Пониженная или повышенная плотность электролита

Плотность электролита понижается в основном при разрядке аккумуляторов и сульфатации электродов. При понижении плотности электролита увеличивается внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи и снижается ее емкость. В результате падает напряжение в цепи работающего стартера, уменьшаются частота вращения якоря и мощность стартера, что затрудняет пуск двигателя, особенно в зимнее время года. Кроме того, зимой может произойти замерзание электролита. Плотность электролита повышается при испарении воды во время перезарядки или в результате доливки в аккумуляторы электролита, а не воды. В случае повышенной плотности электролита ускоряется разрушение активного вещества и решеток электродов, а также сульфатация активного вещества, что снижает емкость и срок службы аккумуляторной батареи. Плотность электролита в аккумуляторах батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см3. В противном случае батарею необходимо зарядить и произвести корректирование плотности электролита доливкой в аккумуляторы воды или электролита.

Если плотность выше нормы. – доливают воду, если ниже – электролит плотностью 1,4 г/см3. Доливку производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25–30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность. Плотность электролита в аккумуляторах батареи указывает на степень разряженное™ аккумуляторов. Снижение плотности электролита на 0,01 г/см3 соответствует разрядке аккумулятора на 6 %.

Сульфатаиия электродов заключается в образовании крупных трудно растворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата) на поверхности электродов и на стенках пор активного вещества. Кристаллы сульфата забивают поры активного вещества электродов, что препятствует проникновению электролита в глубь активного вещества. В результате не все активное вещество участвует в работе, что снижает емкость аккумуляторной батареи. Сульфатация электродов ускоряется при длительном хранении аккумуляторной батареи без подзарядки, повышенной плотности электролита, большом разряжении, взаимодействии электродов с воздухом при пониженном уровне электролита.

Сульфатированная аккумуляторная батарея из–за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера. При зарядке сульфатированной аккумуляторной батареи быстро повышаются напряжение и температура электролита, и начинается интенсивное газовыделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в сульфате. Сульфатацию электродов определяют методом сравнения ЭДС подсчитанной по плотности электролита с величиной напряжения, измеряемого с помощью вольтметра без нагрузки. Если напряжение больше ЭДС, подсчитанной по плотности, электроды аккумулятора сульфатированы. Сульфатацию устраняют, несколько раз разряжая и заряжая батарею при малой плотности электролита (1,11 – 1,12 г/см3). При зарядке электрический заряд не должен превышать 5 % номинальной емкости аккумуляторной батареи. Затем  проводят контрольную разрядку, равную 10 % номинальной емкости батареи. Силу тока в цепи регулируют реостатом. Когда на зажимах наихудшего аккумулятора напряжение понизится до 1,7 В, разрядку заканчивают. Аккумуляторная батарея считается исправной, если время разрядки не менее 7,5 ч для батареи с электролитом плотностью 1,29 г/см3, 6,5 ч при плотности электролита 1,27 г/см3 и 5,5 ч при плотности электролита 1,25 г/см3.Если время разрядки аккумуляторной батареи меньше указанных величин, то ее подвергают нескольким циклам зарядки – разрядки, контролируя время разрядки. Если при повторных разрядках не увеличивается время разрядки, то такая аккумуляторная батарея требует ремонта. Контрольную разрядку также производят для определения пригодности аккумуляторных батарей к дальнейшей эксплуатации и перед их длительным хранением.

h) Преждевременное разрушение электродов

За время эксплуатации аккумуляторной батареи происходит окисление решеток и разрыхление активного вещества, особенно плюсовых электродов. Изменение объема активного вещества при зарядке и разрядке аккумуляторной батареи вызывают отслаивание его от решеток. Во время эксплуатации могут возникнуть и другие причины, приводящие к ускоренному разрушению электродов. Это непрочное крепление аккумуляторных батарей на автомобиле, длительная перезарядка батареи, замерзание воды в электролите, понижение уровня электролита ниже верхних кромок электродов, короткое замыкание, неумелый пуск двигателя стартером и др.Короткое замыкание, а также частое и длительное включение стартера приводит к короблению электродов, что ускоряет разрушение массы активного вещества, особенно плюсовых электродов. Включать стартер следует не более чем на 5 с и не более двух–трех раз подряд. Между включениями рекомендуется делать паузу на 15–20 с.Разрушение электродов ускоряется при повышении плотности и температуры электролита, применении химически не чистой серной кислоты и недистиллированной воды.При длительной перезарядке аккумуляторной батареи происходит электролиз воды электролита на кислород и водород. Кислород сильно окисляет решетки плюсовых электродов, что вызывает их разрушение.

Одновременно в порах активного вещества электродов накапливается большое количество газов (кислорода и водорода). Давление газов в порах увеличивается, что вызывает разрыхление и выкрашивание активного вещества. Характерным признаком перезарядки являются сильное газовыделение из электролита и быстрое уменьшение его уровня. Во избежание перезарядки аккумуляторных батарей на автомобиле необходимо систематически проверять напряжение генератора.Разрушение электродов вызывает уменьшение емкости аккумуляторных батарей и короткое замыкание разноименных электродов. В аккумуляторных батареях с разрушенными электродами, даже если они полностью заряжены и не имеют сульфатации, напряжение под нагрузкой (особенно стартерной) будет быстро падать. Измерение напряжения под нагрузкой, близкой к стартерной. позволяет проверить работоспособность аккумуляторной батареи. 

Высокая плотность электролита в аккумуляторе

В процессе работы тяговых аккумуляторных батарей, при чередующихся
зарядах и разрядах, происходит окисление решеток и разрушение активных
масс, потеря механических связей между частицами, интенсивная коррозия

электродов. В результате чего происходит уменьшение емкости
аккумуляторов и короткое замыкание разноименных пластин.

Характерными признаками разрушения пластин являются:

электролит делается мутным и приобретает коричневую окраску из-за высыпания активной массы;

быстрое нарастание плотности электролита при заряде батареи;

резкое
понижение емкости АКБ, что проявляется в небольшой продолжительности
разряда аккумулятора, и как следствие сокращение времени работы
электротехники.

Скорость разрушения пластин зависит от условий эксплуатации аккумуляторов.

Причинами разрушения пластин в аккумуляторах могут быть:

Увеличенная плотность электролита ( более 1300 кг/м3). Нельзя доливать электролит в аккумулятор — только дистиллированную воду.

Повышение температуры аккумулятора выше 45 град. С. Если

при заряде температура электролита поднялась выше 45 град. С, то зарядку
необходимо прекратить и дать остыть электролиту до температуры ниже
35град. С. Затем продолжить заряд батареи.

Перезаряд аккумуляторной батареи из-за неправильного подбора или настройки зарядного устройства.

Заливка
не дистиллированной (водопроводной) воды в аккумуляторную батарею.
Этот процесс ускоряется при наличии в электролите таких вредных веществ,
как хлор, железо и др.

Замерзание воды в аккумуляторной батарее. Электролит плотностью 1,100г/см3 замерзает при температуре -7,7 град. С. Нельзя оставлять разряженную батарею более 12 часов даже в теплом помещении.

Удары и вибрации, т. к. происходит стряхивание активной массы свинца с решеток пластин.

Выпадение большого количества активного вещества на дно аккумулятора, что приводит к короткому замыканию пластин.

Повышенная плотность электролита вызывает коррозию решеток, сокращает срок службы и снижает качество работы аккумуляторов. Работа с электролитом повышенной плотности целесообразна только при низких температурах, так как такой электролит замерзает при более низкой температуре. [1]

Повышенная плотность электролита также вредна для деревянной сепарации. При длительном воздействии электролита повышенной плотности древесина обугливается и приобретает повышенную хрупкость. Комбинированная сепарация аккумуляторов типа СН от повышения плотности ( в пределах, могущих быть практически в эксплуатации) не страдает. [2]

Повышенная плотность электролита отрицательно сказывается на сроке службы аккумуляторной батареи, поэтому она устанавливается в зависимости от условий и требований эксплуатации. [3]

Интенсивное сульфатирование происходит также при повышенной плотности электролита , при колебании температуры электролита или наличии примесей в нем, а также при работе аккумулятора с пониженным уровнем электролита. [4]

Преждевременное разрушение пластин наступает при длительном перезаряде батареи, повышенной плотности электролита , слабом креплении батареи на автомобиле, замерзании воды в электролите. [5]

Сульфатация пластин ускоряется при длительном хранении батареи без подзаряда, повышенной плотности электролита , большом саморазряде, соприкосновении пластин с воздухом и систематическом недозаряде батареи. [6]

При эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо учитывать, что хранение их с повышенной плотностью электролита существенно сокращает срок службы. [7]

Сульфатация — образование на поверхности электродов крупных малорастворимых кристаллов сернокислого свинца — происходит при повышенной плотности электролита , длительном хранении батарей без подзаряда, систематическом недозаряде, наличии контакта электродов с воздухом вследствие пониженного уровня электролита. Батареи с сульфатированными электродами быстро теряют емкость при разряде. [8]

Наиболее вероятными причинами необратимой сульфатации могут служить: систематические недозаряды батареи, работа с повышенной плотностью электролита , усиленный саморазряд вследствие загрязнения электролита вредными примесями или коротких замыканий пластин, слишком низкий уровень электролита. [9]

В процесе эксплуатации необходимо следить, чтобы на заряд не отправлялись заряженные аккумуляторы, так как систематические перезаряды последних приводят к быстрому нарастанию плотности электролита за счет разложения воды в результате электролиза. Эксплуатация аккумуляторов с повышенной плотностью электролита является, как известно, причиной резкого сокращения срока службы аккумуляторов. Поэтому не следует также допускать эксплуатацию аккумуляторов в условиях положительной температуры окружающей среды с электролитом повышенной плотности, предусмотренным для зимних условий эксплуатации. [10]

Плотность электролита при этом должна быть не более 1 290, так как хранение батарей с повышенной плотностью электролита ускоряет разрушение пластин и сепараторов. [12]

Подготовка к корректировке.

Измерение уровня электролита.

 Трубка для измерения уровня электролита.
Перед проверкой плотности электролита и в процессе её корректировки необходимо контролировать уровень электролита в банках аккумулятора. У автомобильных аккумуляторов принято считать нормальным уровень электролита на 10÷15 мм выше верхней кромки пластин (сепараторов).

В батареях с индикатором (тубусом) электролит должен быть на одном уровне с ним или выше его на 5 мм.


Корректирующий электролит — электролит повышенной плотности (обычно 1,40 г/см3) для повышения плотности электролита АКБ или приготовления электролита нормальной плотности для заливки батарей.

Дистиллированная вода.
Добавляется в электролит для уменьшения его плотности.

1. В связи с тем что, кислота и вода имеют разную плотность, при разведении электролита или кислоты водой, следует добавлять кислоту в воду, но не наоборот.

2. Обращаться с аккумулятором нужно очень аккуратно. Его ни в коем случае нельзя переворачивать кверху дном. Это может привести к осыпанию пластин и последующему выходу аккумулятора из строя.

Определение необходимого значения плотности электролита полностью заряженного аккумулятора.
Весь период службы аккумулятора плотность электролита непрерывно меняется. Существуют обратимые изменения плотности — это нормальные заряд и разряд аккумулятора. Интервал изменения плотности электролита при изменении состояния аккумулятора от полностью разряженного до полностью заряженного и наоборот обычно составляет 0,15÷0,16 г/см3 для новой АКБ.
Но также существуют и необратимые изменения, например электролиз воды (разложение на водород и кислород) при «кипении» электролита. При этом плотность электролита повышается.

При сульфатации пластин, когда их активная поверхность покрывается слоем нерастворимого сульфата свинца или происходит осыпание активной массы пластин, что уменьшает площадь поверхности пластин, участвующую в электрохимической реакции — восстановление первоначальной плотности электролита в процессе заряда невозможно. Это приводит к необратимому снижению плотности электролита и, соответственно, сужает интервал изменения плотности в диапазоне полный разряд — полный заряд (0,15÷0,16 г/см3 — для нового, исправного аккумулятора).
Стабильно завышенная плотность электролита приводит к снижению срока службы АКБ.
Стабильно заниженная плотность приводит к снижению ЭДС и затруднению пуска двигателя, а также к повышению опасности замерзания электролита в зимний период эксплуатации.

Сначала нужно определиться, какую плотность электролита мы хотим иметь в нашей батарее применительно к климатической зоне её эксплуатации.

На этой таблице представлена температура замерзания электролита.
Например, для центральных районов России (Москва, Казань…) можно выбрать плотность электролита 1,25÷1,27 г/см3. Необходимо помнить, что на автомобиле аккумуляторная батарея, в лучшем случае, может быть заряжена на 80÷90 % её максимальной ёмкости (то есть плотность электролита будет чуть ниже, чем при полном заряде). Именно поэтому плотность электролита, исходя из температуры его замерзания (Таблица), выбирается чуть-чуть повыше, чем необходимо для обеспечения гарантированной незамерзаемости при минимальной температуре воздуха в зимний период.

Полная зарядка батареи.

Необходимо четко усвоить и неукоснительно соблюдать правило:
Проверка плотности электролита, с целью выяснения необходимости её корректировки, производится только у ПОЛНОСТЬЮ ЗАРЯЖЕННОЙ БАТАРЕИ.
Известно, что при исправном генераторном оборудовании автомобиля и его нормальном напряжении 14,0÷14,6 В, можно зарядить АКБ лишь на 80÷90 % её максимальной ёмкости из-за неэффективности процесса заряда батареи на автомобиле.

При выборе зарядного устройства следует избегать применения «автоматических зарядных устройств» без предварительного подробного ознакомления с логикой работы его автоматики. Во многих из них автоматическое выключение режима заряда производится просто при достижении напряжения на выводах батареи величины 14,5÷14,6 В, а это не всегда обеспечивает полный заряд АКБ.

Признаком ПОЛНОГО заряда аккумулятора является постоянство величины плотности электролита и напряжения на его выводах при продолжающемся заряде в течение 2 часов.

При достижении условий полного заряда батареи, то есть постоянства напряжения на выводах и плотности электролита в течение двух часов при продолжающемся заряде, его прекращают и выдерживают батарею от 30 минут до двух часов в отключенном состоянии.
Выдержку в отключенном состоянии в течение от получаса до двух часов рекомендуется выполнять после заряда (разряда), заливки (корректировки плотности) электролита, корректировки уровня электролита. Это делается для выравнивания плотности электролита в объёме банок, снижения температуры электролита, выхода пузырьков газов, образовавшихся при «кипении». В противном случае возможно возникновение недопустимых погрешностей в измерении плотности и уровня электролита, а также напряжения на выводах АКБ.

Затем измеряется уровень электролита и его плотность в каждой банке. Если замечена значительная разница в плотности электролита между банками (более 0,01 г/см3), следует попытаться провести дополнительную, так называемую выравнивающую зарядку АКБ для выравнивания плотности между банками, при этом ток заряда можно уменьшить в 2÷3 раза по сравнению с номинальным, для уменьшения газообразования («кипения»).
Если дополнительный заряд в течение нескольких часов не приводит к выравниванию плотности электролита в банках, очевидно, требуется выровнять её путем последующей корректировки.
В заключение этого этапа работы составляется табличка с указанием плотности и уровня электролита в каждой банке. Принимается решение, какие действия производить над каждой конкретной банкой. Основанием является соотношение величины плотности электролита, принятой нами за оптимальный вариант для нашей климатической зоны, и реальной, измеренной после полного зарядааккумулятора.

Корректировка плотности электролита.
Суть корректировки плотности электролита в банке аккумулятора заключается в следующем:
а) из банки забирается некоторый объём электролита;
б) вместо него в банку добавляется тот-же объём либо дистиллированной воды (плотность 1,00 г/см3) — для понижения плотности электролита в банке, либо корректирующего электролита (обычно плотностью 1,40 г/см3) — для повышения плотности;

в) батарея включается на 30 минут на заряд номинальным током для лучшего перемешивания электролита в результате газовыделения;
г) батарея отключается от зарядного устройства и выдерживается 0,5÷2 часа для выравнивания плотности электролита в объёме банок;
д) измеряется плотность электролита в каждой банке и его уровень, оба параметра приводятся в норму. То есть, при необходимости, все операции а)÷д) повторяются.

Приведу таблица, в которой указано, «…сколько вешать в граммах», то есть указано конкретное количество в см3 удаляемого электролита и соответствующее количество доливаемой жидкости (дистиллированная вода или корректирующий электролит — в зависимости от направления изменения плотности).

Объёмы жидкостей указаны для корректировки 1 литра электролита (1000 см3). Таким образом, чтобы провести коррекцию конкретной батареи нам необходимо знать объём электролита в одной банке этой батареи в литрах. Полученные из таблицы значения необходимо умножить на объем электролита в литрах в одной банке корректируемой батареи.
Объём электролита в одной банке:
6СТ-45 — 500 см3;
6СТ-55 — 633 см3.

Примерные нормы в см3 корректировки плотности электролита в объеме 1 литра.
Таблица предусматривает использование корректирующего электролита плотностью только 1,40 г/см3. Ниже приведена формула, при использовании которой можно применять корректирующий электролит с плотностью, отличной от 1,40 г/см3.

где
Vэ — объём удаляемого из банки электролита, см3,
Vб — объём электролита в одной банке, см3,
для некоторых типов аккумуляторов объём электролита в одной банке указан чуть выше по тексту,
ρн — начальная плотность электролита до корректировки, г/см3,
ρк — конечная плотность, которую надо получить, г/см3,
ρд — плотность доливаемой жидкости, (вода — 1,00 г/см3 или корректирующий электролит — * г/см3)

Следует учесть, что при использовании данной формулы объёмы удаляемого и добавляемого электролитов равны.

Если с таблицей разобраться сложно! То можно сделать прощё :

Откачайте большую часть жидкости из одной из банок. Эту операцию удобно выполнять с помощью “груши”. Замерьте выкачанный объем и долейте примерно половину от этого объема электролитом. Аккуратно покачайте аккумулятор в разные стороны, затем замерьте плотность снова. Если плотность не достигла требуемого значения, долейте еще ¼ от выкачанного ранее объема электролитом. Таким образом, следует доливать электролит, каждый раз уменьшая его количество в два раза.

Электролит с магнитным перемешиванием добавляет в смесь аккумуляторы высокой плотности

Энергия

Просмотр 2 изображений

Аккумуляторы следующего поколения могут иметь множество форм, но одна конструкция, на которую ученые возлагают большие надежды, связана с использованием металлического лития. Превосходная плотность энергии этого материала позволяет батареям питать смартфоны в течение нескольких дней, и, разработав новый электролит, которым можно управлять с помощью внешних магнитных полей, ученые из Южной Кореи немного приблизили их к реальности.

В литий-металлическом аккумуляторе этот материал используется вместо графита и меди, используемых в анодах современных литий-ионных аккумуляторов. Это может привести к меньшим и легким анодам с гораздо более высокой плотностью энергии, что может привести к тому, что смартфонам потребуется гораздо меньше зарядок каждую неделю, а электромобиль проедет гораздо дальше на каждой зарядке.

Но одна проблема, с которой исследователи продолжают сталкиваться, — это рост похожих на щупальца выступов на аноде, называемых дендритами, которые быстро приводят к выходу батареи из строя. Когда дело доходит до решения этой проблемы, недостатка в потенциальных решениях нет, и теперь команда Института науки и технологий Тэгу Кёнбук подкинула еще одну блестящую идею.

Ученые подошли к проблеме, переосмыслив раствор электролита, который переносит ионы между анодом и катодом, другим электродом батареи. Они подошли к этому, улучшив способ транспортировки ионов в этой среде, стремясь сделать процесс более быстрым и однородным, чтобы пресечь любые потенциальные дендриты в зародыше.

Команда добавила магнитные наночастицы в раствор электролита, что делает его чувствительным к магнитному полю и позволяет перемешивать его, чтобы превратить статический электролит в динамический. Результатом этого является быстрый и равномерный засев ядер лития, что предотвращает образование дендритов. В концептуальной аккумуляторной системе команда смогла продемонстрировать это при высокой скорости зарядки со стабильной цикличностью.

На иллюстрации изображен электролит с магнитным перемешиванием в концептуальной аккумуляторной системе 9.0002 Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук

Основываясь на этих первых результатах, команда считает, что их технология может быть использована для значительного повышения надежности и срока службы литий-металлических батарей, и обратите внимание, что она может иметь такой же эффект и при применении к другим электролитам.

«Это новая концептуальная электролитная система, которая может создать динамический электролит, который никогда ранее не использовался, и изменить парадигму исследования электролитов с помощью магнитных наночастиц», — сказал автор исследования профессор Ли Хонг-Кьюнг. «Его можно сразу применить к различным электрохимическим системам с использованием жидких электролитов».

Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.

Источник: Институт науки и технологий Тэгу Кёнбук через Techxplore

Ник Лаварс

Ник пишет и редактирует в New Atlas уже более шести лет, где он освещал все, начиная от далеких космических зондов и заканчивая беспилотными автомобилями и странными науками о животных. Ранее он работал в The Conversation, Mashable и The Santiago Times, получив степень магистра в области коммуникаций в Мельбурнском университете RMIT.

Последние достижения и перспективы в области тонких электролитов для твердотельных литиевых батарей с высокой плотностью энергии

Последние достижения и перспективы в области тонких электролитов для твердотельных литиевых батарей с высокой плотностью энергии†

Сяофэй Ян,‡ ^и Киган Р. Адэр, ‡ ^и Сюэцзе Гао ^и и Сюэлян Солнце * ^и

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Западного Онтарио, 1151 Ричмонд-стрит, Лондон, Онтарио, Канада
Электронная почта: [email protected]

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Твердотельные литиевые батареи (SSLB) являются многообещающими устройствами хранения энергии следующего поколения благодаря их потенциалу высокой плотности энергии и повышенной безопасности. Свойства и физические параметры твердотельного электролита (SSE), как критического компонента батареи, оказывают значительное влияние на электрохимические характеристики и плотность энергии. В последние годы толстые SSE широко используются в SSLB, но имеют несколько недостатков с точки зрения повышенного внутреннего сопротивления, содержания дополнительного неактивного материала, низкой практической плотности энергии и более высоких затрат на производство батарей. Уменьшение толщины SSE и разработка высокопроизводительных тонких SSLB на основе SSE необходимы для коммерциализации SSLB. В этом обзоре мы всесторонне суммируем методы изготовления тонких SSE, их рациональную конструкцию, а также их производственные процессы и приложения в различных системах SSLB. Кроме того, передовые методы характеристики для понимания Li ⁺ представлены транспортная кинетика и структурная эволюция ССЭ на границе раздела.