Плотность электролита в аккумуляторе: какая должна быть, как проверить, как поднять

Бортовая сеть автотранспортного средства объединяет в себе источники и потребители электроэнергии. АКБ и генератор выступают энергоисточниками, тогда как вторая группа включает в себя целый комплекс устройств и агрегатов. Среди них первостепенное значение имеют система зажигания и запуска, контрольно-измерительные приборы, сигнализация, лампы в фарах и габаритных огнях.

В электросети автомобиля также присутствует множество дополнительных приспособлений, обеспечивающих комфорт и безопасность водителя и пассажиров. К ним относятся подогрев стёкол и сидений, акустическая система, прикуриватель, GPS-навигатор, видеорегистратор и т.д.

В случае аварийного выхода из строя генератора или реле контроля напряжения именно аккумулятор берёт на себя поддержание работоспособности всех электропотребителей, сохраняя возможность безопасного передвижения автотранспорта до ближайшей станции техобслуживания. Также он стабилизирует напряжение в системе, когда двигатель длительное время работает на низких оборотах или холостом ходу, как это часто бывает при передвижении в городской черте.

На современном рынке автотоваров наибольшим потребительским спросом пользуется свинцово-кислотный АКБ, который нашёл самое широкое применение в транспортных средствах из-за своей надёжности, функциональности и высокой удельной мощности. Главными конструктивными элементами такого устройства являются шесть секций или попросту «банок», внутри которых находится блок свинцовых пластин.

Активной массой положительного электрода является диоксид свинца, а отрицательного – чистый свинец. Между ними расположены сепараторы, основное назначение которых заключается в разделении полублоков разной полярности и препятствии возникновению самозамыканий. Все электрохимические реакции протекают в водном растворе серной кислоты – электролите. Когда батарея разряжается, его плотность снижается из-за активного расхода кислотного агента и выделения молекул воды. При заряде происходит обратный процесс.

Когда следует проверять плотность электролита в АКБ?

Эксплуатация стартерной батареи должна сопровождаться систематическим мониторингом её состояния даже при безотказном и уверенном функционировании. Это связано с тем, что снижение резервного уровня электролита из-за утечки раствора или испарения воды приводит к увеличению кислотной концентрации. Данный фактор негативно сказывается на работоспособности и продолжительности эксплуатации АКБ.

Опытные автомеханики рекомендуют проверять техническое состояние аккумулятора каждые 15-20 тыс. км пробега. Также диагностику целесообразно провести, если он постоянно недозаряжается, плохо держит заряд или туго крутит стартер. Для этого необходимо:

• визуально осмотреть корпус на наличие трещин и подтёков;
• оценить уровень электролитической жидкости в банках, который должен возвышаться над верхним краем пластин на 1.2-1.4 см;
• измерить её плотность с помощью контрольно-измерительного прибора.

Нередко сниженный заряд может быть следствием ослабления ремня привода генератора. Поэтому автомобилисту нужно периодически проверять его натяжение и при необходимости производить регулировку, следуя инструкции по эксплуатации ТС.

Оптимальные показатели электролитической среды

Физико-химическое состояние электролита находится в прямой зависимости от двух параметров – это температура окружающей среды и степень заряженности АКБ. При повышении температурного порога возрастает удельный вес кислоты, а при понижении — падает. Поэтому перед проведением контрольно-измерительных мероприятий аккумулятор рекомендуется выдержать в течение нескольких часов при температуре +20-25 ℃.

Типовые климатические условия региона также оказывают непосредственное влияние на плотность электролитического раствора. Так, в районах с умеренным климатом ρ= 1.27-1.28 г/см3 соответствует 100% заряда, величина 1.21 г/см3 говорит о его снижении до 60%, а 1.18 г/см3 сигнализирует о необходимости подзарядки. Измерения производятся при нормальном уровне реагента над пластинами.

В северных регионах оптимальной считается плотность электролита, равная 1.29-1.30 г/см3, а в субтропическом поясе – 1.23-1.25 г/см3. Измерение данного параметра с целью определения необходимости корректировки производится только у полностью заряженного устройства, иначе полученные результаты будут некорректными.

Алгоритм проверки плотностного состояния электролита

Определение плотности электролита осуществляется при помощи такого приспособления, как ареометр. Перед началом измерительных процедур автовладельцу следует проверить уровень спецжидкости в каждой секции АКБ и при необходимости произвести его корректировку деминерализованной водой. После этого аккумулятор необходимо полностью зарядить и по прошествии 2-3 часов приступать к тесту. Алгоритм его проведения состоит из следующих шагов:

1. установить устройство на ровную поверхность;
2. вывернуть пробку заливного отверстия на его крышке;
3. погрузить в раствор ареометр и втянуть жидкость резиновым наконечником на его противоположном конце;
4. набрать количество реагента, достаточное для свободного перемещения поплавка;
5. определить уровень плотности в соответствии с информацией на шкале;
6. записать результат и повторить манипуляции с оставшимися банками;
7. сопоставить полученные данные с нормированными значениями.

Значение плотности должно быть одинаковым во всех элементах, допускается отклонение на ±0.01. Если проведённый замер показал понижение плотности в одной из ячеек на 0.10-0.15, то это говорит о наличии дефекта или короткого замыкания между пластинами. Одинаково низкая плотность во всех блоках связана с глубоким разрядом аккумулятора, его сульфатацией или сильным износом, что влечёт за собой падение напряжения в сети и затруднённый пуск ДВС.

У необслуживаемых стартерных батарей есть особый встроенный индикатор. Если он показывает зелёный цвет, то это говорит о 100%-ном заряде АКБ, а чёрный – о необходимости его подзарядки. Бело-жёлтый или красный оттенок обычно соответствуют очень низкому уровню электролита.

Плотность электролита и зимние холода

Данная величина носит относительный характер, поэтому при смене времён года она не должна подвергаться каким-либо изменениям. Автомобилисту нужно лишь следить за тем, чтобы она не отклонялась от рекомендуемого значения, а также производить стабилизацию при обнаружении отклонений.

Производители стартерного оборудования считают недопустимым использование в зимний период устройств с 25%-ной потерей заряда, т.е. плотность электролитической среды которых составляет 1.24 г/см3. Данный факт обусловлен предотвращением возможности обледенения ячеек аккумулятора и снижением вредоносного воздействия глубокого разряда, вызванного саморазрушением активной массы пластин.

Продолжительная эксплуатация аккумулятора с пониженной плотностью в морозы приводит к снижению электродвижущей силы, затруднённому пуску двигателя, образованию льда и разрушению свинцовых пластин. Доливать деминерализованную воду с целью восстановления уровня реагента над блоками следует прямо перед выездом на улицу, либо при стационарной подзарядке батареи. Это исключает вероятность замерзания долитой воды до того, как она успеет перемешаться с холодным электролитом.

Как поднять плотность электролита?

Каждый водитель может своими силами повысить плотность электролита в АКБ автомобиля, не обращаясь к мастерам сервисного центра. Первым делом нужно подготовить необходимые расходные материалы, среди которых деминерализованная вода, аккумуляторная кислота или уже готовый электролитический раствор, а также средства индивидуальной защиты для глаз и кожного покрова. Кроме того, следует обзавестись следующим оборудованием для работы: ареометром, спринцовкой, стеклянной ёмкостью, мерным стаканом и воронкой.

Снятый с автомобиля аккумулятор помещается на устойчивую поверхность, а пробки его заливных отверстий аккуратно откручиваются. Далее максимальный объём реагента выкачивается из банок и сливается в заранее подготовленный резервуар. Набирать нужно как можно больше вещества, измеряя его объём мерным стаканом, чтобы затем долить идентичное количество нового.

Лучше использовать самостоятельно разведённый раствор с плотностью немного выше расчётной для текущего климатического режима. При его приготовлении кислота добавляется в воду, обратный порядок смешения может вызвать серьёзные термические повреждения.

Сперва свежий электролит заполняет только ½ объёма, что был откачан. Затем АКБ нужно слегка встряхнуть из стороны в сторону, чтобы оставшаяся жидкость и новая перемешались. Если после замера плотностное значение не отвечает норме, добавляем ещё половину от оставшегося в ячейке объёма. Действия повторяются до полной стабилизации плотности, остаток доливается деминерализованной водой по уровню.

Как можно заметить из приведённой выше информации, работать с электролитом не представляет особой сложности, если выполнять все манипуляции по инструкции и соблюдать установленные меры предосторожности.

Условия эксплуатации автоаккумуляторов

1. Указание мер безопасности.

1.1. Заряд батареи производите в помещении, оборудованном приточно-вытяжной вентиляцией.
1.2. Во время заряда и обслуживания аккумуляторных батарей запрещается курить и пользоваться открытым пламенем.
1.3. Для приготовления электролита применяйте стойкую к действию серной кислоты посуду (керамическую, эбонитовую, освинцованную), в которую заливайте сначала воду, а затем при непрерывном помешивании серную кислоту. Вливать воду в концентрированную серную кислоту запрещается во избежание несчастного случая.
1.4. При приготовлении электролита и заливке батарей надевайте очки, резиновые перчатки, резиновые сапоги, фартук или костюм из кислотостойкого материала.
1.5. При случайном попадании брызг серной кислоты на кожу немедленно, до оказания медицинской помощи, осторожно снимите кислоту ватой, промойте пораженные места обильной струей воды и затем 5% раствором кальцинированной соды или аммиака.

1.6. При работе с металлическим инструментом не допускайте коротких замыканий одновременным прикосновением к разнополярным выводам аккумулятора.

2. Приведение в рабочее состояние сухозаряженных аккумуляторов.

2.1. Снять блок пробок.
2.2. Залить батарею электролитом.
2.3. Залить каждый элемент до требуемого уровня электролитом (метки уровня указаны на тыльной стороне АКБ), имеющим плотность при температуре 25 С: (1,28+-0,01) г/см3 для батарей «нормального исполнения», (1,23+-0,01) г/см3 для батарей «тропического исполнения».
2.4. Электролит для заливки батарей готовьте из серной кислоты (ГОСТ667-73 сорт высший или первый) и дистиллированной воды (ГОСТ 6709-72). Плотность электролита измеряйте ареометром аккумуляторным ГОСТ 18481-81.
2.5. Температура электролита должна быть не выше 30 С. Не рекомендуется заливать батареи электролитом ниже 15 С.

Примечание: при повышении температуры на 1 С, плотность электролита уменьшается на 0,0007 г/куб.см, а при понижении температуры плотность увеличивается. Исходной считается температура 25 С.
Операции приведения в рабочее состояние должны производиться при температуре 25 +/- 10 С.
После заливки электролита через 20 минут проверить напряжение батареи без нагрузки. Если напряжение не менее 12.5 вольт, АКБ готова к работе. Если напряжение менее 12.5 вольт, но более 10.5 вольт АКБ необходимо подзарядить до напряжения, указанного изготовителем. При напряжении менее 10,5 вольт аккумулятор бракуется.

3. Заряд батареи.

3.1. Присоединить батарею к источнику постоянного тока, соединяя положительный полюсной вывод с положительным зажимом источника и аналогично, отрицательный полюсной вывод с отрицательным зажимом источника тока.
3.2. Заряжать током равным 10 % номинальной емкости батареи (5,5 А для 6СТ55, 6,6 А для 6СТ66 и т.д.).
3.3. Время зарядки ориентировочно до начала газовыделения. Плотность электролита после зарядки должна быть 1.27+/-0,01 г/куб.см, напряжение на клеммах не ниже 12,6 вольт.

4. Приведение в рабочее состояние залитых батарей.

Измерить плотность и напряжение, которые должны быть не ниже 1,27 г/куб. см и 12,6 вольт соответственно.
Если напряжение и плотность не соответствуют указанным в п. 3.3., АКБ необходимо зарядить до плотности 1.27 г/куб.см.
4.1. Снять блок пробок.
4.2. Заряд АКБ производить согласно пункту 2.5.

5. Техническое обслуживание.

Не реже одного раза в две недели:
5.1. Проверяйте надежность крепления батареи в гнезде и плотность контакта наконечников проводов с выводами батареи, при необходимости снимите оксидную пленку с выводов.
5.2. Чистите батарею от пыли и грязи. Попавший на поверхность батареи электролит вытирайте ветошью, смоченной в растворе аммиака или кальцинированной соды (10%). Прочистите вентиляционные отверстия.
5.3. При падении уровня электролита ниже отметки min на корпусе батареи доводите его до нормы дистиллированной водой непосредственно перед запуском двигателя для быстрого перемешивания с электролитом.
5.4. В зимнее время, особенно при температуре воздуха ниже -30 С, а также в случаях ненадежного запуска двигателя, периодически проверяйте плотность электролита. Не оставляйте на морозе частично разряженную батарею. При эксплуатации батареи при температуре ниже 30 С, плотность электролита в ней должна быть 1.30 г/куб.см.
5.5. Периодически следите за тем, как происходит зарядка батареи во время работы двигателя автомобиля.

Примечание: Неисправности в реле-регуляторе двигателя автомобиля влияют на качество и работоспособность батареи. Если напряжение генератора будет чрезмерно, высоким может произойти перезаряд батареи. Признаками этого являются: преждевременное разрушение аккумуляторных пластин (электродов) и, как следствие, быстрое уменьшение фактической емкости батареи и сокращение срока ее службы. При перезарядке резко снижается уровень электролита. Недостаточное напряжение генератора, особенно при эксплуатации при низких температурах, может привести к недозарядке батареи и ухудшению ее стартерных свойств. Напряжение, поступающее от генератора двигателя на аккумуляторную батарею должно быть 13,8-14,4 В.

5.6. Доливать электролит в батарею разрешается только в случае, если произошло его выплескивание из АКБ.
5.7. Пуск стартера производить короткими включениями, но не более чем на 15 секунд. Езда при помощи стартера не допускается.
5.8. При перерывах в эксплуатации батареи свыше одного месяца производить подзарядку АКБ.
5.9. Батареи, временно снятые с машин хранить только в заряженном состоянии. Благоприятная температура хранения — от 0 С до — 10 С, но не ниже — 30 С.
5.10. Если батарея находится в периоде «бездействия» при положительных температурах необходимо заряжать ее раз в месяц, при отрицательных, только в случае, если падение плотности электролита более чем на 0,04 г/куб.см. В таком состоянии батареи могут находиться при положительных температурах не более 9 месяцев.

Советы по обслуживанию и эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей

По статистике примерно 20-30% неисправностей автомобиля относятся к неисправностям в электрооборудовании. Именно аккумуляторная батарея является сердцем системы электрооборудования, и именно от нее зависит работа всей системы. Долговечность и исправность работы аккумулятора зависит не только от его качества изготовления и применяемой при его производстве технологии, но и от правильного и своевременного ухода.

В первую очередь, аккумулятор должен быть чистым, потому, что грязь, скопившаяся на его поверхности, неминуемо приведет к повышенному саморазряду батареи. По этой причине при обслуживании аккумулятора его поверхность нужно протереть 10% раствором соды или нашатырного спирта, после чего вытереть насухо чистой ветошью.

Не забывайте регулярно прочищать вентиляционные отверстия в пробках аккумулятора, так как во время его заряда выделяются газы, и им нужно обеспечить свободный выход. Кстати выделяющиеся газы, перемешиваясь между собой, образуют гремучий газ, поэтому очень опасно находится возле аккумулятора с источником открытого пламени, особенно если в это время аккумулятор заряжается.

Периодически нужно очищать контактные штыри аккумулятора и клеммы. После пробега каждых 2 000 км. нужно проверять уровень электролита в банках аккумуляторной батареи. Если уровень электролита ниже нормы, нужно долить в банки дистиллированную воду, но, ни в коем случае не электролит, потому, что испаряется именно вода, а кислота остается в электролите, в результате чего ее концентрация увеличивается.

Для проверки степени заряженности аккумуляторной батареи периодически нужно проверять плотность электролита в каждой банке. Делают это с помощью специального прибора – кислотомера. При проверке плотности, наконечник кислотомера вставляют в заливное отверстие аккумулятора, погружают его в электролит, и с помощью резиновой груши засасывают электролит. Внутри колбы располагается специальный поплавок, который может погружаться на различную глубину, в зависимости от плотности электролита. На поплавке нанесены деления, по которым и определяется плотность. Чтобы измерения были точными нельзя измерять плотность, если электролит «кипит» (во время заряда), или если он горячий. Нормальной считается плотность электролита 1, 28 гсм. при температуре + 25˚С. Понижение плотности от нормы на 0,01 г/см, соответствует разряду аккумулятора на 6%.

Часто причиной выхода из строя аккумулятора является сульфатация пластин. Такое происходит, если эксплуатировать аккумулятор с низким уровнем электролита, а также, если аккумулятор долго был разряженным, или не полностью заряженным. Небольшую сульфатацию можно устранить несколькими циклами заряда и разряда аккумулятора. Доверять эту работу лучше специалистам, так как здесь много тонкостей. Если аккумулятор сильно сульфатирован, то восстановить его работоспособность вообще невозможно – его нужно менять.

Причина замерзания электролита в АКБ

О состоянии заряженности стартерной АКБ однозначно можно судить по величине плотности электролита и НРЦ в состоянии покоя.

НРЦ заряженной батареи равно 12,7-12,9 В, а в разряженном не более 12,0 В.

Глубокий разряд батареи при эксплуатации может произойти при наличии неисправности в системе электрооборудования. При этом напряжение 12-вольтовой батареи может снизиться до 6 В и даже ниже. Чем глубже разряд, тем ниже плотность электролита. Количество активной массы и электролита сбалансированы для получения заданной емкости АКБ. Поэтому в конце разряда плотность электролита снижается до значения 1,08-1,10 г/см³. Из рис. 1 видно, что электролит полностью заряженной батареи (1,28 г/см³) замерзнет при температуре минус 65°С, а полностью разряженной (1,10 г/см³) уже при минус 7°С. Это значит, что при нормальной для России зимней погоде (до минус 30°С) может замерзнуть электролит у батареи, разряженной на 45-50% (1,19— 1,20 г/см³). Поэтому изготовители батарей считают недопустимой эксплуатацию батарей со степенью заряженности ниже 75% (плотность электролита 1,24 г/см³ или НРЦ 12,6 В).

Рис.1 Зависимость температуры замерзания электролита от его плотности

Поэтому можно однозначно утверждать, что образование льда во всех или нескольких ячейках батареи говорит о том, что АКБ в процессе эксплуатации разрядилась значительно ниже уровня, допустимого согласно инструкции по эксплуатации. Причинами низкой заряженности могут быть:

— неисправности генератора, регулятора напряжения,

— замыкания в проводке,

— большой отбор мощности нештатным оборудованием и т.п.

Если же замерзает электролит только в одной из шести ячеек АКБ, это говорит о том, что именно в этой ячейке, вероятно, имеется короткое замыкание разноименных пластин, которое приводит к саморазряду данного аккумулятора. При этом в остальных ячейках электролит не замерзает, его плотность остается нормальной. Если это происходит во время гарантийного срока, значит, причиной замыкания является дефект. Поэтому такая батарея должна быть предъявлена в сервисный центр или продавцу для установления вида дефекта с целью замены на новую исправную батарею. При холодной погоде (температура значительно ниже нуля) доливать дистиллированную воду в АКБ для восстановления уровня электролита в ячейках следует только перед выездом автомобиля или во время заряда от стационарного устройства. Это исключит замерзание доливаемой воды до того как она успеет перемешаться с холодным электролитом.

Приготовление электролита для аккумуляторных батарей

Какова зависимость плотности электролита от климатической зоны?

Электролит приготовляется путём разведения аккумуляторной серной кислотыплотностью 1,83-1,84 г/см3 (ГОСТ 667–73) в дистиллированной воде с допустимыми примесями.

Химическая чистота электролита оказывает существенное влияние наработоспособность и срок службы батарей. Загрязнение электролита такими вредными примесями, как железо, марганец, хлор и другие, приводит к повышенному саморазряду батарей, снижению отдаваемой ёмкости, разрушению электродов ипреждевременному выходу батареи из строя. Поэтому для приготовления электролита запрещается применять техническую серную кислоту и загрязненную (недистиллированную) воду. При приготовлении электролита, приведении батарей в рабочее состояние и техническом обслуживании батарей в процессе эксплуатациинеобходимо пользоваться только специальной посудой (стойкой к действию серной кислоты) и соблюдать чистоту.

В исключительных случаях при отсутствии дистиллированной воды для приготовления электролита допускается использование снеговой или дождевой воды, предварительно профильтрованной через чистое полотно для очистки от механических загрязнений. Нельзя собирать воду с железных крыш и в железные сосуды.

Электролит следует готовить в стойкой к действию серной кислоты посуде (эбонитовой, фаянсовой, керамической и т.п.), соблюдая при этом особую осторожность и правила техники безопасности. Применение железной, медной или цинковой посуды категорически запрещается!

Аккумуляторные батареи в зависимости от климатической зоны заливаются электролитом, имеющим плотность, указанную в графе 4 таблицы №1: «Плотность электролита при приведении аккумуляторных батарей в рабочее состояние с учётом климатических зон». Электролит требуемой плотности может быть приготовлен непосредственно из кислоты плотностью 1,83-1,84 г/см3 и дистиллированной воды. Однако при непрерывном вливании кислоты в воду происходит сильный разогрев раствора (80-90°C) и требуется длительное время для его остывания. Поэтому для приготовления электролита требуемой плотности более удобно применять раствор кислоты промежуточной плотности 1,40 г/см3, так как в этом случае значительносокращается время охлаждения электролита.

Раствор серной кислоты плотностью 1,40 г/см3, приведённой к 25°C, должен готовиться заранее и после охлаждения храниться в стеклянной или полиэтиленовой посуде.

Количество воды, кислоты или её раствора плотностью 1,40 г/см3, необходимое для приготовления 1 л электролита, указано в таблице №2: «Количество дистиллированной воды, кислоты или её раствора плотностью 1,40 г/см3, необходимое для приготовления 1 л электролита требуемой плотности при температуре 25°C».

Таблица №1:
Плотность электролита при приведении аккумуляторных батарей в рабочее состояние с учётом климатических зон

Климатические зоны и районы	Средняя месячная температура воздуха в январе, °C	Время года	Плотность электролита, приведённая к 25°C, г/см3
			заливаемого	полностью заряженной батареи
1	2	3	4	5
очень холодная	от –50 до –30	зима	1,28	1,30
		лето	1,24	1,26
холодная	от –30 до –15	круглый год	1,26	1,28
умеренная	от –15 до –4	круглый год	1,24	1,26
тёплая и влажная	от +4 до + 6	круглый год	1,20	1,22
жаркая	от –15 до +4	круглый год	1,22	1,24

Примечание: Допускаются отклонения плотности электролита на ±0,01 г/см3.

Расчёт проводится в такой последовательности: определяется общий объём электролита для заливки нужного числа батарей, затем подсчитывается количество дистиллированной воды и раствора кислоты плотностью 1,40 г/см3, нужное для приготовления электролита заданной плотности для заливки всех батарей.

Таблица №2:
Количество дистиллированной воды, кислоты или её раствора плотностью 1,40 г/см3, необходимое для приготовления 1 л электролита требуемой плотности при температуре 25°C

Требуемая плотность электролита, г/см3	Количество воды, л	Количество серной кислоты плотностью 1,83 г/см3		Количество воды, л	Количество раствора серной кислоты плотностью 1,40 г/см3, л
		л	кг
1,20	0,859	0,200	0,365	0,547	0,476
1,21	0,849	0,211	0,385	0,519	0,500
1,22	0,839	0,221	0,405	0,491	0,524
1,23	0,829	0,231	0,424	0,465	0,549
1,24	0,819	0,242	0,444	0,438	0,572
1,25	0,809	0,253	0,464	0,410	0,601
1,26	0,800	0,263	0,484	0,382	0,624
1,27	0,791	0,274	0,503	0,357	0,652
1,28	0,781	0,285	0,523	0,329	0,679
1,29	0,772	0,295	0,541	0,302	0,705
1,31	0,749	0,319	0,585	0,246	0,760

Примечания:
1). Если требуется приготовить электролита больше или меньше одного литра, необходимо взять количество воды и кислоты или раствора, кратное или долевое к указанному в таблице. Например, для приготовления 5 л электролита количество воды и кислоты, приведённое в таблице, нужно умножить на 5, а для приготовления 0,5 л – умножить на 0,5.
2). Аккумуляторная серная кислота учитывается на складах и выдаётся потребителям не в литрах, а в килограммах, поэтому при составлении заявки и получении кислоты со склада надо знать потребное её количество в килограммах. Можно также определить нужное количество кислоты в килограммах, умножив рассчитанное её количество в литрах на 1,83.
При возникновении сомнений относительно температуры замерзания электролита обратитесь к таблице №3

Таблица №3:
Температура замерзания электролита

Плотность электролита при 25°C, г/см3	Температура замерзания, °C	Плотность электролита при 25°C, г/см3	Температура замерзания, °C
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

Заливка батарей электролитом

Температура электролита, заливаемого в аккумуляторные батареи, должна быть не выше 30°C и не ниже 15°C. Непосредственно перед заливкой электролита вывёртывают вентиляционные пробки и удаляют детали или элементы пробки, герметизирующие вентиляционные отверстия. Если в горловине под пробкой имеется герметизирующий диск, его необходимо удалить. Затем постепенно, небольшой струёй заливают электролит до тех пор, пока поверхность электролита не коснётся нижнего торца тубуса горловины крышки.

Завышенная плотность электролита приводит к снижению срока службы аккумулятора.
Заниженная плотность электролита приводит к снижению ЭДС и затруднению пуска двигателя, а также к повышению опасности замерзания электролита в зимний период эксплуатации.

АКБ зимой – ответы на вопросы

Зима пришла – и как обычно, снова «неожиданно». Поэтому на повестку дня (опять же «неожиданно») встали вопросы автовладельцев по поводу стартерных аккумуляторных батарей. Мы собрали эти «зимние» вопросы, проанализировали – и постараемся на них ответить. Итак.

Почему АКБ замерзает?

С наступлением холодов в лаборатории начинают обрывать телефон с одним вопросом:

«У меня в аккумуляторе лед! Скажите, это ведь производственный брак?». Причем простой ответ: «Нет, это ваша небрежность» спрашивающих почему-то не удовлетворяет.

Поэтому разъясняю подробно. Дело в том, что процессы зарядки батарей связаны с изменением содержания серной кислоты в аккумуляторе. При разрядке серная кислота участвует в токообразующей реакции, и ее количество в электролите уменьшается. С этим и связано снижение плотности электролита, что, в свою очередь, меняет его физические свойства.

Проще говоря, чем глубже разряжена аккумуляторная батарея (а значит, концентрация кислоты в электролите меньше), тем вероятнее образование льда даже при слабом морозе.

Кстати, это справедливо для батарей любого исполнения – поэтому особенно важно контролировать состояние заряженности АКБ в зимнее время. Правда, общие крышки в батареях без пробок мешают это сделать.

Николай Курзуков считает, что прежде всего необходимо замерять плотность электролита в АКБ

Восстанавливается ли батарея после того, как в ней замерз электролит?

Далее обычно следует второй вопрос: «Как быстро она оттает, и будет ли потом работать?».

Прежде всего, никогда не оставляйте разряженную АКБ в автомобиле и тем более на морозе! Но если такое произошло и в банках батареи электролит застыл (в результате чего образовался лед), то ее надо выдерживать в теплом помещении не менее суток. И только после полного растаивания льда можно приступать к зарядке.

Дело в том, что попытка заряда АКБ с нерастаявшим льдом внутри банок приводит к тепловому повреждению верхней части сепараторов. И в поврежденных местах при последующей работе батареи происходит прорастание шунтирующих соединений, в свою очередь, приводящих к короткому замыканию блока.

Запомните: льдом повреждается активная масса положительных и отрицательных пластин: они расслаиваются, и образуются зазоры. И в этом случае у АКБ остается только один путь – на утилизацию.

В аккумуляторной лаборатории зимой начинается аврал

АКБ при заряде была переполюсована. Сохранит ли она работоспособность?

Ответственные автовладельцы в преддверие холодов снимают батарею и ставят ее на зарядку. Но при этом они могут совершить (и часто совершают!) серьезную ошибку – путают местами провода зарядного устройства.

Неправильное соединение проводов зарядного устройства к полюсным выводам АКБ после глубокого разряда, когда НРЦ («напряжение разомкнутой цепи» – если не вдаваться в подробности, оно обычно равно всем знакомой ЭДС) близко к нулю, приводит к переполюсовке батареи. То есть положительные пластины становятся отрицательными, а отрицательные – положительными.

После такого заряда батарею нельзя подключать к бортовой сети автомобиля: электронное оборудование и диодный мост генератора выйдут из строя. Про горсть перегоревших предохранителей уже не говорю.

Можно, конечно, выбросить переполюсован-ную АКБ и отправиться в магазин за новой. Но можно и попытаться восстановить работоспособность старого аккумулятора.

Укладка сепаратора в АКБ была проведена с нарушением формы конверта

Что делать в такой ситуации?

1. АКБ вновь разрядить – и как можно глубже, чтобы переполюсованные электроды имели разряженную активную массу (сульфат).

2. Провести зарядку с соблюдением полярности АКБ, заданной при ее производстве. Надо пояснить, что процесс зарядки будет длительным.

3. Провести стартерный разряд током 0,3-0,4 EN до 8,0-9,0 В при комнатной температуре.

4. Выполнить полный заряд АКБ с контролем уровня и плотности электролита по банкам. Если в конце заряда отклонений плотности электролита более 0,2-0,3 г/см3 не было, а сам электролит светлый – АКБ будет работать. Если нет, то все – надо менять батарею.

Повреждение сепаратора — пример брака, приведшего к короткому замыканию блока

И напоследок – самый часто встречающийся вопрос, который не зависит от времени года. Стартерная АКБ утратила пусковые свойства, причем зарядом ее работоспособность не восстанавливается. Пробок у батареи нет. Что делать в гарантийный срок?

Владелец пытается зарядить глубоко разряженную батарею, а она не заряжается, т.е. при подключении к автоматическому ЗУ «не берет» заряд. Что это – производственный дефект или неправильная эксплуатация? Ведь пробок на крышке нет, а значит, нет и возможности замерить плотность электролита в банках.

Вопрос важный: ведь ответ определит, кто будет платить за новую батарею. И он не так уж и прост.

Если батарея еще на гарантии – ее надо предоставить на проверку в лабораторию вместе с гарантийным талоном, так как для принятия решения о дефектности батареи специалисту лаборатории необходимо уточнить немало фактов:

• Когда АКБ была изготовлена (код на АКБ)?

• Когда она была куплена владельцем (запись в гарантийном талоне)?

• На каком автомобиле и сколько эксплуатировалась?

• Были ли отказы у АКБ ранее и проводились ли подзаряды?

• Когда наступил отказ (последний)?

После взрыва и полного разрушения крышки АКБ: сепараторы имеют следы низкого уровня залитого электролита в блокахТепловое повреждение сепараторов. Глубоко разряженную и застывшую (со льдом в банках) АКБ заряжали без отогрева. Такое повреждение возможно и после «прикуривания» в зимнее времяАКБ взорвалась после двенадцати дней работы на автомобиле. Причина — недолив электролита на заводе и отсутствие контроля со стороны автовладельца

После выяснения этих фактов осматривается целостность корпуса батареи – нет ли прокола, через который электролит вытек.

Замеряется значение НРЦ (ЭДС): этот показатель дает специалисту информацию – надо ли применять нагрузочную вилку.

Далее отмечается цвет индикатора. Он извлекается, и в этой банке замеряются плотность электролита и его уровень над блоком пластин.

Плотность электролита банки сопоставляется с величиной НРЦ: если плотность высокая, а НРЦ имеет низкое значение – значит, надо искать банку с низкой плотностью электролита. Если же его плотность в банке с индикатором низкая – возможно, что АКБ глубоко разряжена, а дефекта в батарее нет.

Сверления в крышке над каждой банкой по узнаваемым кружочкам позволяют замерить уровень и плотность электролита в каждой банке. И принятие дальнейших мер по этой батарее возможно только после измерения плотности электролита во всех шести банках.

Возможно, это будет направление на заряд с проверкой плотности электролита в процессе заряда. А после отдыха (отгазовки) в течение 8-10 часов батарею проверяют на разрядном стенде током 0,6 EN.

Сверления запаивают пластмассой с помощью паяльника. Возможные дефекты в АКБ (разрыв цепи внутри батареи, короткое замыкание в какой-либо банке) будут выявлены при заряде, а также при последующем разряде.

Вскрытие и осмотр деталей дефектной банки позволяют установить происхождение дефекта, а значит, понять, страховой это случай или нет. Исправная (т.е. без производственных дефектов) АКБ возвращается ее владельцу, который возмещает затраты лишь на заряд.

Если же батарея имела производственный дефект, владелец может получить официальное заключение, с которым и отправится затем в магазин…

• Николай Курзуков, научный сотрудник аккумуляторной лаборатории ФГУП НИИАЭ

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе? Как заменить электролит в аккумуляторе? Что такое «плотность аккумулятора»?

Аккумуляторные батареи автомобилей созданы не только для пуска двигателя, но и для питания электрических приборов машины в тот момент, когда зажигание выключено. По невнимательности водитель с легкостью может забыть о включенных в автомобиле фарах или работающей магнитоле, громкость которой сведена к нулю. Вернувшись к машине на следующий день, можно обнаружить, что она не заводится, и причина тому севший источник питания. Завести машину при разряженном аккумуляторе можно, но через раз-два экстренные методы запуска двигателя начинают надоедать, и явно возникает необходимость вернуть в рабочее состояние аккумулятор.

«Плотность аккумулятора» или соотношение серной кислоты и воды в электролите

В простонародье распространен такой термин как «плотность аккумулятора». По сути, он является ошибочным, поскольку никто не измеряет плотность непосредственно источника питания. Любой автомобильный любитель скажет, что под понятием «плотность аккумулятора» подразумевается плотность электролита, который залит в батарею. Именно от того какой плотности электролит находится в аккумуляторе, зависит его возможность заряжаться и сохранять накопленную энергию.

Если аккумулятор разрядился по невнимательности водителя или другим причинам, следует попробовать вернуть ему работоспособное состояние при помощи зарядного устройства. Перед тем как заряжать аккумулятор, в него доливают дистиллированную воду, которая могла испариться в процессе работы источника питания. Вода в аккумуляторе смешивается с готовым электролитом, что приводит к понижению его плотности, то есть к уменьшению процентного содержания серной кислоты в итоговом растворе. Через некоторое время плотность электролита в аккумуляторе, из-за постоянного разбавления его дистиллированной водой, снижается, и опускается ниже комфортного уровня. Эксплуатация батареи становится невозможно, и в таких ситуациях возникает необходимость в повышение плотности электролита в аккумуляторе.

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе самостоятельно?

Плотность аккумулятора, а если говорить точнее, то электролита в нем, повысить можно довольно просто без обращения к специалистам сервисного центра. Первым делом необходимо провести ряд подготовительных процедур:

• Подготовьте емкости, которые понадобятся для слива части старого электролита из аккумулятора;
• Обзаведитесь средствами личной защиты – перчатки, очки, одежда (которую не страшно испортить). Помните: Электролит аккумулятора частично состоит из серной кислоты, которая опасна, и при попадании на кожу способна вызвать ожог, а одежду серьезно испортить;
• Возьмите инструменты, которые понадобятся, чтобы поднять плотность электролита в аккумуляторе: ареометр, клизма-груша, мерный стакан, воронка;
• Купите необходимые расходные материалы: дистиллированная воды, аккумуляторная кислота или готовый электролит.

Чтобы поднять плотность электролита в аккумуляторе, придется самостоятельно полностью заменить весь электролит, который уже залит в батарею, на новый раствор. Сделать это довольно просто, если выполнять все по инструкции и соблюдать необходимые меры предосторожности.

Как поменять электролит в аккумуляторе?

Большинство современных аккумуляторов выпускаются разборными, и они предусматривают возможность замены электролита самостоятельно. Неразборные аккумуляторы – большая редкость, и в них нельзя при необходимости отвинтить пробки для удаления старого электролита и заливки нового. При желании можно залить электролит и в неразборную батарею, но для этого необходимо в каждой банке с помощью сверла проделать отверстие. После замены электролита на место отверстий напаивается пластмасса, и аккумулятор вновь становится рабочим.

Сам процесс замены электролита довольно простой, и он состоит из следующих пунктов:

1. Первым делом необходимо снять аккумулятор с автомобиля и найти подходящее место для замены электролита в нем и зарядки;
2. Далее необходимо снять защиту с аккумулятора, если она имеется, и открутить пробки с банок;
3. После этого берем клизму-грушу и вставляем ее конец в одну из банок аккумулятора. Пользуясь данным резиновым прибором, выкачиваем из аккумулятора старый электролит и сливаем его в заранее подготовленную емкость. Внимание: Ни в коем случае не выливайте электролит на землю, если вы выполняете работы на улице;
4. Выкачав практически весь старый электролит из всех банок, необходимо почистить пластины аккумулятора от его остатков. Сделать это можно с помощью дистиллированной воды, которая не вызовет внутри аккумулятора нежелательные реакции. Для этого дистиллированную воду заливают в каждую банку аккумулятора, после чего его поднимают и трясут. Хорошо удерживайте аккумулятор, чтобы в процессе тряски он не выпал. После этого сливаем получившийся раствор.

Стоит отметить, что некоторые автолюбители рекомендуют для «чистоты» будущего электролита в батарее не только промыть ее дистиллированной водой, но и использовать различные растворы. К примеру, рекомендуется залить в батарею раствор воды с содой и оставить его там на 4 часа. После этого также рекомендуется заливать на час в аккумулятор раствор поваренной соли.

5. Очистив банки аккумулятора от старого электролита, необходимо залить в него новый. Хорошо, если вы приобрели готовый электролит в магазине, тогда достаточно залить его с помощью воротки до указанных граней в каждую банку. В случае если у вас аккумуляторная кислота и дистиллированная вода, требуется предварительно сделать раствор электролита с плотностью в 1,27-1,28 грамм на сантиметр кубический;
6. После этого закрываем банки и начинаем процесс зарядки аккумулятора;
7. Сменив электролит в батарее, необходимо выполнять процесс заряда батареи по циклу «зарядка-разрядка» с силой тока не более 0,1 Ампер до тех пор, пока плотность аккумулятора (плотность электролита) не достигнет рабочих значений. Внимание: Зарядку можно окончить и начать использовать аккумулятор только после того как на концах клемм аккумулятора удастся замерить 14 Вольт.

Если вы решили поменять электролит в аккумуляторе самостоятельно, настоятельно рекомендуем соблюдать все меры предосторожности. Кислотная среда, которой является электролит, вредна не только при попадании на кожу, но и в дыхательные пути. Менять электролит следует исключительно в хорошо проветриваемых помещениях с предельной осторожностью.

Загрузка…

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Свинцово-кислотные батареи

| PVEducation

5 свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи являются наиболее часто используемым типом батарей в фотоэлектрических системах. Хотя свинцово-кислотные батареи имеют низкую плотность энергии, умеренный КПД и высокие требования к техническому обслуживанию, они также имеют длительный срок службы и низкие затраты по сравнению с батареями других типов. Одним из исключительных преимуществ свинцово-кислотных аккумуляторов является то, что они являются наиболее часто используемой формой аккумуляторов для большинства аккумуляторных батарей (например, для запуска двигателей автомобилей) и, следовательно, имеют хорошо зарекомендовавшую себя зрелую технологическую базу.

Рисунок: Изменение напряжения в зависимости от степени заряда для нескольких различных типов батарей.

Свинцово-кислотная батарея состоит из отрицательного электрода из губчатого или пористого свинца. Свинец пористый, что способствует образованию и растворению свинца. Положительный электрод состоит из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролитический раствор серной кислоты и воды. В случае, если электроды входят в контакт друг с другом в результате физического движения батареи или изменения толщины электродов, два электрода разделяет электрически изолирующая, но химически проницаемая мембрана.Эта мембрана также предотвращает короткое замыкание через электролит. Свинцово-кислотные батареи накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, показанной ниже.

Общая химическая реакция:

PbO2 + Pb + 2h3SO4⇔заряженный разряд2PbSO4 + 2h3O

На минусовой клемме реакции заряда и разряда:

Pb + SO42-зарядкаPbSO4 + 2e-

На положительном выводе реакции заряда и разряда:

PbO2 + SO42- + 4H ++ 2e-заряженный разрядPbSO4 + 2h3O

Как показывают приведенные выше уравнения, разрядка батареи вызывает образование кристаллов сульфата свинца как на отрицательной, так и на положительной клеммах, а также высвобождение электронов из-за изменения валентного заряда свинца.Для образования этого сульфата свинца используется сульфат сернокислотного электролита, окружающего аккумулятор. В результате электролит становится менее концентрированным. Полный разряд приведет к тому, что оба электрода будут покрыты сульфатом свинца и водой, а не серной кислотой, окружающей электроды. При полном разряде два электрода выполнены из одного материала, и между двумя электродами отсутствует химический потенциал или напряжение. На практике, однако, разряд прекращается при напряжении отсечки, задолго до этого момента.Поэтому аккумулятор не должен разряжаться ниже этого напряжения.

Между полностью разряженным и заряженным состояниями свинцово-кислотная батарея будет испытывать постепенное снижение напряжения. Уровень напряжения обычно используется для обозначения степени заряда аккумулятора. Зависимость аккумулятора от уровня заряда показана на рисунке ниже. Если аккумулятор остается на низком уровне заряда в течение длительного периода времени, могут вырасти крупные кристаллы сульфата свинца, что необратимо снижает емкость аккумулятора.Эти более крупные кристаллы не похожи на типичную пористую структуру свинцового электрода, и их трудно превратить обратно в свинец.

В результате реакции зарядки сульфат свинца на отрицательном электроде превращается в свинец. На положительном конце реакция превращает свинец в оксид свинца. В качестве побочного продукта этой реакции выделяется водород. Во время первой части цикла зарядки преобладающей реакцией является превращение сульфата свинца в свинец и оксид свинца. Однако по мере того, как происходит зарядка и большая часть сульфата свинца превращается либо в свинец, либо в диоксид свинца, зарядный ток электролизирует воду из электролита, и выделяются водород и газообразный кислород, процесс, известный как «выделение газа» из батареи.Если ток подается в батарею быстрее, чем может быть преобразован сульфат свинца, то выделение газа начинается до того, как весь сульфат свинца будет преобразован, то есть до того, как батарея будет полностью заряжена. Газообразование создает несколько проблем в свинцово-кислотной батарее. Газовыделение батареи не только вызывает проблемы безопасности из-за взрывоопасной природы производимого водорода, но также снижает количество воды в батарее, которую необходимо заменять вручную, вводя в систему компонент для обслуживания.Кроме того, выделение газа может вызвать отделение активного материала от электролита, что приведет к необратимому снижению емкости аккумулятора. По этим причинам аккумулятор не следует регулярно заряжать выше напряжения, которое вызывает газообразование. Напряжение газовыделения изменяется в зависимости от скорости заряда.

Сульфат свинца является изолятором, и поэтому способ образования сульфата свинца на электродах определяет, насколько легко можно разрядить аккумулятор.

Для большинства систем возобновляемой энергии наиболее важными характеристиками батареи являются срок службы батареи, глубина разряда и требования к обслуживанию батареи.Этот набор параметров и их взаимосвязь с режимами зарядки, температурой и возрастом описаны ниже.

Глубина разряда в сочетании с емкостью батареи является фундаментальным параметром в конструкции блока батарей для фотоэлектрической системы, поскольку энергия, которая может быть извлечена из батареи, определяется умножением емкости батареи на глубину разряда. Батареи классифицируются как батареи глубокого или мелкого цикла. Глубина разряда батареи глубокого цикла может превышать 50%, а может достигать 80%.Чтобы достичь такой же полезной емкости, аккумуляторная батарея мелкого цикла должна иметь большую емкость, чем аккумуляторная батарея глубокого цикла.

Помимо глубины разряда и номинальной емкости аккумулятора, мгновенная или доступная емкость аккумулятора сильно зависит от скорости разряда аккумулятора и рабочей температуры аккумулятора. Емкость аккумулятора падает примерно на 1% на градус ниже примерно 20 ° C. Однако высокие температуры также не идеальны для аккумуляторов, поскольку они ускоряют старение, саморазряд и расход электролита.На приведенном ниже графике показано влияние температуры и скорости разряда аккумулятора на емкость аккумулятора.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, температурой и скоростью разряда.

Со временем емкость аккумулятора снижается из-за сульфатации аккумулятора и выделения активного материала. Ухудшение емкости аккумулятора наиболее сильно зависит от взаимосвязи следующих параметров:

• режим зарядки / разрядки аккумулятора
• DOD батареи в течение срока ее службы
• его подверженность длительным периодам низкого разряда
• средняя температура батареи за весь срок службы

На следующем графике показано изменение функции батареи в зависимости от количества циклов и глубины разряда для свинцово-кислотной батареи с малым циклом.Свинцово-кислотная батарея глубокого разряда должна иметь срок службы более 1000 циклов даже при глубине разряда более 50%.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, глубиной разряда и сроком службы для батареи с малым циклом разряда.

Помимо DOD, режим зарядки также играет важную роль в определении срока службы батареи. Перезарядка или недостаточная зарядка батареи приводит либо к потере активного материала, либо к сульфатированию батареи, что значительно сокращает срок ее службы.

Рисунок: Влияние режима зарядки на емкость аккумулятора.

Окончательное влияние на зарядку аккумулятора связано с температурой аккумулятора. Хотя емкость свинцово-кислотной батареи снижается при работе при низких температурах, работа при высоких температурах увеличивает скорость старения батареи.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, температурой и сроком службы батареи глубокого цикла.

Кривые разряда при постоянном токе для свинцово-кислотной батареи емкостью 550 Ач при различных скоростях разряда, с ограничивающим напряжением 1.85 В на ячейку (Mack, 1979). Более длительное время разряда увеличивает емкость аккумулятора.

Производство водорода и кислорода из батареи приводит к потере воды, поэтому в свинцово-кислотных батареях необходимо регулярно заменять воду. Другие компоненты аккумуляторной системы не требуют регулярного обслуживания, поэтому потеря воды может стать серьезной проблемой. Если система находится в удаленном месте, проверка потери воды может увеличить затраты. Аккумуляторы, не требующие обслуживания, ограничивают потребность в регулярном внимании, предотвращая или уменьшая количество газа, выходящего из аккумулятора.Однако из-за коррозионной природы электролита все батареи в некоторой степени вносят дополнительный компонент для технического обслуживания в фотоэлектрическую систему.

Свинцово-кислотные батареи обычно имеют кулоновский КПД 85% и КПД по энергии порядка 70%.

В зависимости от того, какая из вышеперечисленных проблем имеет наибольшее значение для конкретного приложения, соответствующие модификации базовой конфигурации батареи улучшают ее характеристики. В случае использования возобновляемых источников энергии указанные выше проблемы повлияют на глубину разряда, срок службы батареи и требования к техническому обслуживанию.Изменения в батарее обычно включают модификацию в одной из трех основных областей:

• Изменения в составе и геометрии электродов
• замена раствора электролита
• модификации корпуса или клемм аккумуляторной батареи для предотвращения или уменьшения утечки образующегося газообразного водорода.

Залитые свинцово-кислотные батареи характеризуются длительным циклом работы и длительным сроком службы. Однако залитые батареи требуют периодического обслуживания. Необходимо не только регулярно контролировать уровень воды в электролите, измеряя его удельный вес, но эти батареи также требуют «ускоренной зарядки».

Ускоренная зарядка

Ускоренная или выравнивающая зарядка включает в себя периодическую кратковременную перезарядку, при которой выделяется газ и смешивается электролит, предотвращая расслоение электролита в батарее. Кроме того, ускоренная зарядка также помогает поддерживать одинаковую емкость всех аккумуляторов. Например, если одна батарея развивает более высокое внутреннее последовательное сопротивление, чем другие батареи, тогда батарея с более низким SR будет постоянно недозаряжаться во время нормального режима зарядки из-за падения напряжения на последовательном сопротивлении.Однако, если батареи заряжаются более высоким напряжением, это позволяет полностью зарядить все батареи.

Удельный вес (SG)

В затопленной аккумуляторной батарее происходит потеря воды из электролита из-за выделения водорода и кислорода. Удельный вес электролита, который можно измерить ареометром, укажет на необходимость добавления воды в батареи, если батареи полностью заряжены. В качестве альтернативы ареометр точно укажет уровень заряда батареи, если известно, что уровень воды правильный.SG периодически измеряется после ускоренной зарядки, чтобы убедиться, что в батарее достаточно воды в электролите. Удельный вес батареи должен быть предоставлен производителем.

Особые рекомендации для гелевых герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи

в гелеобразном состоянии или AGM (которые обычно герметичны или регулируются с помощью клапана) имеют несколько потенциальных преимуществ:

• они могут быть подвергнуты глубокому циклу с сохранением срока службы батареи
• они не нуждаются в ускоренной зарядке
• они требуют меньшего обслуживания.

Однако эти батареи обычно требуют более точного режима зарядки с более низким напряжением. Режим зарядки с более низким напряжением обусловлен использованием свинцово-кальциевых электродов для минимизации выделения газов, но требуется более точный режим зарядки, чтобы минимизировать выделение газов от батареи. Кроме того, эти батареи могут быть более чувствительны к колебаниям температуры, особенно если режим зарядки не компенсирует температуру или не предназначен для этих типов батарей.

Аккумулятор для фотоэлектрической системы будет рассчитан на определенное количество циклов при определенном DOD, режиме зарядки и температуре.Однако батареи могут преждевременно терять емкость или внезапно выходить из строя по разным причинам. Внезапный отказ может быть вызван внутренним коротким замыканием батареи из-за отказа электрического разделителя внутри батареи. Короткое замыкание в батарее снизит напряжение и емкость всего блока батарей, особенно если секции батареи подключены параллельно, а также приведет к другим потенциальным проблемам, таким как перезаряд оставшихся батарей.Батарея также может выйти из строя из-за разрыва цепи (то есть может быть постепенное увеличение внутреннего последовательного сопротивления), и любые батареи, подключенные последовательно с этой батареей, также будут затронуты. Замораживание аккумулятора, в зависимости от типа используемого свинцово-кислотного аккумулятора, также может вызвать необратимый выход аккумулятора из строя.

Постепенное снижение емкости может усугубляться неправильной работой, в частности, ухудшением DOD. Однако работа одной части аккумуляторной батареи в условиях, отличных от другой, также приведет к снижению общей емкости и увеличению вероятности отказа батареи.Батареи могут непреднамеренно эксплуатироваться в разных режимах либо из-за колебаний температуры, либо из-за отказа батареи в одной цепочке батарей, что приводит к неравномерной зарядке и разрядке в цепочке.

Установка

Батареи должны устанавливаться в соответствии с действующим стандартом страны, в которой они устанавливаются. В настоящее время существуют австралийские стандарты AS3011 и AS2676 для установки батарей. Существует также проект стандарта для батарей для приложений RAPS, который в конечном итоге станет австралийским стандартом.

Среди других факторов, которые необходимо учитывать при установке аккумуляторной системы, являются вентиляция, необходимая для конкретного типа аккумуляторной батареи, условия заземления, на которых должен быть размещен аккумуляторный блок, и меры, принятые для обеспечения безопасности тех, кто иметь доступ к аккумуляторной батарее. Кроме того, при установке блока батарей необходимо следить за тем, чтобы температура батареи находилась в пределах допустимых условий эксплуатации батареи и чтобы температура батарей в большем блоке батарей была такой же.Батареи в очень холодных условиях могут замерзать при низком уровне заряда, поэтому зимой вероятность того, что батарея будет разряжена, будет более низкой. Чтобы предотвратить это, аккумуляторную батарею можно закопать под землю. Аккумуляторы, регулярно подвергающиеся воздействию высоких рабочих температур, также могут иметь сокращенный срок службы.

Батареи потенциально опасны, и пользователи должны знать о трех основных опасностях: Серная кислота в электролите вызывает коррозию. При работе с батареями важна не только защита ног и глаз, но и защитная одежда.

Батареи обладают способностью генерировать большой ток. Если металлический предмет случайно попадает на клеммы батареи, через этот предмет могут протекать большие токи. При работе с батареями следует свести к минимуму присутствие ненужных металлических предметов (например, украшений), а инструменты должны иметь изолированные ручки.

Опасность взрыва из-за выделения водорода и кислорода. Во время зарядки, особенно при перезарядке, некоторые батареи, включая большинство батарей, используемых в фотоэлектрических системах, могут выделять потенциально взрывоопасную смесь водорода и кислорода.Чтобы снизить риск взрыва, используется вентиляция для предотвращения скопления этих газов, а потенциальные источники воспламенения (т. Е. Цепи, которые могут генерировать искры или дуги) исключаются из корпуса аккумуляторной батареи.

Аккумуляторы вводят компонент периодического обслуживания в фотоэлектрическую систему. Для всех аккумуляторов, включая «необслуживаемые», требуется график технического обслуживания, который должен обеспечивать:

• клеммы АКБ не корродированы
• соединения аккумулятора затянуты
• корпус аккумулятора не должен иметь трещин и коррозии.

Залитые батареи требуют дополнительного и более частого обслуживания. Для залитых аккумуляторов уровень электролита и удельный вес электролита для каждой батареи необходимо регулярно проверять. Проверка удельного веса аккумулятора с помощью ареометра должна выполняться не менее чем через 15 минут после выравнивания или ускоренного заряда. В аккумуляторы следует добавлять только дистиллированную воду. Водопроводная вода содержит минералы, которые могут повредить электроды аккумулятора.

Свинец в свинцово-кислотных аккумуляторах представляет опасность для окружающей среды, если он не утилизируется надлежащим образом.Свинцово-кислотные батареи следует утилизировать, чтобы можно было восстановить свинец без ущерба для окружающей среды.

Материалы, из которых изготовлены электроды, имеют большое влияние на химический состав батареи и, следовательно, влияют на напряжение батареи и ее характеристики зарядки и разрядки. Геометрия электрода определяет внутреннее последовательное сопротивление, а также скорость зарядки и разрядки.

Основными материалами анода и катода в свинцово-кислотной батарее являются свинец и диксодий свинца (PbO2).Свинцовый электрод выполнен в виде губчатого свинца. Губчатый свинец желателен, поскольку он очень пористый, и поэтому площадь поверхности между свинцом и электролитом серной кислоты очень велика. Добавление небольших количеств других элементов в свинцовый электрод для образования сплавов свинца может уменьшить некоторые недостатки, связанные со свинцом. Основными типами используемых электродов являются свинец / сурьма (с использованием нескольких процентов сурьмы), сплавы свинец / кальций и сплавы свинец / сурьма / кальций.

Аккумуляторы из свинцового сплава с сурьмой имеют несколько преимуществ перед электродами из чистого свинца.К этим преимуществам относятся: более низкая стоимость свинца / сурьмы; повышенная прочность свинцово-сурьмянистого электрода; и возможность получить глубокую разрядку на короткий период времени. Однако сплавы свинец / сурьма склонны к сульфатированию, и их не следует оставлять при низком уровне заряда в течение длительных периодов времени. Кроме того, сплавы свинец / сурьма увеличивают выделение газа в батарее во время зарядки, что приводит к значительным потерям воды. Поскольку в эти батареи необходимо добавлять воду, они требуют более серьезного обслуживания.Кроме того, свинцово-сурьмянистые батареи отличаются высокой скоростью разряда и коротким сроком службы. Эти проблемы (xx — проверьте, вызваны ли обе проблемы металлизацией)) вызваны растворением сурьмы с одного электрода и ее осаждением или осаждением на другом электроде. (xx повышенная адгезия PbO2 xx)

Свинцово-кальциевые батареи — это технология со средней стоимостью. Как и сурьма, кальций также добавляет прочности свинцу отрицательного электрода, но, в отличие от сурьмы, добавление кальция снижает выделение газа в батарее, а также снижает скорость саморазряда.Однако свинцово-кальциевые батареи не следует сильно разряжать. Следовательно, эти типы аккумуляторов можно считать «необслуживаемыми», но это только аккумуляторы с малым циклом заряда.

Добавление сурьмы, а также кальция в электроды дает некоторые преимущества как сурьмы, так и свинца, но при более высокой стоимости. Батареи глубокого разряда, подобные этим, также могут иметь длительный срок службы. Кроме того, к электродам могут быть добавлены следовые количества других материалов для повышения производительности батареи.

Помимо материала, из которого изготовлены электродные пластины, физическая конфигурация электродов также влияет на скорость заряда и разряда и на срок службы. Тонкие пластины обеспечивают более быструю зарядку и разрядку, но они менее прочные и более склонны к отслаиванию материала с пластин. Поскольку высокие токи зарядки или разрядки обычно не являются обязательной характеристикой аккумуляторов для систем возобновляемой энергии, можно использовать более толстые пластины, которые имеют меньшее время зарядки и разрядки, но также имеют более длительный срок службы.

В открытой залитой батарее любой образующийся газ может улетучиваться в атмосферу, вызывая проблемы как с точки зрения безопасности, так и с обслуживанием. Герметичный свинцово-кислотный (SLA), свинцово-кислотный (VRLA) с регулируемым клапаном или рекомбинированный свинцово-кислотный аккумулятор предотвращает потерю воды из электролита, предотвращая или сводя к минимуму утечку газообразного водорода из аккумулятора. В герметичной свинцово-кислотной батарее (SLA) водород не улетучивается в атмосферу, а скорее перемещается или мигрирует к другому электроду, где он рекомбинирует (возможно, с помощью процесса каталитического преобразования) с образованием воды.Эти батареи не являются полностью герметичными, а имеют вентиляционное отверстие для предотвращения повышения давления в батарее. Герметичные батареи требуют строгого контроля заряда, чтобы предотвратить накопление водорода быстрее, чем он может рекомбинировать, но они требуют меньше обслуживания, чем открытые батареи.

Свинцово-кислотные батареи с клапанным регулированием (VRLA) по своей концепции аналогичны герметичным свинцово-кислотным (SLA) аккумуляторным батареям, за исключением того, что клапаны должны выделять водород почти полностью.Батареи SLA или VRLA обычно имеют дополнительные конструктивные особенности, такие как использование гелеобразных электролитов и использование свинцово-кальциевых пластин для сведения к минимуму выделения газообразного водорода.

Несмотря на разнообразие типов аккумуляторных батарей и областей применения, особенно важными характеристиками фотоэлектрических систем являются требования к обслуживанию аккумуляторной батареи и способность глубоко заряжать аккумулятор при сохранении длительного срока службы. Для обеспечения длительного срока службы при глубоком разряде батареи глубокого разряда могут быть либо открытого типа, с избытком электролитического раствора и толстыми пластинами, либо иммобилизованного электролитического типа.Герметичные гелевые батареи могут быть классифицированы как батареи глубокого разряда, но они обычно выдерживают меньшее количество циклов и меньшие разряды, чем специально разработанные батареи с заливной пластиной или батареи AGM. В аккумуляторах с мелким циклом обычно используются более тонкие пластины, изготовленные из свинцово-кальциевых сплавов, и обычно глубина разряда не превышает 25%.

Батареи для фотоэлектрических или удаленных источников питания (RAPS)

Строгие требования к батареям, используемым в фотоэлектрических системах, побудили нескольких производителей изготавливать батареи, специально предназначенные для фотоэлектрических или других удаленных систем питания.В автономных фотоэлектрических системах чаще всего используются батареи свинцово-кислотного типа с глубоким циклом или необслуживаемые батареи с меньшим циклом. Батареи глубокого цикла могут быть батареями с открытым заливом (которые не требуют обслуживания) или батареями AGM с невыпадающим электролитом, которые не требуют обслуживания (но которые требуют осторожности при выборе регулятора). Специальные необслуживаемые батареи с малым циклом работы, которые выдерживают нечастую разрядку, также могут использоваться в фотоэлектрических системах, и при условии, что аккумуляторная батарея спроектирована надлежащим образом, никогда не требуется DOD более 25%.Аккумулятор с длительным сроком службы в правильно спроектированной фотоэлектрической системе при правильном обслуживании может прослужить до 15 лет, но использование батарей, которые не предназначены для длительного срока службы, или условий в фотоэлектрической системе, или являются частью плохой конструкции системы может привести к выходу из строя аккумуляторного блока всего через несколько лет.

Доступны несколько других типов батарей специального назначения, которые описаны ниже.

Пусковые, осветительные батареи зажигания (SLI). Эти аккумуляторы используются в автомобилях и отличаются высокой скоростью разряда и заряда.Чаще всего используются электродные пластины, упрочненные либо свинцово-сурьмяной в затопленной конфигурации, либо свинцово-кальциевой в герметичной конфигурации. Эти батареи имеют хороший срок службы в условиях малого цикла, но имеют очень низкий срок службы в условиях глубокого цикла. Батареи SLI не следует использовать в фотоэлектрической системе, поскольку их характеристики не оптимизированы для использования в системе возобновляемых источников энергии, поскольку срок службы фотоэлектрической системы очень мал.

Тяговые или тяговые аккумуляторные батареи. Тяговые или двигательные батареи используются для обеспечения электроэнергией небольших транспортных средств, таких как тележки для гольфа.По сравнению с батареями SLI, они обладают большей способностью выдерживать глубокий цикл при сохранении длительного срока службы. Хотя эта особенность делает их более подходящими для фотоэлектрической системы, чем та, которая использует батареи SLI, двигательные батареи не должны использоваться в каких-либо фотоэлектрических системах, поскольку их скорость саморазряда очень высока из-за использования свинцово-сурьмянистых электродов. Высокая скорость саморазряда приведет к значительным потерям мощности в батарее и сделает общую фотоэлектрическую систему неэффективной, если батареи не будут испытывать большого разряда ежедневно.Способность этих аккумуляторов выдерживать глубокие циклы также намного ниже, чем у настоящих аккумуляторов глубокого цикла. Поэтому эти батареи не подходят для фотоэлектрических систем.

Жилые или морские батареи. Эти батареи обычно представляют собой компромисс между батареями SLI, тяговыми батареями и настоящими батареями глубокого цикла. Хотя они и не рекомендуются, в некоторых небольших фотоэлектрических системах используются двигательные и морские батареи. Срок службы таких батарей будет ограничен в лучшем случае несколькими годами, так что экономия на замене батарей означает, что такие батареи, как правило, не являются долгосрочным рентабельным вариантом.

Стационарные аккумуляторы. Стационарные батареи часто используются для аварийного питания или источников бесперебойного питания. Это аккумуляторы мелкого цикла, предназначенные для того, чтобы оставаться почти полностью заряженными в течение большей части своего срока службы с лишь периодическими глубокими разрядами. Их можно использовать в фотоэлектрических системах, если размер аккумуляторной батареи не должен опускаться ниже DOD от 10% до 25%.

Батареи глубокого разряда. Батареи глубокого разряда должны обеспечивать срок службы в несколько тысяч циклов при высокой глубине разряда (80% или более).Значительные различия в характеристиках цикла могут наблюдаться с двумя типами батарей глубокого разряда, поэтому следует сравнивать срок службы и степень разряда различных батарей глубокого разряда.

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из электродов из оксида свинца и свинца, погруженных в раствор слабой серной кислоты. Возможные проблемы со свинцово-кислотными аккумуляторами:

Газообразование: выделение водорода и кислорода. Выделение аккумулятора газом приводит к проблемам с безопасностью и потере воды из электролита.Потеря воды увеличивает требования к обслуживанию батареи, поскольку воду необходимо периодически проверять и заменять.

Повреждение электродов. Вывод отрицательного электрода мягкий и легко повреждается, особенно в тех случаях, когда аккумулятор может постоянно или сильно двигаться.

Расслоение электролита. Серная кислота — тяжелая вязкая жидкость. По мере разряда батареи концентрация серной кислоты в электролите снижается, а во время зарядки концентрат серной кислоты увеличивается.Это циклическое изменение концентрации серной кислоты может привести к расслоению электролита, при котором более тяжелая серная кислота остается на дне батареи, а менее концентрированный раствор, вода, остается наверху. Непосредственная близость электродных пластин внутри батареи означает, что при физическом встряхивании серная кислота и вода не смешиваются. Однако контролируемое выделение газа электролита способствует смешиванию воды и серной кислоты, но его необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать проблем безопасности и потери воды.В большинстве свинцово-кислотных аккумуляторов требуется периодическая, но нечастая подача газа в аккумулятор для предотвращения или обращения вспять расслоения электролита в процессе, называемом «ускоренной» зарядкой.

Сульфатирование аккумулятора. При низком уровне заряда на свинцовом электроде могут расти крупные кристаллы сульфата свинца, в отличие от мелкозернистого материала, который обычно образуется на электродах. Сульфат свинца — изоляционный материал.

Разлив серной кислоты. Если серная кислота вытечет из батарейного отсека, это представляет серьезную угрозу безопасности.Желирование или иммобилизация жидкой серной кислоты снижает вероятность разливов серной кислоты.

Зависание АКБ при низком уровне разряда. Если аккумулятор находится на низком уровне разряда после превращения всего электролита в воду, то точка замерзания электролита также падает.

Потеря активного материала электродов. Потеря активного материала электродов может происходить в результате нескольких процессов. Одним из процессов, который может вызвать необратимую потерю емкости, является отслаивание активного материала из-за изменения объема между xxx и сульфатом свинца.Кроме того, xxx. Неправильные условия зарядки и выделение газа могут вызвать отслоение активного материала от электродов, что приведет к необратимой потере емкости.

В зависимости от того, какая из вышеперечисленных проблем имеет наибольшее значение для конкретного приложения, соответствующие модификации базовой конфигурации батареи улучшают ее характеристики. В случае использования возобновляемых источников энергии указанные выше проблемы повлияют на глубину разряда, срок службы батареи и требования к техническому обслуживанию.Изменения в батарее обычно включают модификацию в одной из трех основных областей:

• Изменения в составе и геометрии электродов
• замена раствора электролита
• модификации корпуса или клемм аккумуляторной батареи для предотвращения или уменьшения утечки образующегося газообразного водорода.

Коррозия состоит из областей набора или восстановления / окисления, в которых обе реакции протекают на одном и том же электроде. Для аккумуляторной системы коррозия приводит к нескольким пагубным последствиям.Один из эффектов заключается в том, что он превращает металлический электрод в оксид металла.

Все химические реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлении. Чтобы обратная реакция протекала, реагенты должны набирать достаточно энергии, чтобы преодолеть электрохимическую разницу между реагентами и продуктами, а также перенапряжение. Обычно в аккумуляторных системах вероятность возникновения обратной реакции мала, так как имеется несколько молекул с достаточно большой энергией. Однако некоторые частицы, хотя и маленькие, обладают достаточной энергией.В заряженной батарее существует процесс, с помощью которого батарея может быть разряжена даже при отсутствии нагрузки, подключенной к батарее. Количество разряжаемого аккумулятора при стоянии называется саморазрядом. Саморазряд увеличивается с увеличением температуры, потому что у большей части продуктов будет достаточно энергии для протекания реакции в обратном направлении.

Идеальным набором химических реакций для батареи является тот, в котором существует большой химический потенциал, который высвобождает большое количество электронов, имеет низкое перенапряжение, спонтанно протекает только в одном направлении и является единственной химической реакцией, которая может произойти.Однако на практике существует несколько эффектов, которые ухудшают характеристики батареи из-за нежелательных химических реакций, таких как изменение фазы объема реагентов или продуктов, а также физическое движение реагентов и продуктов внутри батареи.

Во время химических реакций многие материалы претерпевают изменение либо в фазе, либо, если они остаются в одной и той же фазе, объем и плотность материала могут быть изменены в результате химической реакции. Наконец, материалы, используемые в батарее, в первую очередь анод и катод, могут изменить свою кристалличность или структуру поверхности, что, в свою очередь, повлияет на реакции в батарее.Многие компоненты в окислительно-восстановительных реакциях претерпевают изменение фазы во время окисления или восстановления. Например, в свинцово-кислотной батарее сульфат-ионы меняются с твердой формы (в виде сульфата свинца) на раствор (в виде серной кислоты). Если сульфат свинца перекристаллизовывается где-нибудь, кроме анода или катода, то этот материал теряется для аккумуляторной системы. Во время зарядки только материалы, соединенные с анодом и катодом, могут участвовать в электронном обмене, и поэтому, если материал не касается анода или катода, он больше не может заряжаться.Образование газовой фазы в батарее также представляет особые проблемы. Прежде всего, газовая фаза обычно имеет больший объем, чем исходные реагенты, что вызывает изменение давления в батарее. Во-вторых, если предполагаемые продукты находятся в газовом переходе, они должны быть ограничены анодом и катодом, иначе они не смогут заряжаться.

Изменение громкости также обычно отрицательно сказывается на работе от батареи.

В стандартной свинцово-кислотной батарее электроды погружены в жидкую серную кислоту.Несколько модификаций электролита используются для улучшения характеристик батареи в одной из нескольких областей. Ключевыми параметрами электролита, которые контролируют производительность батареи, являются объем и концентрация электролита, а также образование «пленочного» электролита.

Изменения объема электролита можно использовать для повышения надежности батареи. Увеличение объема электролита делает батарею менее чувствительной к потерям воды и, следовательно, делает регулярное техническое обслуживание менее критичным.Увеличение объема батареи также увеличит ее вес и снизит удельную энергию батареи.

В аккумуляторных батареях с «пленочным» электролитом серная кислота иммобилизуется либо путем «гелеобразования» серной кислоты, либо с помощью «абсорбирующего стеклянного мата». Оба имеют меньшее выделение газа по сравнению с затопленными свинцово-кислотными аккумуляторами и, следовательно, часто встречаются в герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах, не требующих обслуживания.

Желирование. В «гелеобразной» свинцово-кислотной батарее электролит может быть иммобилизован путем гелеобразования серной кислоты с использованием силикагеля.Загустевший электролит имеет преимущество в том, что снижается газообразование, и, следовательно, батареи не требуют особого обслуживания. Кроме того, расслоение электролита не происходит с гелевыми батареями, и поэтому ускоренная зарядка не требуется, а поскольку электролит загустевает, вероятность просыпания серной кислоты также снижается. Однако для того, чтобы еще больше снизить газообразование, в этих «гелевых» аккумуляторах также обычно используются свинцово-кальциевые пластины, что делает их непригодными для применения в условиях глубокого разряда.Еще один недостаток состоит в том, что условия зарядки гелеобразной свинцово-кислотной батареи необходимо более тщательно контролировать, чтобы предотвратить перезаряд и повреждение батареи.

Абсорбирующее матирование стекла. Вторая технология, которая может быть использована для иммобилизации серной кислоты, — это «абсорбирующий стеклянный мат» или аккумуляторы AGM. В аккумуляторе AGM серная кислота поглощается матом из стекловолокна, который помещается между пластинами электродов. Аккумуляторы AGM обладают многочисленными преимуществами, включая способность глубоко разряжаться без ущерба для срока службы, обеспечивая высокую скорость заряда / разряда и расширенный температурный диапазон для работы.Ключевым недостатком этих аккумуляторов является необходимость более тщательно контролируемых режимов зарядки и более высокая начальная стоимость.

Дорожная карта для передовых водных аккумуляторов: от дизайна материалов до приложений

Zn-основанные AB (ZnAB), первая электрохимическая батарея, восходящая к гальванической батарее, изобретенной А. Вольта в конце 19 века. С тех пор из-за очень хорошей электрохимической обратимости цинка были разработаны десятки батарей на основе цинка. В настоящее время одна треть мирового рынка аккумуляторов состоит из аккумуляторов на основе цинка, что подчеркивает их важность как источника питания для широкого спектра применений.На основе катода и электролита ZnAB можно разделить на щелочные цинковые батареи (AZAB; такие как Zn-Ni, щелочной Zn-MnO ₂ , Zn-Ag и Zn-воздух), почти нейтральные Zn-ионные батареи. батареи (NZIB; такие как Zn-MnO ₂ и Zn-V ₂ O ₅ ZIB и электролитический Zn-Mn аккумулятор) и проточные окислительно-восстановительные батареи на основе цинка (такие как Zn-Br, Zn-V, Zn-Ce и Zn-I). В последние годы некоторые прорывы были достигнуты в водных батареях на основе цинка (см. Рис. 4A). Данные о зависимости удельной емкости от рабочего напряжения для различных типов батарей показаны на рис.4В, исходя из массы катода.

Щелочные АБ на основе цинка . Щелочные батареи на основе Zn, включая Zn-Ni / Co, Zn-MnO ₂ , Zn-Ag ₂ O и Zn-воздушные батареи, которые зависят от обратимой окислительно-восстановительной реакции Zn / ZnO с окислительно-восстановительным потенциалом −1,35 В по сравнению с SHE, представляют собой старую и зрелую технологию аккумуляторов, но в последнее время они привлекают к себе большое внимание. Это в основном вызвано слабой стабильностью, возникающей из-за неизбежного образования дендрита Zn, изменения формы, коррозии и пассивации.Для решения вышеуказанных проблем используются различные стратегии ( 23 ), включая легирование другими металлами (например, Bi, Sn и In) для подавления коррозии, гибридизации или модификации поверхности с помощью добавок [таких как BaO, Bi ₂ O ₃ и In (OH) ₃ и Ca (OH) ₂ ], чтобы подавить эволюцию H ₂ , геометрию и конструкцию структуры (например, Zn-волокна, стержни, стержни и листы различной толщины и длины). для смягчения изменения формы и образования дендритов цинка, а также добавок к электролитам (например, KF, K ₂ HPO ₄ , K ₂ CO ₃ , полиэтиленгликоль и насыщенный ZnO) для уменьшения растворения Zn и ингибирования дендрита Zn были использованы.В 2017 году Ролисон и его коллеги ( 52 ) исследовали 3D-губки из цинка в качестве анодных материалов при высокой DoD (DoD _Zn ). Как показано на рис. 4C, благодаря монолитной, пористой и непериодической архитектуре Zn-губок такой 3D Zn-анод обеспечивает высокое использование 91% DoD _Zn и не содержит дендритов с повторяющимися 50000 циклов при <1% DoD _Zn . Вдохновленные этим случаем, были разработаны различные долговечные аноды из цинка, основанные на стратегии построения трехмерного каркаса (такие как нанопроволока из никеля, углеродная ткань, пена Cu и пена графен).Кроме того, квазитвердотельная конструкция не только наделяет батареи высокой гибкостью, но и стабилизирует Zn-анод, подавляя коррозию и растворение Zn-анода.

Что касается катодных материалов, то многообещающим кандидатом для АЗАБ является MnO ₂ как нетоксичный, недорогой, землистый и обладающий большой емкостью (617 мАч г ^-1 ) материал. В щелочных батареях Zn-Mn побочные продукты спинномозговой фазы Mn ₃ O ₄ (образованные Mn ²⁺ и материнским MnO ₂ ) и ZnMn ₂ O ₄ [образованные MnOOH и Zn (OH) ₄ ^2- ] накапливаются после повторяющихся циклов при глубокой DoD, что приводит к уменьшению емкости и возможному выходу из строя батареи.В общем, легирование элементами Bi, Cu, Ni, Co и т. Д. Или объединение соответствующих оксидов с катодом и использование электролита LiOH является эффективным методом увеличения емкости и перезаряжаемости MnO ₂ ( 23 ). В 2017 году Банерджи и его сотрудники ( 74 ) реализовали двухэлектронное использование (617 мАч г ^-1 ) MnO ₂ с 6000 циклами жизни с использованием катода из би-бирнессита с интеркалированной медью. Как показано на рис. 4D, ключ к перезаряжаемости основан на окислительно-восстановительных потенциалах Cu для обратимого внедрения в слоистую структуру би-бирнессита во время процесса растворения и осаждения для стабилизации и улучшения характеристик переноса заряда.Такие стратегии электрохимической настройки беспрецедентно решают основные проблемы использования катода MnO ₂ в щелочных батареях, демонстрируя глубокое использование с высокой стабильностью.

Катодные материалы на основе Ni / Co из-за их превосходной электрохимической обратимости и приемлемой теоретической емкости широко используются для изготовления Zn-Ni аккумуляторов с конца 19 века. Среди различных АКБ Zn-Ni / Co батареи особенно выгодны из-за их уникальных достоинств более высокого рабочего напряжения (около 1.От 7 до 1,8 В; см. рис. 4B), впечатляющую теоретическую плотность энергии (~ 372 Вт · ч, кг ^-1 ), высокую мощность и низкую стоимость. Однако из-за низкого срока службы цинкового анода по прошествии более 100 лет Zn-Ni батареи продавались компанией PowerGenix (теперь называемой ZincFive Inc.) до 2003 года. В целом, коммерческие Zn-Ni батареи, изготовленные из β-фазы Ni. Катод (OH) ₂ обеспечивает плотность энергии от 70 до 100 Втч кг ^-1 , пиковую плотность мощности 2000 Вт кг ^-1 и срок службы около 500 циклов.Общие электрохимические характеристики далеко не удовлетворительны для постоянно растущего спроса на накопители энергии. Помимо плохой стабильности цинкового анода, исследователи склонны объяснять такие плохие электрохимические характеристики реактивной удельной емкостью, необратимостью и низкой электроактивностью катода на основе Ni / Co. К счастью, некоторые достижения в разработке катодных материалов на основе Ni / Co с наноархитектурой в последние годы вселили надежды. В 2014 году Дай и его сотрудники ( 75 ) представили сверхбыструю Zn-Ni-батарею высокой емкости на основе ультратонких слоистых нанопластинчатого катода из двух гидроксидов / углеродных нанотрубок (LDH / CNT) со слоями NiAlCo, в которых совместное легирование Al и Co стабилизировалось. α-Ni (ОН) ₂ .Благодаря высокой емкости (354 мАч, ⁻¹ ), высокому расходу (278 мАч, ⁻¹ при 66,7 A g, ⁻¹ ) и хорошей стабильности (94% сохранения емкости после 2000 циклов) Катод NiAlCo LDH / CNT, собранная Zn-Ni батарея обеспечивает плотность энергии 274 Вт · ч, кг ⁻¹ и удельную мощность 16,6 кВт · кг ⁻¹ , вместе с хорошей стабильностью циклов (сохранение емкости 85% после 500 циклов). ). До сих пор вдохновленные этой работой, различные материалы на основе Ni и Co, такие как NiAlCo-LDH / CNT ( 75 ), Ni ₃ S ₂ ( 76 ), Co ₃ O ₄ ( 77 ) и NiCo ₂ O ₄ ( 78 ), были тщательно исследованы для Zn-Ni аккумуляторов.

Помимо оптимизации состава, рациональный дизайн наноархитектуры (например, наночастиц, нанопроволок, наностержней и нанолистов) может обеспечить уникальные преимущества в механических и электрических свойствах, таких как более высокая площадь поверхности и более короткие пути для переноса ионов и электронов, и преодолевать присущие объемным материалам проблемы, такие как плохая электропроводность и большое объемное расширение. Кроме того, модификация поверхности, такая как покрытие поверхности PANI и легирование поверхности фосфат-ионами, может дополнительно повысить электрическую проводимость электродов ( 76 , 78 ).Однако следует отметить, что разработанные усовершенствованные автономные катоды еще далеки от практического применения, хотя они достигли замечательной гравиметрической емкости, высокой скорости и длительного срока службы. Их емкость обычно ниже 1,0 мАч см ⁻² , что намного ниже емкости промышленного уровня ∼35 мАч см ⁻² ( 79 ). Поэтому дальнейшее развитие материалов на основе Ni и Co для Ni-Zn или Co-Zn аккумуляторов, которые одновременно обладают высокой гравиметрической емкостью, высокими скоростными характеристиками и длительным сроком службы при большой массовой нагрузке, остается труднодостижимым.

Нейтральные ЗИБ . NZIB, в которых в качестве электролита используются нейтральные или слабокислые водные среды, содержащие Zn ²⁺ , в последние годы привлекают все большее внимание мировой общественности из-за их потенциала для крупномасштабного накопления электроэнергии. Еще в 1986 году перезаряжаемая батарея Zn-MnO ₂ с катодом MnO ₂ и анодом из Zn в электролите 2 M ZnSO ₄ была впервые исследована Ямамото и др. ( 80 ), но механизм реакции был неясен.До 2012 года Канг и его сотрудники ( 81 ) обнаружили обратимое интеркалирование Zn ²⁺ в α-MnO ₂ и предложили концепцию объединения NZIB с цинковым анодом и мягким ZnSO ₄ или Zn (NO ₃ ) ₂ водный электролит. С тех пор интенсивные усилия были посвящены NZIB с целью раскрытия механизма реакции и разработки современных электродных материалов. В отличие от AZAB, накопление заряда в аноде зависит от обратимого покрытия / удаления Zn / Zn ²⁺ с окислительно-восстановительным потенциалом -0.763 В против ОНА. Хотя сильная коррозия и растворение Zn устранены, самые большие проблемы заключаются в подавлении образования дендрита цинка. До сих пор были исследованы различные меры, включая модификацию поверхности, структурную оптимизацию ( 37 ) и оптимизацию электролита ( 47 ) , чтобы исключить образование дендрита цинка. Например, высокоскоростной гибкий квазитвердотельный ZIB, сконструированный из анода с массивом Zn, поддерживаемого графеновой пеной, и гелевого электролита может обеспечить долговечность в 2000 циклов при 89% начальной емкости ( 37 ).Более того, недавно Арчер и его коллеги ( 82 ) указали, что графен с низким рассогласованием кристаллической решетки для Zn эффективен при осаждении Zn с заблокированной кристаллографической ориентацией, что обеспечивает исключительную обратимость Zn анод.

Другой проблемой, которая препятствует применению NZIB, является отсутствие прочных материалов катодной основы для быстрого и обратимого хранения Zn ²⁺ из-за высокой плотности заряда и большого гидратированного ионного радиуса Zn ²⁺ .До сих пор, хотя были предложены различные катодные материалы, такие как оксиды марганца, V на основе, PBA и органические материалы ( 14 ), разработка катодных материалов для ZIB все еще находится на начальной стадии. Это в основном объясняется следующими четырьмя аспектами: (i) механизм реакции все еще остается спорным, (ii) быстрое снижение производительности, (iii) неудовлетворительная удельная производительность и (iv) низкая производительность. Соединения на основе V, особенно оксиды ванадия, являются привлекательными материалами-хозяевами для хранения Zn ²⁺ .Из-за присущих им свойств множественных валентных состояний ванадия и большой структуры с открытым каркасом, материалы на основе V имеют достоинства высокой емкости (даже до 400 мАч g ⁻¹ ), быстрой динамики и низкой стоимости. Что касается механизма реакции, его обычно рассматривают как введение / извлечение Zn ²⁺ из основных материалов во время соответствующего процесса разрядки / зарядки. Недавно, при наблюдении сульфата гидроксида цинка [Zn ₄ (SO ₄ ) (OH) ₆ · nH ₂ O, ZHS] в системах Zn-V, H ⁺ также рассматривается как носитель заряда для участия в электрохимической реакции ( 83 ).На основе одновременного процесса введения / извлечения H ⁺ и Zn ²⁺ , батарея Zn / NaV ₃ O ₈ · 1,5H ₂ O предложена Ченом и его сотрудниками ( 51 ) обеспечивает превосходную обратимую емкость (380 мАч g ⁻¹ ) и высокую долговечность (сохранение 82% емкости после 1000 циклов). Помимо изучения механизма, необходимы дополнительные работы по усовершенствованным материалам для улучшения удельной емкости, скоростных характеристик и срока службы катода на основе V.До сих пор некоторые стратегии оптимизации, включая морфологический и структурный контроль (например, проектирование различных наноархитектур; предварительное введение Li, Na, K, Zn, Ca и т. Д., Ионов металлов; и корректировка структурной воды), интеграция с проводящими добавками, были предприняты попытки конструирования электродов без связующего и оптимизации электролитов ( 83 ). Десятки соединений на основе V, таких как V ₂ O ₅ · nH ₂ O ( 84 ), Zn _0,25 V ₂ O ₅ · nH ₂ O ( 85 ) и Zn ₂ (OH) VO ₄ ( 37 ).В общем, оксиды на основе V могут иметь сверхвысокую разрядную емкость, превышающую 400 мАч g ^-1 , в то время как их рабочее напряжение относительно ниже, чем у материалов на основе Mn (рис. 4B). Например, батарея Zn / Zn _0,3 V ₂ O ₅ · 1,5H ₂ O, изготовленная Wang et al. ( 86 ) обеспечивает среднее напряжение разряда 0,8 В и высокую удельную емкость 426 мАч g ⁻¹ при 0,2 A g ⁻¹ вместе с беспрецедентной стабильностью цикла (поддерживает 214 мАч g ^{— 1} после 20000 циклов при 10 А г ⁻¹ ).

PBA, как и системы LiAB, NaAB и KAB, также могут использоваться в качестве катодных материалов для NZIB. В 2015 году Лю и его коллеги впервые предложили NZIB на основе PBA, построенный на ZnHCF ( 87 ), с относительно высоким рабочим напряжением ~ 1,7 В, разрядной емкостью ~ 65,4 мА · ч г ^-1 и плотность энергии 100 Втч кг ^-1 . С тех пор различные другие NZIB на основе PBA, такие как CuHCF-Zn (56 мАч г ^-1 , 1,73 В), FeHCF-Zn (120 мАч г ^-1 , 1.1 В), NiHCF-Zn (56 мАч, ^-1 , 1,2 В) и MnHCF-Zn (137 мАч, ^-1 , 1,7 В) ( 14 ). Однако обратите внимание, что из-за низкой емкости плотность энергии NZIB на основе PBA все еще неконкурентоспособна. Помимо неорганических материалов, упомянутых выше, некоторые органические, такие как ПАНИ (191 мАч г ^-1 , 1,0 В) ( 88 ) и каликс [4] хинон (335 мАч г ^-1 , 1,0 В) ( 89 ). До сих пор разработка органических катодных материалов для NZIB все еще находится на начальной стадии.Благодаря широкому выбору функциональных групп и молекулярной массы остается огромный потенциал для оптимизации электрохимических характеристик органических электродов.

Оксиды марганца с достоинствами обильных кристаллографических полиморфов (α, β, γ, δ, λ, ε и типы тодорокита), высокой теоретической емкости (308 мАч г ⁻¹ ), низкой стоимости и большого количества земли , были расценены как многообещающие кандидаты в катод для NZIB. В целом, при соответствующем исследовании различных полиморфов MnO ₂ для NZIB, в основном существуют концепции с четырьмя потоками, как показано на рис.4E о механизме накопления энергии: (i) введение / извлечение Zn ²⁺ , (ii) введение / извлечение H ⁺ , сопровождаемое осаждением ZHS, (iii) совместное введение / извлечение как H ⁺ , так и Zn ²⁺ на различных этапах заряда / разряда и (iv) электролиз / электроосаждение MnO ₂ / Mn ²⁺ , которые систематически обобщались в отчетах ( 14 , 41 ).

Хотя механизм реакции остается спорным, первые три механизма предполагают, что сильное растворение Mn ²⁺ в процессе разряда ответственно за быстрое снижение емкости.До сих пор использовались некоторые эффективные стратегии, включая предварительное добавление соли Mn в электролит ( 50 ), покрытие поверхности [например, легированный азотом углерод ( 90 ) и PEDOT ( 91 )] и включение тесно связанных ионов [например, K _0,8 Mn ₈ O ₁₆ ( 92 )], были использованы для подавления растворения Mn ²⁺ и повышения стабильности NZIB при циклическом воздействии. В частности, устойчивость батареи Zn-MnO ₂ к циклическому режиму может быть значительно улучшена путем предварительного добавления Mn ²⁺ , что обеспечивает срок службы в 10 000 циклов без очевидного снижения емкости ( 93 ).Следует отметить, что такая превосходная циклическая стабильность объясняется не только стабилизированным MnO ₂ за счет подавления растворения Mn ²⁺ , но и дополнительной емкостью, обеспечиваемой повторно нанесенным MnO ₂ в процессе загрузки ( 94 ). Кроме того, большое изменение объема и структурный коллапс, вызванные повторным введением гидратированных ионов Zn ²⁺ , также приводят к быстрому снижению емкости. Таким образом, были исследованы различные усилия, такие как морфологический контроль пористой структуры ( 90 ), связывание с графеном и УНТ ( 95 ) и стабилизация структуры катионным легированием и интеркаляцией PANI ( 96 ).Например, нанослой MnO ₂ , интеркалированный PANI, может обеспечивать стабильную разрядную емкость около 125 мАч g ^-1 в течение 5000 циклов ( 96 ).

Несмотря на то, что был достигнут большой прогресс, как видно из рис. 4A, нынешние щелочные батареи на основе цинка и нейтральные или слабокислые батареи из цинка ²⁺ показали ограниченное выходное напряжение (<1,8 В) и разрядную емкость ниже 450 мАч г ⁻¹ . В нашем последнем исследовании мы обнаружили скрытый высоковольтный процесс электролиза MnO ₂ в обычном ZIB и предложили ранее неизвестную электролитическую систему Zn-Mn (см.рис.4F) через активную протонную и электронную динамику ( 41 ). Четырехступенчатый процесс электролиза MnO ₂ был впервые проанализирован расчетами по теории функционала плотности. Эта Zn-Mn электролитическая система обеспечивает выходное напряжение до 1,95 В, внушительную гравиметрическую емкость около 570 мАч г ^-1 и плотность ~ 409 Втч кг ^-1 на основе как анодных, так и катодных активных материалов. Опытный образец проточной окислительно-восстановительной батареи был также построен в нашей электролитической батарее Zn-Mn.Таким образом, выходное напряжение (~ 2 В), энергоэффективность (88%) и стоимость электролита [от 3 до 5 долларов США (кВт · ч) ⁻¹ ] превосходят характеристики других интегрированных систем с окислительно-восстановительными парами (рис. 4G). ), такие как Zn-Fe, Zn-Br ₂ , Zn-Ce и все ванадиевые проточные батареи ( 41 ). Ожидается, что с дальнейшими судебными разработками, такими как использование более селективного электролита, повышение эффективности Zn и эффективная конструкция проточной батареи, эта конструкция Zn-Mn электролитической проточной батареи будет применима для практического хранения энергии и, в частности, для крупномасштабного сетевого хранения энергии.

Как мы доберемся до следующего крупного прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени. Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение. По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два века тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи снова действительно изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удержать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия батарей, которая у нас есть в настоящее время, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав еще по крайней мере еще десять или более лет. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, буханка NMC содержит ионы лития, расположенные между каждым ломтиком. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной буханке батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда и нужно снова зарядить аккумулятор.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, 100-летняя швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), имеющий структуру «оливина», в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль стыкуется, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — инерцию.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Двухместный электрический самолет, сделанный словенской фирмой Pipistrel, стоит у ангара в аэропорту Осло, Норвегия.

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов. Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составила около 175 долларов за киловатт-час, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость батарей упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем газовый автомобиль в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут предпочитать электромобили просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть больше кВтч в батарейный блок, не снижая его цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать только относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем он перестанет работать.Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя серия инноваций за последние несколько десятилетий подтолкнула энергетическую плотность катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом.Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слаб, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои конструкции анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется. Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто сделать корпус больше, чтобы приспособиться к этому вздутию, потому что расширение разрушает то, что называется «межфазной границей твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину. Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита.SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается. И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, кремний рассеивается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы.Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда. Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергать 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI.У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии. Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

В 2020 году новый Tesla Roadster должен стать первым электромобилем, который может проехать 1000 км (620 миль) на одной зарядке.

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, предпринятые для накопления большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy начала продавать литий-металлические батареи для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны на современных литий-ионных батареях, начали взрываться в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог возгорания.Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы. С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету.Усилия по расширению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей.Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения. Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 млн долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансе

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с батарейками — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

На данный момент химики, занимающиеся аккумуляторными батареями, обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), им приходится идти на компромисс в отношении другой характеристики (например, безопасности). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — по мнению Йет-Мин Чанга из Массачусетского технологического института, сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад, — шансы на успех возрастают. Потенциал аккумуляторов остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых аккумуляторах с хорошей долей скептицизма.

Материал, напоминающий зубную пломбу, обеспечивает стабильность литиевой батареи двойной плотности

Одним из многих потенциальных путей, которые могут привести нас к накоплению энергии следующего поколения для смартфонов, ноутбуков и электромобилей, является использование твердотельного электролита. вместо жидких электролитов, используемых в современных литиевых батареях.Исследовательская группа в США разработала прототип этих твердотельных батарей, который преодолевает некоторые из ключевых препятствий в этой области, демонстрируя стабильную и емкую память за счет использования нового самовосстанавливающегося материала.

В современных литий-ионных батареях жидкий электролит переносит ионы лития между парой электродов вперед и назад, когда батарея заряжается и разряжается. Если вместо этого электролит можно будет сделать из твердых материалов, это может сделать батареи более безопасными и обеспечить гораздо большую плотность энергии.Таким образом, экспериментальные версии этих элементов показали, что они способны хранить примерно вдвое больше энергии, чем нынешние литий-ионные растворы.

Проблема в том, что это маленькие щупальцевидные образования, называемые дендритами, которые имеют тенденцию расти на поверхности одного из электродов во время цикла батареи. Эти крошечные иголки могут вызвать короткое замыкание и выход батареи из строя или потенциально загореться. Так что создание твердотельной конструкции, позволяющей обойти эту проблему, было бы большим прорывом.

Авторы этого нового исследования из Массачусетского технологического института, Техасского университета A&M, Университета Брауна и Университета Карнеги-Меллона предложили многообещающее решение. Исследователи разработали полутвердый металлический электрод из натрий-калиевых сплавов, который они сравнивают с материалом, который стоматологи используют для заполнения полостей — твердым, но способным течь и формовать.

Этот материал обладает достаточной податливостью, поэтому при контакте с твердым электролитом он избегает образования крошечных трещин, которые обычно появляются в полностью твердых, но более хрупких материалах электродов, что обычно приводит к образованию трещин. образование дендритов.

«Мотивацией здесь была разработка электродов на основе тщательно отобранных сплавов с целью введения жидкой фазы, которая может служить самовосстанавливающимся компонентом металлического электрода», — говорит Парк.

По мере того, как аккумулятор переключается, рабочие температуры поддерживают материал в правильной полутвердой фазе, чтобы выдерживать высокие токи, примерно в 20 раз больше, чем при использовании твердого лития, без образования дендритов. Это устраняет еще один недостаток твердотельных батарей, которые до сих пор не учитывали такую ​​плотность тока, которая позволяла бы заряжаться с практической скоростью, по крайней мере, без образования дендритов.

Исследователи, работающие над конструкциями твердотельных аккумуляторов, предложили две конструкции, позволяющие избежать образования дендритов: одна, в которой твердый электролит находится в прямом контакте с электродом, и другая, в которой жидкий металлический сплав находится между

MIT

.

В другом варианте исследователь интегрировал тонкую пленку жидкого натрий-калиевого сплава в батарею, поместив ее между твердым электродом и твердым электролитом.Это также предотвратило образование дендритов, открыв еще один интересный путь для исследований.

Воодушевленные этими многообещающими результатами первых экспериментов, исследователи сейчас исследуют способы применения этой технологии в различных архитектурах твердотельных батарей и с оптимизмом смотрят на эти возможности.

«Мы думаем, что сможем применить этот подход к действительно любой твердотельной литий-ионной батарее», — говорит соавтор Венкатасубраманиан Вишванатан, профессор машиностроения в Университете Карнеги-Меллона.«Мы думаем, что его можно сразу использовать при разработке ячеек для широкого спектра приложений, от портативных устройств до электромобилей и электромобилей».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Energy.

Источник: MIT

Какова плотность энергии литий-ионной батареи?

Что такое плотность энергии батареи?

Плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержится в батарее по отношению к ее весу.Это измерение обычно выражается в ватт-часах на килограмм (Втч / кг). Ватт-час — это единица измерения электрической энергии, которая эквивалентна потреблению одного ватта за один час.

Плотность мощности — это мера того, насколько быстро может быть доставлена ​​энергия, а не количество доступной накопленной энергии. Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.

Зачем нужна батарея с высокой плотностью энергии?

Чтобы лучше понять литий-ионные батареи, вы должны понять, почему высокая плотность энергии является желательной характеристикой батареи.

Аккумулятор с высокой плотностью энергии имеет большее время работы от аккумулятора по сравнению с размером аккумулятора. В качестве альтернативы аккумулятор с высокой плотностью энергии может выдавать такое же количество энергии, но занимает меньшую площадь по сравнению с аккумулятором с более низкой плотностью энергии. Это значительно расширяет возможности аккумуляторных приложений.

В заводских или складских настройках аккумуляторы для вилочных погрузчиков могут весить тысячи фунтов. Легкий аккумулятор для вилочных погрузчиков дает некоторые преимущества с точки зрения безопасности и обслуживания.

Если плотность энергии батареи слишком высока, это может представлять угрозу безопасности. Когда в ячейку упаковано больше активного материала, увеличивается риск теплового события.

Какой тип аккумуляторной батареи имеет самую высокую плотность энергии?

Существует несколько различных типов аккумуляторных батарей с различной плотностью энергии, отражающей их внутренний химический состав.

• Плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 30-50 Втч / кг
• Плотность энергии никель-кадмиевого аккумулятора составляет 45-80 Втч / кг
• Плотность энергии никель-металлогидридных батарей составляет 60-120 Втч / кг
• Плотность энергии литий-ионного аккумулятора составляет 50-260 Втч / кг
  

Типы литий-ионных батарей и их удельная энергия

Литий-ионные батареи часто объединяются в группу батарей, каждая из которых содержит литий, но их химический состав может сильно различаться и, как следствие, разной производительности.

Большинство типов литий-ионных аккумуляторов имеют аналогичную конструкцию катода с алюминиевой подложкой, угольного или графитового анода с медной подложкой, сепаратора и электролита из литиевой соли в органическом растворителе.

Производители экспериментировали с материалами, из которых изготовлены катод и анод. Они также изменили состав электролита. Эти различия являются причиной того, что литий-ионные батареи различаются по уровню плотности энергии.

Теперь мы рассмотрим самые популярные химические составы литий-ионных аккумуляторов, а также их соответствующие плотности энергии, варианты использования, преимущества и недостатки.

Industry Titans: Литий-титанатные (LTO) батареи

Аккумулятор LTO является одним из старейших типов литий-ионных аккумуляторов и имеет меньшую удельную энергию, чем литий-ионные аккумуляторы, около 50-80 Втч / кг.

В этих батареях титанат лития используется в аноде вместо углерода, что позволяет электронам входить и выходить из анода быстрее, чем в других типах литий-ионных батарей.

Такая конструкция позволяет батареям LTO заряжаться намного быстрее и безопасно выдерживать большие токи, но низкая плотность энергии делает их плохо подходящими для погрузочно-разгрузочного оборудования.

Они, как правило, дороже и обычно используются для электромобилей, автомобильных аудиосистем и мобильных медицинских устройств.

Высокая энергия, высокий риск: литий-кобальтовые батареи (LCO)

Литий-кобальтооксидные батареи

имеют высокую удельную энергию 150-200 Втч / кг. Их катод состоит из оксида кобальта с типичным углеродным анодом со слоистой структурой, которая перемещает ионы лития от анода к катоду и обратно.

Эти типы батарей популярны из-за их высокой плотности энергии и обычно используются в сотовых телефонах, ноутбуках и, в последнее время, в электромобилях.

Кобальт — очень энергоемкий материал, но он может быть дорогим. Поскольку спрос на электромобили возрастает, этот ресурс быстро истощается. Фактически, вскоре мир может столкнуться с нехваткой кобальта.

Кобальт также очень летуч. Литий-кобальтовые батареи не выдерживают больших токов из-за риска перегрева, что представляет собой значительный риск для безопасности.Аккумуляторы LCO имеют более низкую термическую стабильность, что означает, что они очень чувствительны к более высоким рабочим температурам и перезарядке.

Производительность по цене: литий-никель-марганец-кобальт-оксидные батареи (NMC)

Литий-никель-марганцево-кобальтооксидные батареи

также обладают высокой плотностью энергии 150–220 Втч / кг. Они используют кобальт в катоде так же, как батареи LCO, но они также содержат никель и марганец для повышения стабильности.

Аккумуляторы

NMC сегодня используются в большинстве производимых электромобилей, но также используются в медицинских устройствах и электровелосипедах.

Секрет успеха этой батареи заключается в ее хорошо сбалансированном химическом составе; никель, как известно, энергоемкий, но нестабильный, как и кобальт, в то время как марганец более стабилен, но также имеет более низкую плотность энергии. Конкретное соотношение различных элементов варьируется в зависимости от производителя, но добавление никеля обычно предназначено для уменьшения количества дорогостоящего кобальта.

Батареи

NMC могут выдерживать большие токи заряда и больший диапазон температур, чем батареи LCO.Однако, поскольку батарея по-прежнему содержит кобальт, стоимость увеличивается из-за дефицита на рынке.

Доступное, безопасное и надежное: литий-железо-фосфатные батареи (LFP)

Аккумуляторы

LFP обладают высокой плотностью энергии 90–160 Втч / кг. Хотя это меньше, чем у некоторых кобальтовых батарей, он по-прежнему остается одним из самых высоких среди всех типов батарей.

В батареях

LFP используется фосфат железа для катода и графитовый электрод в сочетании с металлической подложкой для анода.

Литий-фосфат железа или LiFePO4 — это природный минерал, недорогой, нетоксичный, обладающий хорошей термической стабильностью и высокой плотностью энергии.

Аккумуляторы

LFP идеально подходят для тяжелого оборудования и промышленных сред, поскольку они способны выдерживать большие нагрузки и широкий диапазон температур. Они появились как новый вариант для вилочных погрузчиков и другого тяжелого электрического оборудования, которое требует высокого уровня надежности и исторически использует свинцово-кислотные батареи.

Литий-ионная батарея Тип	Плотность энергии ( Вт ч / кг)	Плюсы	Минусы
Титанат лития (LTO)	50-80	Долговечность, стабильность	Низкая плотность энергии, дороже
Оксид лития-кобальта (LCO)	150-200	Высокая плотность энергии	Неустойчивый и дорогой
Литий-никель-марганец-кобальт оксид (NMC)	150-220	Высокая плотность энергии	Безопаснее, чем LCO, но все же относительно нестабильно и дорого
Литий-фосфат железа (LFP)	90–160	Средняя-высокая плотность энергии	Стабильная, долговечная и более высокая удельная энергия

Все типы литий-ионных аккумуляторов уникальны.Крайне важно понимать, какой химический состав литий-ионных аккумуляторов лучше всего подходит для вашего применения.

Если вы ищете лучший аккумулятор для погрузочно-разгрузочного оборудования, литий-железо-фосфатный аккумулятор, вероятно, станет лучшим выбором. Все блоки Flux Power LiFT сконструированы исключительно с элементами LFP, поскольку они обеспечивают наилучший баланс между безопасностью и производительностью.

Аккумуляторные электролиты: новейшие графеновые композиты

Хранение электроэнергии теперь является важной частью нашей жизни.Зарядка и разрядка аккумуляторов в телефонах, ноутбуках, зубных щетках и, все чаще, в автомобилях и мотоциклах — обычное дело для большинства населения мира. Даже поезда и корабли, которые мы используем для перевозки товаров и людей по всему миру, обращаются к батареям, чтобы уменьшить свой углеродный след.

Поскольку мы больше полагаемся на аккумуляторы, чем когда-либо, повышение их эффективности становится необходимой и все более ценной областью исследований.

Литий-ионный и электролиты

В настоящее время литий-ионные батареи предлагают непревзойденное сочетание энергоэффективности и плотности мощности, что делает их идеальным выбором для портативных устройств.Однако, хотя литий-ионные батареи могут быть обычным явлением, их повсеместное распространение не означает, что нет места для инноваций.

Например, в недавнем блоге Каллума МакГуинна «Литий-ионные батареи — питание электромобилей будущего» исследуется потенциал новых катодных и анодных материалов для хранения большего количества энергии и повышения эффективности разряда литий-ионных аккумуляторов. Катод и анод представляют собой «коробки», соединенные электролитом. Заряженные ионы перемещаются между катодом и анодом через электролит, чтобы заряжать и разряжать аккумулятор.Каллум объясняет: « [в качестве] полезной аналогии, представьте себе небольшую коробку (катод) у подножия холма, набитую теннисными мячами (ионами лития). Чтобы зарядить аккумулятор, вы достаете шары из коробки и катите их по холму во вторую коробку большего размера (анод). Как только все шары окажутся в верхнем ящике, вы можете отпустить их, чтобы скатиться с холма обратно в меньший ящик, и можно использовать высвобождаемую при катании электрическую энергию… ”.

Если продолжить эту аналогию, электролит — это поверхность холма, по которой шарики катятся вверх и вниз.Таким образом, увеличение легкости, с которой шары могут катиться вверх и вниз по склону, путем модификации электролита представляет собой потенциальный выигрыш в эффективности.

В традиционных аккумуляторах используется жидкий электролит: раствор литиевой соли в органическом растворителе. Ионы лития протекают через раствор, перенося заряд между катодом и анодом. Однако для жидких электролитов существует внутреннее сопротивление потоку ионов, поскольку неупорядоченная молекулярная структура жидкости нарушает движение ионов.

Возвращаясь к приведенной выше аналогии, представьте себе холм, по которому перекатываются теннисные мячи, покрытый длинной неухоженной травой, препятствующей плавному катанию мячей вверх или вниз по склону. Шары медленнее катятся с холма и, следовательно, не хотят высвобождать накопленную энергию. Более того, часть накопленной энергии фактически выделяется в траву в виде тепла. Что касается батареи, это выделение тепла в электролит снижает электрический КПД батареи. Это также ограничивает максимальную скорость разряда, возможную с жидким электролитом, поскольку тепло, выделяемое в электролит, должно рассеиваться, чтобы не перегревать аккумулятор.

Добавляемый в смесь органический компонент электролита часто легко воспламеняется, что создает очевидную угрозу безопасности при повышении температуры.

Еще одним артефактом использования жидких электролитов является то, что микроволокна металлического лития могут осаждаться внутри раствора электролита, особенно при более высоких скоростях разряда. Эти осажденные литиевые нити могут прерывать путь ионов между анодом и катодом, уменьшая емкость батареи. Они также могут иметь более разрушительный эффект, если образуют мост между анодом и катодом, вызывая короткое замыкание — неконтролируемый разряд батареи, быстрый нагрев и, возможно, возгорание.

Чтобы снизить эти риски, необходимо поддерживать относительно большой зазор между анодом и катодом, заполненный таким же большим объемом жидкого электролита. Однако этот больший зазор и объем увеличивают сопротивление электролита (тем самым снижая эффективность), а также увеличивают размер батареи (тем самым снижая плотность энергии).

Твердые электролиты

Одно из возможных решений этих проблем — использование твердых электролитов.

Твердые электролиты обеспечивают более высокую плотность энергии и ускоряют разряд.Упорядоченную кристаллическую структуру твердого тела легче организовать так, чтобы ионы лития могли перемещаться и проходить сквозь нее, чем у жидкости. Таким образом, вместо холма, покрытого высокой травой, мячи имеют гладкую плоскую рампу, позволяющую быстро и эффективно катиться вниз. В результате меньше энергии рассеивается в электролите в виде тепла, что обеспечивает более быструю скорость разряда и большую эффективность.

Кроме того, твердый материал препятствует образованию нитей лития, поскольку образование нитей внутри твердой структуры просто термодинамически нецелесообразно.Это почти полностью исключает риск короткого замыкания в батарее, поэтому слой твердого электролита можно сделать тоньше, а плотность энергии увеличить вместе с уменьшением физического размера наших батарей.

Однако не все гладко. Суть электролита в том, что он должен быть избирательно проводящим, позволяя переносить ионы лития, но не электроны, чтобы поддерживать разделение зарядов, необходимое для хранения электрической энергии. Это свойство присуще солевым растворам, используемым для жидких электролитов, но гораздо реже встречается в твердых телах.

Одно семейство материалов, которые действительно позволяют себе это имущество, — это керамика. Их пористая структура позволяет перемещать ионы лития через твердое тело, но отсутствие свободных электронов позволяет избежать параллельного переноса электронов.

Однако любой, кто уронил свою любимую кружку на пол, скажет вам, что механические свойства керамики не всегда соответствуют физическим требованиям, предъявляемым к современным батареям.

Керамика, пропитанная графеном

В начале 2000-х годов авиакосмическая промышленность стремилась улучшить механические свойства керамики, чтобы их превосходные тепловые свойства можно было использовать в космических аппаратах и ​​т.п.Они добились этого, включив наноматериалы по всей керамической матрице (как обсуждалось в статье Королевского общества «Микромеханика разрушения в нанокерамике») для повышения вязкости разрушения.

Недавно группа из Университета Брауна исследовала потенциал этого метода в электролитах керамических батарей (как объясняется в их статье Matter «Высокопрочные неорганические твердые электролиты с использованием восстановленного оксида графена»). Группа использует пластинки графена, равномерно распределенные по литий-алюминиево-титан-фосфатной керамике (LATP), чтобы обеспечить усиление.Композитный материал изготавливается путем смешивания пластинок графена и порошкообразного LATP перед нагреванием до температуры около 1000 ºC с образованием более упругого керамического электролита. Фактически достигается более чем двукратное увеличение механической вязкости.

Как соотношение керамики и графена, так и размер графеновых пластинок необходимо тщательно контролировать. Графен обладает высокой проводимостью, поэтому увеличение доли графена или размера пластинок рискует увеличить электронную проводимость керамики, что сделает материал бесполезным в качестве электролита.

Группа обнаружила, что поддержание содержания графена на уровне около 1% по объему было оптимальным вариантом — повышение сопротивления разрушению, так что электролит можно было использовать в обычных приложениях, при этом не увеличивая проводимость в ущерб характеристикам батареи.

Синтез раствора

Тем временем группа из Калифорнийского университета применила другой подход к решению этой проблемы хрупкости — изучив способ производства батарей.

Традиционные технологии производства укладывают листы электролита между катодным и анодным слоями.Как только электролит плотно зажат между этими внешними слоями, катод и анод могут укрепить хрупкий электролит, но при предварительном прослоении электролитный лист склонен к растрескиванию. В результате производители вынуждены использовать более толстые и прочные слои электролита для защиты от этих трещин. Конечно, это сказывается на плотности энергии и эффективности получаемых батарей, а это означает, что полный потенциал твердого электролита не может быть реализован.

Тем не менее, новаторский новый подход к производству аккумуляторов полностью исключает необходимость обращения с твердым электролитом и вместо этого формирует твердый электролит из раствора непосредственно на катоде (как описано в статье Королевского химического общества «Разработка химического состава растворов для низких энергий»). -температурный синтез твердых электролитов на основе сульфидов »).

Катод покрывают раствором P2S5, который затем «отверждают» обработкой нуклеофилом LiSEt.Анион LiS- разрывает связи фосфор-сера в P2S5 с образованием керамики β-Li3PS4. Эта реакция также может происходить при низких температурах, в отличие от 1000 ºC, требуемых для традиционных твердотельных синтезов, поэтому методика in-situ совместима со стандартными катодными и анодными материалами.

При использовании этого метода твердый электролит никогда не образуется без его катодного армирования, что означает, что слои можно сделать тоньше, не беспокоясь о требованиях к обращению с ним.Граница между поверхностями катода и электролита также более бесшовная, что повышает эффективность ионного потока между двумя материалами.

По аналогии с описанным выше графитовым армированием в эту керамику, полученную жидким формованием, также могут быть добавлены дополнительные армирующие материалы.