zhai и Х. Ян, Электрохим. Acta 106 , 209 (2013). https://дои.org/10.1016/j.electacta.2013.05.079
Сшитый ПЭО, пластифицированный TEGDME с LiTFSI GPE 2626. L. Porcarelli, C. Gerbaldi, F. Bella, and J.R. Nair 6 ​​ , 19892 (2016). MCPE 2727 У. Отео, Х. М. Лопес дель Амо, К. Ли, Л. М. Родригес-Мартинес, Х.B. Youcef, N. Lago, J. Thielen, and M. Armand, Electrochim. Acta 255 , 48 (2017). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.09.139
Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLLZO) ) (PVDF-HFP) MCPE 2828. W. Zhang, J. Nie, F. Li, Z. L. Wang и C. Sun, Nano Energy 45 , 413 (2018). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.01.028
Полиэдрический олигомерный силсесквиоксан (POSS) с привитыми боковыми цепями ионной жидкости (IL), легированными LiTFSI MCPE 2929.G. Yang, H. Oh, C. Chanthad, and Q. Wang, Chem. Матер. 29 , 9275 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b03229
Перфторполиэфир с 2 звеньями этиленоксида на каждом конце, оканчивающимися диметилкарбонатными концевыми группами, содержащими 10 атомов кислорода фторэфира (PFPE E10 -DMC) и 9.1 вес. % LiTFSI MCPE 2323. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and NP Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016).https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412
Кукурузный крахмал, сшитый γ-(2,3-эпоксипропокси)пропилтриметоксисиланом с LiTFSI MCPE 3030. Y. Lin, J. Li, K. Liu, Y. Liu, J. Liu и X. Wang, Green Chem. 18 , 3796 (2016). https://doi.org/10.1039/c6gc00444j
ПЭО, смешанный с карбоксиметилцеллюлозой натрия (Na-CMC) с перхлоратом натрия (NaClO 4 ) NaPE F. Colò 3131.Bella, J.R. Nair, M. Destro, and C. Gerbaldi, Electrochim. Acta 174 , 185 (2015). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.05.178
Органические ионно-пластические кристаллы, состоящие из бис(фторсульфонил)имида триизобутилметилфосфония с добавлением натриевой соли бис(фторсульфонил)имида (NaFSI) NaPE 6 6 6 3232. F. Makhlooghiazad, R. Yunis, D. Mecerreyes, M. Armand, PC Howlett, and M. Forsyth, Solid State Ionics 312 , 44 (2017). https://дои.org/10.1016/j.ssi.2017.10.014
Для каждого электролита в Таблице II мы рассчитали ρ + по уравнению. (15) и значения параметров, полученные нами из публикации. Для некоторых ссылок все параметры были указаны явно. В других случаях нам нужно было оценить параметры по необработанным данным, таким как спектры импеданса Найквиста или графики зависимости тока от времени. В трех случаях необходимые параметры были предоставлены в личном сообщении от авторов. 17,18,32 17.D.M. Pesko, K. Timachova, R. Bhattacharya, M.C. Smith, I. Villaluenga, J. Newman и N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0581711jes18. К. Чжэн, Д. М. Песко, Б. М. Савойя, К. Тимахова, А. Л. Хасан, М. К. Смит, Т. Ф. Миллер, В. Коутс и Н. П. Балсара, Macromolecules 51 , 2847 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b0270632. F. Makhlooghiazad, R. Yunis, D. Mecerreyes, M. Armand, PC Howlett и M. Forsyth, Solid State Ionics 312 , 44 (2017).https://doi.org/10.1016/j.ssi.2017.10.014 Наконец, если бы наше расчетное значение для ρ +,0 существенно отличалось от сообщаемого значения (обычно называемого другими как t + ), ссылка не была включена в это исследование. Только 13 из 472 работ удовлетворяли всем ограничениям. Наиболее распространенной причиной, по которой газета была исключена из нашего анализа, было отсутствие сведений о L и A . К сожалению, нам не удалось найти работ, характеризующих одноионные проводники, отвечающие всем нашим требованиям.

IV. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТА

Раздел:

ChooseВверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII. ТЕОРИЯIII. ДАННЫЕIV. ХАРАКТЕРИСТИКА Э… <<В. КОМПРЕСС МЕЖДУ УСЛОВИЯМИ... VI. ОБСУЖДЕНИЕVII. ЗАКЛЮЧЕНИЕНОМЕНКЛАТУРАССЫЛКИ НА СТАТЬИ В большинстве статей сообщаемая текущая доля основана на измеренном значении i 0 . Одним из критериев включения статей в это исследование было то, что все параметры, необходимые для расчета iΩ по уравнению. (14) сообщили.Таким образом, мы смогли вычислить ρ + , используя уравнение. (15) и сравните его с указанным значением, ρ +,0 , полученным с использованием уравнения. (12). Фигура 4 представляет собой график зависимости ρ + от ρ +,0 для 19 электролитов, перечисленных в Таблице II. Для ссылок, которые сообщают только ρ + , мы наносим ρ + = ρ +,0 : они представлены закрашенными символами. Точки, лежащие на пунктирно-штриховой линии на рис.4 показывают, что измеренное значение i 0 согласуется с вычисленным значением iΩ. Значительное количество точек данных на рис. 4 находится значительно ниже пунктирной линии. Вероятной причиной этого является использование слишком низкой частоты дискретизации для точного захвата i 0 . Поскольку плотность тока быстро падает в первые моменты времени (см. рис. 2), использование менее частой частоты дискретизации приведет к меньшему значению i 0 и, таким образом, к завышенному значению ρ +,0 .Хотя некоторые предлагали использовать iΩ для вычисления ρ + , 6,16–23 6. J. Evans, C. A. Vincent, and PG Bruce, Polymer 28 , 2324 (1987). https://doi.org/10.1016/0032-3861(87)-616. С. Цугманн, Д. Моосбауэр, М. Амереллер, К. Шрайнер, Ф. Вуди, Р. Шмитц, Р. Шмитц, П. Искен, К. Диппель, Р. Мюллер, М. Кунце, А. Лекс-Бальдуччи, M. Winter и J. Gores, J. Power Sources 196 , 1417 (2010). https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.02317. D.M. Pesko, K. Timachova, R. Bhattacharya, M.C. Smith, I. Villaluenga, J. Newman, and N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0581711jes18. К. Чжэн, Д. М. Песко, Б. М. Савойя, К. Тимахова, А. Л. Хасан, М. К. Смит, Т. Ф. Миллер, В. Коутс и Н. П. Балсара, Macromolecules 51 , 2847 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b0270619. X. Li, W. S. Loo, X. Jiang, X. Wang, MD Galluzzo, K. I. Mongcopa, A. A. Wang, N.P. Balsara и B.A. Garetz, Macromolecules 52 , 982 (2019). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.8b0214220. K.M.Abraham, Z.Jiang, and B.Carroll, Chem. Матер. 9 , 1978 (1997). https://doi.org/10.1021/cm970075a21. Hiller M.M., Joost M., Gores HJ, Passerini S. and Wiemhöfer H. // Electrochim. Acta 114 , 21 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.13822. D.B.Shah, K.R.Olson, A.Karny, S.J.Mecham, J.M.DeSimone и N.P.Balsara, J.Electrochem.соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes23. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone и NP Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412 в литературе преобладают сообщения ρ +,0 на основе измеренных значений i 0 . Наш анализ показывает, что ρ + является более надежным методом определения текущей доли электролита.Для согласованности все расчеты будут использовать iΩ за пределами этой точки. В принципе, проводимость электролита, измеренная спектроскопией импеданса переменного тока, является свойством материала, которое не должно зависеть от электродов, используемых в эксперименте. При проведении импедансной спектроскопии переменного тока можно использовать либо неблокирующие электроды (металлический литий или натрий), либо блокирующие электроды (нержавеющая сталь, алюминий и т. д.). Проводимости, измеренные с использованием неблокирующих или блокирующих электродов, обозначаются κ nb и κ b соответственно.На рис. 5 представлены κ nb в сравнении с κ b для электролитов из табл. II. Для многих электролитов κ nb значительно ниже, чем κ b . Некоторые электролиты показывают противоположную тенденцию. Не сразу ясно, следует ли использовать κ nb или κ b для количественной оценки характеристик электролита. Чтобы ответить на этот вопрос, переформулируем уравнения. (3) и (10) для получения Это формулировка закона Ома для электролита в стационарном состоянии при малой поляризации, где κρ + можно определить как эффективную проводимость электролита в стационарном состоянии.На рис. 6(а) построены зависимости κ b ρ + от issΔΦ/L, а на рис. 6(б) построены графики κ nb 8 9007 1 ρ против иссΔΦ/л. Данные на рис. 6 (б) согласуются с уравнением. (16), а данные на рис. 6(а) — нет. На рис. 6 показано, что только κ nb можно использовать для точного описания экспериментального установившегося тока. Это связано с тем, что ρ + и κ nb измеряются в симметричных ячейках с неблокирующими электродами.Для согласованности, поскольку мы сравниваем ρ + электролитов, мы также должны использовать κ nb при оценке характеристик электролита. Будущие исследования, направленные на определение характеристик новых электролитов, должны сообщать как κ b , так и κ nb . В случаях, когда κ b и κ nb существенно различаются, следует попытаться понять основную причину, поскольку это может указывать на деградацию электролита или несоответствия в производстве элемента.Для полимерных электролитов на основе эфира это может указывать на физическое (т. е. неэлектрохимическое) растворение металлического лития или натрия с электродов. 33 33. M.D. Galluzzo, D.M. Halat, W.S. Loo, S.A. Mullin, J.A. Reimer, and N.P. Balsara, ACS Energy Lett. 4 , 903 (2019). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.9b00459

V. СООТВЕТСТВИЕ МЕЖДУ ПРОВОДИМОСТЬЮ И СЕЛЕКТИВНЫМ ПЕРЕНОСОМ КАТИОНОВ

Раздел:

ChooseНаверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII.ТЕОРИЯIII. ДАННЫЕIV. ХАРАКТЕРИСТИКА Э…В. КОМПРЕСС МЕЖДУ УСЛОВИЯМИ… < 34,35 34. M. Mulder, Основные принципы мембранной технологии , 2-е изд. (Kluwer Academic, Дордрехт, 1996).35. Ю. Ямпольский и Б. Фримен, Мембранное разделение газов (John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2010). При разделении газов используется градиент давления для обеспечения транспорта через мембрану, которая сконструирована таким образом, что один вид является более проницаемым. Селективный транспорт в этой системе характеризуется двумя параметрами: (1) проницаемостью частиц i , P i , которая связывает молярный поток и движущую силу (Δ P / L ), где Δ P – перепад давления на мембране толщиной L и (2) селективность по видам i, α ij , , которая определяется как P
P

8 /

j
, где j относится к другим транспортируемым видам.В идеале хотелось бы максимизировать как P i , так и α ij . Трудность реализации этого идеала была отмечена Робсоном, который показал, что мембраны с высокой проницаемостью обычно обладают низкой селективностью, тогда как мембраны с высокой селективностью имеют низкую проницаемость. 36 36. L.M. Robeson, J. Membr. науч. 62 , 165 (1991). https://doi.org/10.1016/0376-7388(91)80060-j Когда данные по большому количеству мембран были собраны на графике зависимости селективности от проницаемости, была очевидна четкая верхняя граница.Робсон представил прямую линию на логарифмическом графике зависимости селективности от проницаемости, так что все скомпилированные данные лежат ниже этой линии. Это называется верхней границей Робсона для разделения газов. Мы представляем аналогичный анализ переноса ионов в полимерных электролитах при небольшом постоянном потенциале. Селективный перенос в этой системе характеризуется двумя параметрами: (1) проводимость, κ , связывает полный ток с вкладами как от ионов, так и от движущей силы (ΔΦ/ L ), и (2) доля тока , ρ + , что является мерой селективности транспорта катионов.В идеале хотелось бы максимизировать κ и ρ + . 37–39 37. M. Doyle, T.F. Fuller, and J. Newman, J. Electrochem. соц. 140 , 1526 (1993). https://doi.org/10.1149/1.222159738. М. Дойл, Т. Ф. Фуллер и Дж. Ньюман, Электрохим. Acta 39 , 2073 (1994). https://doi.org/10.1016/0013-4686(94)85091-739. K.M. Diederichsen, E.J. McShane, and B.D. McCloskey, ACS Energy Lett. 2 , 2563 (2017). https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b00792 На рис. 7 построен график зависимости ρ + от κ nb для электролитов из таблицы II. Линия на рис. 7 аналогична верхней границе Робсона. Верхняя граница определяется эмпирически на ρ + = -0,64 — 0,34 бревна κ Nb , где κ NB находится в S CM -1 и ρ + ограничено между 0 и 1. Лучшим электролитом будет тот, который поддерживает самую высокую плотность стационарного тока для данного приложенного потенциала, т.е.е., максимизируя наклон на рис. 1(е), m = κ nb ρ + . Поскольку оба параметра были рассчитаны, мы можем ранжировать представляющие интерес электролиты. Это сделано в Таблице III, где третий столбец дает произведение κ nb ρ + . Для полноты мы также приводим значения κ b , κ nb , Ne, ρ + и t+0 (если известно). Шесть лучших электролитов идентифицированы по их рангу на рис.7. Интересно, что ρ + меньше или равно 0,2 для всех шести. Другими словами, лучшие электролиты на сегодняшний день полагаются на высокую ионную проводимость, а не на селективный перенос катионов, и попытки достичь значения ρ + ближе к 1 были достигнуты ценой непропорционального снижения ионной проводимости. Значительные исследования были сосредоточены на превышении верхней границы Робсона, поскольку нет физических причин, по которым мембрана не может превзойти ее.То же самое верно и для полимерных электролитов: будущие исследования, направленные на превышение верхней границы, представленной на рис. 7, кажутся оправданными. ТАБЛИЦА III. Ранжированный список электролитов, включенных в это исследование, в порядке от наибольшего к наименьшему κ nb ρ + . Электролит с высоким рейтингом является наиболее эффективным. Ранг, описание электролита, эффективная проводимость в стационарном состоянии ( κ nb ρ + ), проводимость блокирующего электрода ( κ b ), проводимость неблокирующего электрода ( κ 9007 ) Для каждого электролита представлены число Ньюмена (Ne), текущая доля ( ρ + ), число переноса t+0 (если известно), категория и ссылка.Все расчетные параметры взяты из справочника методами, описанными в гл. . + HPE MCPE
κ NB ρ + (MS / CM) κ B (MS / CM / см ) κ NB (MS / CM) NE ρ + T + 0 категории
1 PEO / Litfsi с R = 0.017 21 21. Hiller M.M., Joost M., Gores H.J., Passerini S., Wiemhöfer H. // Электрохим. Acta 114 , 21 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.09.138 0.28 0.28 0,29 1.4 0.16 HPE
2
2 PEO / Litfsi Gel, смешанный с Tegdme 24 24. H. Wang, M. Matsui, Y. Takeda, O. Yamamoto, D. Im, D. Lee, and N. Imanishi, Membranes 3 , 298 (2013).https://doi.org/10.3390/membranes3040298 0.21 1.6 1.6 6,8 0.13 GPE
3 сшитый кукурузный крахмат с Litfsi 30 30. Y. Lin, J. Li, K. Liu, Y. Liu, J. Liu и X. Wang, Green Chem. 18 , 3796 (2016). https://doi.org/10.1039/C6GC00444J 0.17 0,34 1.0 4.9 0.17 MCPE
4 PEO / Litfsi с R = 0.08 17 17. Pesko D.M., Timachova K., Bhattacharya R., Smith M.C., Villaluenga I., Newman J. and Balsara N.P., J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0581711jes 0,16 2,2 1,58 9,07 0,10 0,43
5 Органические ионные пластиковые кристаллы с NaFSI 32 32 Ф. Махлугиазад, Р. Юнис, Д. Месеррайес, М. Арман, П. К.Howlett и M. Forsyth, Solid State Ionics 312 , 44 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ssi.2017.10.014 0.14 2.1 6.6 45 25 2.2 × 10 -2 Naпе
6 P (2EO-MO)/LiTFSI с r = 0,08 18 18. Q. Zheng, D.M. Pesko, B.M. Savoie, K. Timachova, A.L. Hasan, M.C. Smith, T.F. 51 , 2847 (2018).https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706 0.10 1.1 0.54 4.3 0.19 HPE
7 P (2eo-Mo) / Litfsi с r = 0,04 18 18. Q. Zheng, D.M. Pesko, B.M. Savoie, K. Timachova, A.L. Hasan, M.C. Smith, T.F. Miller, W. Coates, and N.P. Balsara, Macromolecules 51 , 21847 . https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706 6,9 × 10 −2 0.69 0.34 3.9 3.9 0.9 0.20 HPE
8 LLZO Диспергированы в PVDF-HFP 28 28. W. Zhang, J. Nie, F. Li, З. Л. Ван и С. Солнце, Nano Energy 45 , 413 (2018). https://doi.org/10.1016/j.nanoEn.2018.01.028 4.9 × 10 -2 0.11 0.16 0.16 0.31 MCPE
9 P (2EO-MO)/LiTFSI с r = 0.14 18 18. Q. Zheng, D.M. Pesko, B.M. Savoie, K. Timachova, A.L. Hasan, M.C. Smith, T.F. Miller, W. Coates, and N.P. Balsara, Macromolecules 51 , 2847 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.7b02706 3.9 × 10 -2 0.24 0.24 5.2 0.16 HPE
10 C8-DMC с 19,9 мас. % LiFSI 22,40 22. Д.Б. Шах, К.Р. Олсон, А. Карни, С.Дж.Mecham, J.M. DeSimone и N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes40. D. B. Shah, H. Q. Nguyen, L. S. Grundy, K. R. Olson, S. J. Mecham, J. M. DeSimone, and N. P. Balsara, Phys. хим. хим. физ. 21 , 7857 (2019). https://doi.org/10.1039/C9CP00216B 3.7 × 10 -2 5,5 × 10 -2 45 × 10 -2 0.23 0.81 -0,07 HPE
11 PMh3O/LiClO 4 25 25.F. Cai, X. Zuo, X. M. Liu, L. Wang, W. Zhai и H. Yang, Electrochim. Acta 106 , 209 (2013). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.05.079 2,4 × 10 -2 8.9 × 10 -2 0.11 3.4 0.23 GPE
12 C8-DMC с 5,84 масс. % LiFSI 22,40 22. Shah D.B., Olson K.R., Karny A., Mecham S.J., DeSimone J.M., Balsara N.P., J. Electrochem.соц. 164 , A3511 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0301714jes40. D. B. Shah, H. Q. Nguyen, L. S. Grundy, K. R. Olson, S. J. Mecham, J. M. DeSimone, and N. P. Balsara, Phys. хим. хим. физ. 21 , 7857 (2019). https://doi.org/10.1039/C9CP00216B 1.2 × 10 -2 8.5 × 10 -3 1.3 × 10 -2 9,0 × 10 -2 0,92 −0,97 HPE
13 Сшитый ПЭО/LiTFSI с TEGDME 26 26.L. Porcarelli, C. Gerbaldi, F. Bella и J.R. Nair, Sci. 6 ​​ , 19892 (2016). https://doi.org/10.1038/SREP19892 6,7 × 10 -3 0,110 1,5 × 10 -2 1.3 0,43 GPE
14 с боковыми цепями IL и LiTFSI 29 29. G. Yang, H. Oh, C. Chanthad, and Q. Wang, Chem. Матер. 29 , 9275 (2017). https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b03229 3,6 × 10 -3 0,120 0,10 27 4,0 × 10 -2
15 91 194 ПЭО / LiTFSI смешивается с PA-LiTFSI 27 27. Piszcz M., Garcia-Calvo O., Oteo U., Lopez del Amo J.M., Li C., Rodriguez-Martinez L.M., Youcef H.B., Lago N., Thielen J., Armand M. // Электрохим. Acta 255 , 48 (2017). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.09.139 2.2 × 10 -3 0.141 3.3 × 10 -3 0.64 0.61 MCPE
16 PFPE D10 -DMC с 9,1 мас. % LiTFSI 23 23. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and N.P. Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412 1,4 × 10 −3 4,8 × 10 −2 1.7 × 10 −3 0,14 0,88 MCPE
17 wtMCPE E10 % LiTFSI 23 23. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and N.P. Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412 9,1 × 10 −4 2,2 × 10 −2 2,7 × 10 19 9 −6 9 98 0.36 MCPE
181196 Смесь PEO / NA-CMC с NaClo 4 31 31. F. Colò, F. Белла, Дж. Р. Наир, М. Десте, и C. Gerbaldi , Электрохим. Acta 174 , 185 (2015). https://doi.org/10.1016/j.electacta.2015.05.178 3.0 × 10 -4 0.10 0.10 6,5 × 10 -2 210 410 × 10 -3 NaPE
19 PFPE D10 -Диол с 9.1 вес. % LiTFSI 23 23. M. Chintapalli, K. Timachova, K.R. Olson, SJ Mecham, D. Devaux, JM Desimone, and N.P. Balsara, Macromolecules 49 , 3508 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6b00412 7,4 × 10 -5 3.70 × 10 -2 7.9 × 10 -5 5,0 × 10 -2 0,95 MCPE
Хотя наш анализ сосредоточен на объемных свойствах электролита, мы признаем важность интерфейса электролит/электрод.Как межфазное сопротивление, так и стабильность интерфейса электролит/электрод влияют на эффективность электролита в батарее. Наш подход учитывает межфазное сопротивление [уравнение. (11)–(15)]. Однако ранжирование электролитов основано только на объемных свойствах.

VI. ОБСУЖДЕНИЕ

Раздел:

ВыберитеНаверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII. ТЕОРИЯIII. ДАННЫЕIV. ХАРАКТЕРИСТИКА Э…В. КОМПРЕСС МЕЖДУ УСЛОВИЯМИ… VI. ОБСУЖДЕНИЕ < ρ
+ и транспортными свойствами концентрированных электролитов количественно определяется уравнениями.(4)–(7). В Таблице III есть некоторые электролиты, для которых Ne мала (т. е. Ne ≤ 0,1), а другие, для которых Ne велика (т. е. Ne ≥ 10). В пределе малого Ne 11+Ne≈1−Ne и уравнение (3) сводится к чему означает, что эффективная проводимость электролита в стационарном состоянии незначительно снижается по сравнению с проводимостью при t = 0 + на коэффициент, равный (1 — Ne). Когда Ne велико, 1 + Ne ≈ Ne и уравнение. (3) можно комбинировать с уравнением. (4) и записывается как
iss=F2DcaRT1−t+02TfΔΦL. (18)
Неожиданный вывод из уравнения. (18) заключается в том, что существует класс ионных проводников, для которых связь между i ss и ΔΦ/ L не зависит от проводимости. Это ясно из уравнения. (4) что Ne можно уменьшить, либо уменьшая κ , уменьшая (1 − t+0) 2 , уменьшая T f , либо увеличивая D .В конечном счете, нам нужны малые значения Ne и большие значения κ : таким образом, уменьшение Ne за счет уменьшения κ нежелательно. С другой стороны, уменьшение (1 − t+0) 2 , уменьшение T f и увеличение D являются желательными путями увеличения ρ + . Очень мало публикаций, в которых измеряются t+0, T f и D . 2,14,17,41,42 2. Ю.Ma, M.Doyle, T.F.Fuller, M.M.Doeff, L.C.De Jonghe, and J.Newman, J. Electrochem. соц. 142 , 1859 (1995). https://doi.org/10.1149/1.204420614. I. Villaluenga, D.M. Pesko, K. Timachova, Z. Feng, J. Newman, V. Srinivasan и N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 165 , А2766 (2018). https://doi.org/10.1149/2.0641811jes17. D.M. Pesko, K. Timachova, R. Bhattacharya, M.C. Smith, I. Villaluenga, J. Newman и N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017).https://doi.org/10.1149/2.0581711jes41. L.O.Valøen and J.N.Reimers, J.Electrochem. соц. 152 , А882 (2005 г.). https://doi.org/10.1149/1.187273742. H. Lundgren, M. Behm и G. Lindbergh, J. Electrochem. соц. 162 , А413 (2015 г.). https://doi.org/10.1149/2.0961507jes В таблице III представлены значения t+0 в тех случаях, когда об этом сообщалось. Обратите внимание, что существует небольшое соответствие между ρ + и t+0. 17 17. Песко Д.М., Тимачева К., Бхаттачарья Р., М.C. Smith, I. Villaluenga, J. Newman и N. P. Balsara, J. Electrochem. соц. 164 , E3569 (2017). https://doi.org/10.1149/2.0581711jes Наше обсуждение было ограничено электролитами при малых приложенных потенциалах постоянного тока. Независимо от того, велика поляризация или мала, градиенты концентрации соли в клетке влияют на соотношение ток-напряжение. При больших градиентах потенциала, получаемых в практических батареях [рис. 1(c) и 1(d)], концентрационной зависимостью κ , D , t+0 и T f больше нельзя пренебрегать, и для упорядочения электролитов по рангу потребуются численные расчеты, описанные в исх.55. D.M. Pesko, Z. Feng, S. Sawhney, J. Newman, V. Srinivasan, and N.P. Balsara, J. Electrochem. соц. 165 , А3186 (2018). https://doi.org/10.1149/2.0231813jes и 3838. М. Дойл, Т. Ф. Фуллер и Дж. Ньюман, Электрохим. Acta 39 , 2073 (1994). https://doi.org/10.1016/0013-4686(94)85091-7.

VII. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Раздел:

ВыберитеНаверх страницыРЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕII. ТЕОРИЯIII. ДАННЫЕIV. ХАРАКТЕРИСТИКА Э…В. КОМПРЕСС МЕЖДУ УСЛОВИЯМИ… VI. ОБСУЖДЕНИЕVII.ЗАКЛЮЧЕНИЕ <<НОМЕНКЛАТУРА СПРАВОЧНЫЕ СТАТЬИ Транспорт ионов через бинарный аккумуляторный электролит определяется четырьмя параметрами, зависящими от концентрации: κ , D , t+0 и T f . При больших приложенных потенциалах, типичных для многих аккумуляторов, требуется точное знание этих четырех параметров и их зависимости от концентрации, чтобы предсказать взаимосвязь между i и ΔΦ/ L . Задача упрощается для малых приложенных потенциалов, где соотношение между i и ΔΦ/ L определяется двумя параметрами: κ и ρ + .Данные, полученные от симметричных ячеек с неблокирующими электродами, можно использовать для определения ρ + с использованием уравнений. (14) и (15). В принципе, κ можно определить с помощью либо блокирующих ( κ b ), либо неблокирующих электродов ( κ nb ). Наше изучение литературы выявило удивительное несоответствие между этими двумя измерениями, о которых сообщается в значительном количестве публикаций (см. Таблицу III). Когда обнаруживалось несоответствие, κ nb часто было значительно ниже, чем κ b , хотя для некоторых электролитов наблюдается противоположная тенденция.Хотя представленный здесь анализ основан на κ nb , вполне вероятно, что применимыми являются электролиты, в которых две проводимости находятся в пределах экспериментальной погрешности, то есть те, на которые не влияет контакт с интересующим щелочным металлом. Наш анализ ограничен публикациями, в которых были строго измерены как κ nb , так и ρ + . В идеале должны быть максимизированы как κ nb , так и ρ + .Однако между этими двумя параметрами, по-видимому, существует компромисс, в результате чего получается верхняя граница см -1 ), который аналогичен показанному Робсоном для связи между проницаемостью и селективностью в газоразделительных мембранах. Разработка полимерных электролитов, превышающих этот верхний предел, может позволить создать литиевые и натриевые батареи следующего поколения. В пределе малых приложенных потенциалов коэффициент пропорциональности между i и ΔΦ/ L для бинарных электролитов в стационарном состоянии равен произведению κ nb ρ + .Это соотношение аналогично закону Ома для электронных проводников. При сравнении характеристик электролита предпочтительным является электролит, для которого κ nb ρ + максимально. Мы используем этот принцип для ранжирования электролитов. Мы надеемся, что эта перспектива послужит руководством для количественной оценки эффективности будущих конструкций электролитов.

символ

A

площадь электрода (CM

2 )

A

Соль Стехиометрический коэффициент

C

Концентрация соли (моль CM -3 )

C 0 0 0

Концентрация растворителя (Mol CM -3 )

D

Ограниченный коэффициент диффузии соли (см 2 с -1 )

)

D0 +

коэффициент диффузии Стефана-Максвелла, описывающие взаимодействия между растворителем и катионом (CM 2 S -1 )

D0-

Коэффициент диффузии Стефана-Максвелла, описывающий взаимодействие между растворителем и анионом (см 2 с −1 )

D + — D + —

коэффициент диффузии Стефана-Максвелла, описывающие взаимодействия между катионом и анионом (CM 2 S -1 )

F

Constance (96 485 C MOL -1 )

I

Текущая плотность (мА см -2 )

I 0 5

Начальная плотность тока измеряется после поляризации в Δ V (мА см -2 )

I
I SS SS

плотность тока измеряется при устойчивом состоянии в ответ на δ V (мА см -2 )

iОм Начальная плотность тока рассчитана по закону Ома при t = 0 + , см. уравнение(14) (MA CM -2 ) L

M

Slope

м

Соль Моляция (моль кг -1 )

м Ne

Newman Number

P I

проницаемость видов i (моль·м −1 с −1 Па −1 )

R

универсальная газовая постоянная314 J Mol -1 K -1 K -1 )

R

Молярное соотношение катионов к оксигенам в электролите

R B

Массовое сопротивление Электролит, измеренный спектроскопией импеданса переменного тока (Ω)

R I I

Электрода между электролитом и неблокирующим электродом (Ω)

R I, 0

межфазное сопротивление, измеренное спектроскопией импеданса переменного тока непосредственно перед применением Δ V (Ом)

R i,ss

Ом)

T

температура (K)

9007 0 T
F

Термодинамический фактор

T

T + 0

Номер переноса катионов в отношении скорости растворителя

U U 0 0

Батарея Открытый потенциал (V)

Рабочее напряжение батареи (V)

x

Anion

Z +

Количество зарядов катион

Z

Число заряда Anion

.
Разное

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.