Какая должна быть плотность у аккумулятора: Электролит: основа свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов

Содержание

Электролит: основа свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов

В качестве стартерных батарей в автотранспорте используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Функционирование аккумулятора обеспечивается специальным раствором серной кислоты — электролитом. О том, что такое аккумуляторный электролит, каких типов он бывает, и как его использовать — читайте в статье.


Что такое электролит?

Аккумуляторный электролит — водный раствор серной кислоты, предназначенный для использования в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (АКБ). Электролит готовится путем растворения концентрированной серной кислоты в дистиллированной воде, молекулы кислоты в данном растворе диссоциируют (распадаются) на ионы — это явление наделяет электролит электропроводящими свойствами.

Аккумуляторный электролит имеет следующее назначение:

  • Изготовление аккумуляторных батарей;
  • Ввод в эксплуатацию сухозаряженных батарей;
  • Восстановление АКБ при загрязнении или утечке электролита, коротких замыканиях между пластинами и других неисправностях.

Но прежде, чем применять электролит для той или иной цели, необходимо разобраться в его характеристиках и особенностях применения.


Зачем в аккумуляторе электролит?

Электролит, свинцовые пластины и пористый диоксид свинца (PbO2) — три основных компонента свинцово-кислотного аккумулятора. Именно в присутствии кислотного электролита протекают электрохимические реакции, делающие возможным накопление и отдачу аккумулятором электрического заряда.

Во время разряда АКБ металлический свинец и оксид свинца вступают в реакцию с серной кислотой (точнее — с ее отрицательными ионами SO4 и положительными ионами H), образуя сульфат свинца (PbSO4) и воду, при этом на анодных пластинах выделяются избыточные электроны. На катодных пластинах, напротив, наблюдается недостаток электронов, благодаря этому при замыкании анода и катода между ними возникает электрический ток. Во время заряда АКБ проходят обратные реакции — под действием тока от стороннего источника из сульфата свинца образуются чистый свинец, диоксид свинца и кислота.

В ходе данных реакций количество серной кислоты и воды в электролите изменяется, что приводит к изменению его плотности и объема. При разряде АКБ концентрация кислоты понижается, а концентрация воды немного увеличивается, что приводит к падению плотности и к некоторому увеличению объема электролита. В процессе заряда плотность повышается, а объем несколько понижается.


Типы и характеристики электролитов

Электролит изготавливается смешиванием концентрированной серной кислоты и дистиллированной воды в строго определенных пропорциях. Для изготовления электролита используется специальная аккумуляторная серная кислота (по ГОСТ 667-73) и дистиллированная вода (по ГОСТ 6709-72). Данный раствор используется во всех типах современных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Главная характеристика электролита — плотность. Для нормальной работы АКБ плотность электролита должна лежать в пределах 1,23-1,4 г/куб. см, так как именно при такой плотности раствор имеет максимальную электропроводность. Однако плотность концентрированной серной кислоты составляет 1,83 г/куб. см, поэтому для достижения необходимой плотности кислота смешивается с водой.

Плотность электролита в значительной степени зависит от двух параметров: температуры и степени заряда аккумулятора.

О зависимости плотности электролита в зависимости от заряда АКБ мы сказали выше: при заряде плотность повышается, при разряде — понижается. Зависимость плотности электролита от температуры простая: при снижении температуры плотность падает, при повышении — возрастает. Поэтому нормальная плотность определяет при температуре +25°C, а чтобы верно измерять плотность при любой температуре, используют таблицу поправок к показаниям ареометра:

Температура электролита,
°C
Поправка к показаниям ареометра,
г/куб. см
-55 … -41-0,05
-40 … -26-0,04
-25 … -11-0,03
-10 … +4-0,02
+5 … +19-0,01
+20 … +300
+31 … +45+0,01
+46 … +60+0,02

Например, если электролит при температуре +25°C имеет плотность 1,28 г/куб. см, то при температуре -15°C он имеет плотность 1,25 г/куб. см, а при нагреве до +50°C (что часто бывает в подкапотном пространстве автомобиля) плотность повышается до 1,3 г/куб. см.

Чтобы компенсировать изменение плотности электролита в АКБ транспортных средств, эксплуатируемых в различных климатических поясах, применяются электролиты большей или меньшей плотности:

  • Летние и для жаркого климата — плотностью 1,23-1,24 г/куб.см;
  • Для умеренного и холодного климата — 1,27-1,28 г/куб.см;
  • Зимние и для холодного климата — 1,3-1,34 г/куб.см.

Кроме того, при повышении плотности электролита повышается его морозоустойчивость — более плотные электролиты устойчивы к замерзанию, поэтому они лучше подходят для эксплуатации в холодное время года и в холодных климатических поясах.

Сегодня можно купить электролит необходимой плотности, освободив себя от непростой процедуры приготовления правильного по характеристикам электролита из кислоты и воды. Электролит продается в тарах емкостью от 1 до 20 литров, поэтому всегда можно приобрести нужный для работы объем.


Использование аккумуляторного электролита

Сразу нужно отметить, что электролит не используется для текущего обслуживания аккумулятора. Наиболее часто в АКБ снижается уровень электролита и падает его уровень, в этом случае обслуживание выполняется добавлением воды. Дело в том, что в процессе работы аккумулятора из электролита испаряется вода, а кислота остается на месте. Также потеря воды может возникать в случае перезаряда аккумулятора — при достижении определенной плотности концентрация серной кислоты в электролите снижается и ее уже не хватает для нормального протекания указанных выше электролитических реакций. В этих условиях начинается процесс электрохимического разложения воды на водород и кислород — это проявляется «кипением» электролита, а образовавшиеся газы улетучиваются. В обоих случаях — при испарении и разложении воды — плотность электролита повышается, для ее восстановления необходимо использовать воду.

Наиболее часто электролит применяется для восстановления работы аккумулятора в случае замерзания электролита с последующей потерей его характеристик. Если электролит в АКБ замерз, то, прежде всего, необходимо занести его в теплое помещение и дождаться оттаивания. После этого аккумулятор следует поставить на зарядку с малым током — рекомендуется ток около 1 ампера и срок зарядки до 2 суток. В ходе зарядки нужно измерять плотность электролита, если она начнет повышаться, то его можно нормально зарядить и эксплуатировать.

Если же ни при каких условиях плотность не повышается, то следует произвести замену электролита. Это выполняется следующим образом:

  1. Слить электролит из всех банок батареи;
  2. Промыть банки дистиллированной водой;
  3. Добавить новый электролит до указанного уровня;
  4. Оставить аккумулятор на 2-3 часа для пропитки пластин электролитов;
  5. Зарядить АКБ малым током 0,5-1 ампер в течение 2 суток.

Зарядку следует остановить, когда плотность электролита и напряжение на клеммах будут стабильными в течение хотя бы двух часов.

Но если замерзание аккумулятора вызвало деформацию или разрушение пластин, то менять электролит уже бесполезно — нужно покупать новую батарею.

Аналогично устраняются и другие проблемы с аккумулятором — утечка или загрязнение электролита, ремонт АКБ после короткого замыкания и т.д. Но в этих случаях прежде нужно проверить аккумулятор на целостность и ремонтопригодность, при обнаружении трещин и других физических повреждений батарея ремонту не подлежит, ее нужно утилизировать.

Особый случай — ввод в эксплуатацию сухозаряженных аккумуляторов, которые поставляются без электролита. Обычно для подготовки такого аккумулятора его нужно заполнить электролитом и дождаться достижения необходимой плотности — все эти действия обязательно прописаны в инструкции к аккумулятору. Предварительную зарядку сухозаряженного АКБ проводить не нужно!

Во всех случаях необходимо правильно рассчитывать объем электролита, чтобы сделать правильную покупку. Объем электролита в АКБ зависит от его напряжения и электрической емкости. Наиболее распространенные 12-вольтовые аккумуляторные батареи емкостью 55-60 А·ч вмещают 2,5-3 литра, емкостью 75-90 А·ч — от 3,5 до 5 литров. Большие 24-вольтовые АКБ емкостью свыше 100 А·ч могут содержать 10 и более литров электролита. При покупке рекомендуется брать электролит с небольшим запасом, так как в процессе работы возможны непредвиденные потери и утечки.

Плотность электролита в аккумуляторе — какая должна быть, проверка, как повысить

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

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

Принцип действия аккумулятора

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

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

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


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

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

Нормальная плотность электролита

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


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

Зимняя и летняя плотность электролита

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

Температура электролита, °С Поправка, г/см3
От –40 до –26 –0,04
От –25 до –11 –0,03
От –10 до +4 –0,02
От +5 до +19 –0,01
От +20 до +30 0,00
От +31 до +45 0,01

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

Ещё кое-что полезное для Вас:

Порядок измерения плотности аккумулятора

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

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

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

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

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

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


Как повысить или понизить плотность в аккумуляторе

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

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

Измеренная плотность Отбор электролита, мл Доливка электролита, мл Доливка воды, мл
1,24 252 256  
1,25 215 220  
1,26 177 180  
1,27 122 126  
1,28 63 65  
1,29      
1,30 36   38

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

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

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

Видео: Как правильно поднять плотность электролита в аккумуляторе

Плотность аккумулятора: как измерить и повысить.

Аккумулятор состоит из отдельных гальванических элементов, преобразующих химическую реакцию в электрическую энергию. Каждый элемент имеет напряжение 2 V. Плотность аккумулятора (электролита) формируется шестью элементами, последовательно соединенными в одном пластмассовом корпусе. Работают они на повышение напряжения. А силу тока можно увеличить, соединив их параллельно.

Устройство

Аккумуляторная батарея (АКБ) является химическим источником тока, резервирующим электрическую энергию для питания стартера. Она же снабжает током приборы автомобиля. Считается хорошим подспорьем, когда наблюдается низкая мощность генератора.

К основным параметрам АКБ следует отнести:

  • номинальную емкость;
  • напряжение;
  • ток холодного запуска двигателя.

Данные маркируются на корпусе аккумулятора.

Практически все автомобильные аккумуляторы работают на свинцово — кислотных батареях. Материал корпуса из пропилена, изоляционный, стойкий к кислоте. Каждый аккумулятор содержит попеременно расположенные положительно и отрицательно заряженные электроды. Между пластинами (электродами) размещаются пластиковые сепараторы, отделяющие пластины друг от друга.

Сами электроды представляют собой свинцово–кальциевый сплав, рассчитанный на ограничение степени саморазряда. То есть, за полтора года он может разрядиться на 50%. Эти аккумуляторы относятся к категории не обслуживаемых, поскольку потеря воды в них составляет всего 1 гр/Ач. Кстати, добавление серебра или олова в электроды заметно повышает их коррозионную стойкость.

Структура решетки положительных и отрицательных элементов имеют разную технологию изготовления. Например, на отрицательных электродах делаются просечки свинцовой пластины, затем проводят растяжку. Положительные электроды состоят из опорной рамы с жилками конкретной направленности. Такая конструкция обеспечивает качественную жесткость и ограничивает их линейное расширение. Более того, положительные пластины покрываются диоксидом свинца, а отрицательные, губчатым свинцом. Отрицательные и положительные элементы помещаются в сернокислотный раствор, величина плотности которой зависит от уровня зарядки батареи.

Принцип работы

Действие аккумулятора является результатом способности его преобразовывать химическую реакцию в электрическую энергию при разряде, наоборот, при заряде. Исходя из этого принципа, все АКБ работают в циклическом режиме.

То есть, подключение потребителей вызывает разряд активной положительной и отрицательной масс, взаимодействующих с электролитом. В этом случае плотность падает, «садится». Но АКБ заряжается от генератора. Зарядку батарей можно получить и от зарядного устройства. Происходит процесс преобразования раствора в двуокись свинца и соединение серной кислоты, что приводит к повышению плотности раствора.

Нужно отметить, что работоспособность батареи во многом зависит от температуры среды. При повышенной температуре отдаваемая мощность повышается, что приводит к саморазряду, величина которого находится в прямой зависимости от температуры среды и конструкции электродов.

Продолжительность работы АКБ составляет 4÷5 лет и это средняя величина.

Плотность

Определяется визуально, так называемым, стеклянным глазом или цветным датчиком. Зеленый оттенок на нем свидетельствует о заряженности, черный цвет – среднем уровне зарядки и желтый означает низкую величину зарядки. Значит, принцип работы этого визуального прибора построен на плотности электролита.

Автомобильные батареи рассчитаны на жесткое крепление, посредством рамки, во избежание его опрокидывания или разлива.

Способ проверки

Плотность электролита в аккумуляторе проверяется простым автомобильным ареометром. Это стеклянная колбочка с резиновой грушей на верхнем конце и длинной резиновой трубкой снизу. Внутри колбы помещается обычный ареометр. Нажимая на грушу, выпускается из нее воздух. Резиновая трубка прибора опускается в банку как можно ниже. Расслабляя руку, выбирается из нее содержимое. При этом ареометр внутри колбы начинает всплывать и, не касаясь чего-либо, становится на отметке. Нижняя градуировка (мениск) и покажет плотность. Нажатием груши содержимое колбы сливается обратно. Процедура повторяется с каждой банкой.

Оптимальный уровень зарядки

Уровень зарядки автомобильного аккумулятора зимой достигает 25%. Это сигнал о необходимости произвести зарядку. Следует помнить, что зимой, при температуре среды–20° C и плотности 1г/см³, аккумулятор склонен замерзнуть. Поводом для подзарядки может стать и разная плотность отдельных банок в пределах 0,02 г/см³. При этом оптимальный ток не должен превышать 0,05 самой батареи. Например, для зарядки батареи, емкость которой составляет 60 Ач, сила тока будет 3,0 Ач. Лучше не доводить электролит до кипения сильным током. Кстати, слабый ток подзарядит батарею лучше. Если в течение двух часов раствор не закипает, а плотность остается без изменения, то считается аккумулятор полностью заряженным.

При исправной работе генератора и реле, аккумулятор получает наибольшую зарядку во время езды.

Нужно знать, что с запуском двигателя зимой аккумулятор начинает заряжаться только после достижения электролитом положительной температуры. Информация к тому, что зимние переезды, даже на короткие расстояния могут стать поводом полной разрядки источника тока.

Кстати, летом для плотности раствора достаточно 1.18

Проверка

Как проверить плотность аккумулятора денсиметром, если электролит уже разбавлялся дистиллированной водой. Здесь плотность замеряют через 40 минут после запуска двигателя. По наименьшему показателю плотности одной банки определяется, общая разрядка батареи. К примеру, если плотность электролита в аккумуляторе не удается измерить, степень разрядки проверяют нагрузкой стартера. Для этого используется специальная нагрузочная вилка. Посредством лапок, клемма каждой банки поочередно замыкается на 5 секунд, для фиксации показаний вольтметра. Разность по каждой банке не должна составлять более 0,2 V. При высокой разности, банка заменяется.

Повышение плотности

Вопрос как поднять плотность аккумулятора стоит всегда, когда стартер отказывает крутить маховик. Это, прежде всего, падение плотности батареи, которая может произойти по разным причинам. Что же делать? Нужно замерить показания электролита каждой банки, зная, что плотность его не должна превышать 1.29. Для северных реалий шкала может быть и выше. Но если цифра показывает, например, 1.18–1.20, добавка электролита с показателем 1.27 только повысит плотность. Процедура откачки старого остатка из одной банки выполняется при помощи клизмы–груши. Поочередно доливается новый раствор из расчета половины объема удаленного. После небольшой встряски, на предмет качественного смешения раствора, делается замер плотности. Если значение ее меньше нужного, доливается остальной объем. Процесс ведется до достижения необходимой плотности.

При всем желании, полная замена электролита не выдаст тех результатов, которые показывают новые батареи.

Влияние сульфатации

Это процесс окисления и затем кристаллизации, так или иначе, происходящих химических реакций. В результате элементы пластины становятся очагом высокого сопротивления внутри батареи. В этой ситуации имеет место резкое повышение сопротивления и закипание электролита. Незнание о появлении коричневых или бело–грязных пятен на пластинах вовсе не гарантирует нормальную работу аккумулятора.

Высокий уровень сульфатации приводит к скачкам температуры в момент запуска двигателя, повышению газовыделения. Фактор сказывается на емкости батареи, цвете и плотности раствора. Если оказия обнаружена своевременно, то можно воспользоваться процедурой разрядки–зарядки батареи.

Для этого нужно полностью зарядить ее и довести плотность до 1.285 г/см³, заправляя постепенно электролитом. Если переборщили, можно разбавить дистиллированной водой. Полностью зарядив батарею, начинают процесс разрядки, методом подключения лампы накаливания в пять ампер. Когда напряжение будет доведено до 10,2 V, нужно остановиться, поскольку эта величина равна напряжению 1,7 V каждой банки. При желании процесс можно повторить.

Есть утверждения о целесообразности этой методики спасения батареи.

Что ускоряет износ

  1. Использование некачественного раствора, непроверенной дистиллированной воды;
  2. длительное время хранения в разряженном состоянии;
  3. случаи замерзания раствора также весьма пагубно сказываются на работоспособности аккумулятора.

Но правильный, своевременный уход и обслуживание батарей всегда был залогом длительной ее эксплуатации

Эксплуатация аккумулятора в российских условиях. Проблемы с аккумулятором. Почему аккумулятор быстро садится.

Летом автомобиль может “простить” недостаточный уровень и низкую плотность электролита в аккумуляторе, но стоит ударить настоящим морозам, как оказывается, что батарея уже физически не способна отдать стартеру ток, достаточный для развития необходимой для зимнего пуска мощности, и обеспечить свечи зажигания “убедительной” энергией, что непременно приведет к необходимости в последующей зарядке автомобильного аккумулятора.

НЕМНОГО ХИМИИ

Работа аккумулятора основана на принципе, открытом еще в средние века: между двумя разными металлами, помещенными в кислый раствор, возникает электрическое напряжение. Если выводы металлов с помощью проводника соединить с потребителем, то по проводнику потечет электрический ток, внутри же аккумулятора начинается химическая реакция с выделением небольшого количества тепла.

Одним металлом в автомобильных аккумуляторах является губчатый свинец, он составляет активную массу отрицательных пластин, другим – перекись свинца, которой заполнены “соты” решеток положительных пластин, а электролитом – водный раствор серной кислоты. Рецептура и технология изготовления активной массы все время совершенствуется в направлении повышения прочности, долговечности и емкости и является ноу-хау производителей. Даже формула электролита и способ его получения могут быть фирменным секретом.

При разряде аккумулятора происходит химическое превращение активной массы отрицательных и положительных пластин в одно и то же вещество – сернокислый свинец (другое название – сульфат свинца). Серная кислота при этом разлагается с выделением воды, плотность электролита уменьшается, а уровень его понижается. Изменение плотности электролита является одним из основных показателей степени разрядки батареи.

При заряде батареи процесс идет в другую сторону: из сернокислого свинца на отрицательных пластинах “возрождается” губчатый свинец, а активная масса положительных пластин вновь превращается в перекись свинца. Опять образуется серная кислота, связывая какую-то толику воды в электролите, отчего плотность его вновь увеличивается, а уровень повышается.

Таким образом, “жизнь” в аккумуляторе не замирает ни на мгновение. При запуске двигателя, на малых оборотах и при слишком большом числе включенных потребителей идет разряд, набрал мотор достаточные обороты, чтобы генератор мог обеспечить всех “желающих” – пошла зарядка, а во время бездействия включается процесс саморазряда, который при определенных условиях способен полностью истощить батарею.

Проблемы с аккумулятором

Почему аккумулятор быстро садится

ЧТО ПРИВОДИТ АККУМУЛЯТОР К ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЙ “КОНЧИНЕ”

Автолюбители часто задаются вопросом: «Как часто надо менять аккумулятор?». Если мы разберемся в основных проблемах, которые приводят нас к необходимости замены аккумулятора, возможно, все станет намного проще.

1. Сульфатация пластин.

Мелкие кристаллики сульфата свинца, во время зарядки нормально разряженного аккумулятора без проблем вновь преобразуются в металлы, составляющие активную массу пластин. Однако если оставить батарею в разряженном состоянии, сульфат свинца начинает растворяться в электролите до его полного насыщения, а затем выпадает назад на поверхность пластин, но уже в виде крупных и практически нерастворимых кристаллов. Они откладываются на поверхности пластин и в порах активной массы, образуя сплошной слой, который изолирует пластины от электролита, препятствуя его проникновению вглубь. В результате большие объемы активной массы оказываются “выключенными”, а общая емкость батареи значительно уменьшается.

Механизм сульфатации, при контакте поверхности пластин с воздухом из-за слишком низкого уровня электролита в банке, несколько иной, но результат тот же – нерастворимые сульфаты выводят из “игры” активную массу верхней части пластин, что также отвечает на вопрос, почему быстро садится аккумулятор.

В свое время сульфатация была одной из главных проблем с аккумулятором, но усилиями конструкторов ее влияние на ресурс батарей сейчас значительно снизилось, однако это не значит, что можно “злодейку” совсем сбросить со счета. Сульфатации способствует повышенная плотность электролита, высокая и низкая температура окружающей среды, длительное хранение АКБ без подзарядки. Если предусмотреть все эти факторы, вполне возможно, что аккумулятор часто менять не придется.

2. Саморазряд.

Снижение емкости батареи при длительном хранении называется саморазрядом. Процесс этот естественный и обусловлен местными (паразитными) токами между окислами свинца и металлическими примесями в решетках пластин или примесями, попавшими в аккумулятор с электролитом либо с водой при доливке. Например, еще недавно снижение емкости обслуживаемых и малообслуживаемых батарей на 10% после бездействия в течение 14 суток, а необслуживаемых – в течение 90 суток по российским стандартам не являлось браковочным признаком. Если емкость теряется быстрее – саморазряд ускоренный и для аккумулятора чрезвычайно вредный, поскольку способствует образованию крупных кристаллов сульфата свинца.

Саморазряд увеличивается из-за замыкания выводных штырей аккумулятора грязью и электролитом, разлитым по поверхности крышки батареи. Кроме того, на скорость саморазряда сильно влияет температура окружающего воздуха: при низких температурах саморазряд значительно замедляется.

Любопытно, что причиной возникновения паразитных токов может стать неодинаковая плотность электролита в разных слоях, например, после доливания воды в аккумулятор, находящийся в покое. Если делать это неправильно, не нужно удивляться, что ваш аккумулятор быстро садится.

Купить термокейс

3. Уплотнение активной массы пластин.

Этой “болезнью” страдают отрицательные пластины, активная масса которых во время эксплуатации постепенно уплотняется, а ее пористость уменьшается. Доступ электролита внутрь отрицательных пластин затрудняется, что снижает емкость батареи. К тому же уплотнение активной массы может сопровождаться образованием трещин и отслаиванием от решеток пластин.

Способствует уплотнению активной массы контакт с кислородом воздуха, когда по какой-то причине (например, из-за испарения) уровень электролита стал ниже нормы.

4. Коробление пластин.

Пластины коробятся при увеличении силы зарядного тока, при коротком замыкании, понижении уровня электролита, частом и продолжительном включении стартера, когда батарея нагружается разрядным током большой силы. Чаще короблению подвержены положительные пластины, при этом в их активной массе образуются трещины, и она начинает выпадать из решеток.

5. Оползание и выпадение активной массы из решеток пластин.

На сегодня эта “болезнь” главным образом определяет долговечность аккумуляторов. Кроме рассмотренных выше причин, оползание и выпадание активной массы происходит при длительном перезаряде, когда полностью заряженная батарея остается под зарядным напряжением и через нее проходит ток, при повышении плотности и температуры электролита, при замерзании воды в электролите, при нарушении в креплении аккумулятора, когда он начинает испытывать удары и вибрации, вследствие коррозии решеток пластин (особенно положительных) из-за загрязнения электролита.

В старых аккумуляторах выпадение большого количества активного вещества из решеток на дно банки приводило к короткому замыканию разноименных пластин. На современных аккумуляторах, где пластины помещены в конверты-сепараторы, короткое замыкание практически исключено, но от значительного снижения емкости по причине высыпания активной массы не застрахованы и они.

УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Таким образом, на продолжительность жизни аккумулятора влияют высокая, нормальная или низкая плотность электролита в аккумуляторе, его температура, сила токов и продолжительность разряда и заряда, уровень вибраций и тряски, продолжительность перерывов в эксплуатации и, конечно же, своевременность и качество технического обслуживания.

Плотность электролита выбирают в зависимости от условий, в которых будет эксплуатироваться автомобиль. Надо учитывать, что зимой при пониженной начальной плотности электролита и большой разряженности аккумулятора возможно замерзание электролита. Например, при начальной плотности 1,30 г/см3 в полностью разряженной батарее электролит может замерзнуть при -14 °С, если же начальная плотность электролита 1,24 г/см3, то разряженная батарея замерзнет уже при -5 °С.

В то же время повышенная плотность электролита приводит к увеличению его химической активности, в результате чего, как рассматривалось выше, ускоряется сульфатация и разрушение электродов, а значит, уменьшается срок службы аккумулятора. В условиях умеренного климата Беларуси оптимальной считается плотность от 1,26 до 1,28 г/см3.

Как влияет температура на срок службы аккумулятора, в общем-то, понятно. На большинстве автомобилей аккумуляторы располагают в подкапотном пространстве моторного отделения. Логика конструкторов здесь такова: аккумулятор должен быть поближе к стартеру, чтобы уменьшить длину стартерного провода и падение напряжения в нем. В то же время можно представить, какая температура бывает под капотом жарким летом, да еще при работающем двигателе, да если моторное отделение качественно шумоизолировано. По сути, аккумулятор не мешало бы перенести в какое-то другое место, но так пока делают лишь на некоторых моделях, оснащенных кондиционером и, кстати, делалось на старых “Запорожцах”.

Хорошо, когда техническое обслуживание заключается лишь в проверке уровня и плотности электролита да периодической очистке крышки и клемм от грязи и окислений. Это верный признак, что электрооборудование автомобиля работает исправно и надежно.

Плохо, если аккумулятор работает с постоянной недозарядкой, при этом плотность электролита держится ниже нормы, еще хуже, если аккумулятор требует постоянной доливки электролита, но не по причине естественного испарения жарким летом, а из-за “выкипания”. Явно, что немедленного вмешательства требует регулятор напряжения генераторной установки. Длительная работа с такими дефектами значительно сокращает срок службы батареи.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ И РЕМОНТ

Из вышесказанного ясно, какими правилами следует руководствоваться, чтобы обеспечить аккумулятору долгую жизнь. Осталось сделать небольшие дополнения.

Доливать дистиллированную воду в аккумулятор желательно при работающем двигателе, это обеспечит ее перемешивание с кислотой. В противном случае из-за разности плотностей в слоях электролита происходит саморазряд, а зимой вода может просто замерзнуть. Воду доливают всегда, кроме случаев понижения уровня по причине утечек электролита.

В зимний период, когда многие владельцы делают перерыв в эксплуатации, хранить батарею лучше на автомобиле, проведя предварительно полную зарядку, а не уносить ее в теплое помещение.

При зимних запусках, когда по естественным причинам плотность электролита уменьшается, емкость значительно снижается, а внутреннее сопротивление аккумулятора, наоборот, сильно возрастает, особое внимание следует уделить состоянию контактов в электрических цепях и чистоте клемм аккумулятора. Этим вы уменьшите сопротивление в контактах и облегчите аккумулятору жизнь. В сильные морозы перед запуском желательно “прогреть” электролит, включив на некоторое время дальний свет (на дизелях такой нагрев происходит автоматически, поскольку сначала в работу включаются свечи накаливания), но еще лучше с вечера забрать аккумулятор домой.

Необходимо следить, чтобы заливные отверстия были плотно закрыты пробками, а вентиляционные отверстия в них не забивались грязью, а зимой – льдом от замерзшего конденсата.

Относительно ремонта: малообслуживаемые и необслуживаемые батареи ему не подлежат, кроме повреждений корпуса, крышки и выводных клемм. Трещины на корпусе и крышке батареи можно заделать, предварительно слив электролит, просушив и обезжирив место повреждения, одним из нескольких способов:

  • наплавкой с помощью паяльника такого же материала от старой батареи;
  • заклеиванием с установкой заплат (если повреждение большое) несколькими слоями эпоксидного клея;
  • с помощью густого раствора кусочков пенопласта в скипидаре или ацетоне.

ЗАРЯДКА АВТОМОБИЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА НА ЗАРЯДНОМ УСТРОЙСТВЕ

Зарядка аккумуляторы осуществляется на зарядном устройстве в следующих случаях:

  • при вводе в эксплуатацию, когда батарея хранилась более 12 месяцев, номинальное напряжение на клеммах ниже 12,5 В, а плотность электролита меньше рекомендуемой хотя бы на 0,03 г/см3;
  • батарея разряжена более чем на 25% зимой и на 50% летом;
  • батарея эксплуатировалась, а затем находилась в бездействии более 4-х месяцев;
  • с целью снятия неглубокой сульфатации с поверхности пластин.

Степень разреженности аккумулятора определяют по плотности электролита. Для практических расчетов приблизительно принимают, что уменьшение плотности электролита по отношению к начальной на 0,01 г/см3 соответствует разряду аккумулятора на 6%.

Для подзарядки аккумулятор снимают с автомобиля, очищают его корпус и крышку от загрязнений, проверяют уровень электролита. Если верхняя часть пластин оголена, то доливают дистиллированную воду, чтобы только “прикрыть” пластины, а затем устанавливают аккумулятор на зарядное устройство.

Обычно зарядку автомобильного аккумулятора ведут током, не превышающим 0,1 от величины номинальной емкости. Это значит, что для аккумулятора емкостью 60 Ач величина зарядного тока не должна превышать 6 А. Если есть время, то для профилактики от сульфатации и более полной зарядки лучше уменьшить силу тока как минимум в два раза.

С целью сокращения времени зарядки (мы ведь всегда куда-то спешим) допускается увеличить зарядный ток в 1,5 раза, но как только плотность электролита достигнет 1,22-1,24 г/см3, ток необходимо снизить до нормальной величины.

Еще большее увеличение силы зарядного тока чревато: пластины могут покоробиться со всеми вытекающими последствиями. Нельзя допускать, чтобы температура электролита во время заряда поднималась выше 45 °С. Если это происходит, то зарядку следует на время приостановить.

Признаками полной зарядки является интенсивное “кипение” электролита во всех банках батареи и то, что плотность электролита не изменяется в течение двух часов. Уровень электролита во время зарядки повышается, поэтому, скорее всего, добавлять его в банки по окончании процесса не придется.

Даешь разряд?

Потребность нашей страны в стартерных аккумуляторных батареях малой и средней мощности можно оценить примерно в 150-200 тысяч штук в год. Правильно эксплуатируемая АКБ исправно работает в течение 4-5 лет, что составляет 80-100 тысяч километров пробега. Дорогие аккумуляторы известных фирм подделывают наиболее часто. Подделку часто выдает “неаккуратный” корпус, небрежная маркировка и подозрительно небольшой вес. Подлинные сухозаряженные аккумуляторы всегда запечатаны в герметичную вакуумную упаковку. Далее проверьте, соответствует ли выбранная батарея конструктивным особенностям вашей автомашины (место установки, способ крепления, полярность, форма и размер токосъемных выводов). При этом емкость АКБ не должна существенно отличаться от указанной заводом-изготовителем автомобиля.

При покупке аккумулятора  вы вправе потребовать его проверки: напряжение на клеммах должно быть не менее 12,5 вольт. Продавец обязан выдать гарантийный талон сервис-центра официального дилера с индивидуальным номером, а также по просьбе покупателя предъявить сертификат соответствия с фирменной эмблемой компании.


Инструкция по эксплуатации аккумуляторной батареи.

При соблюдении нижеприведённых указаний покупатель в течение многих лет не будет иметь проблем с аккумулятором. Перед установкой батареи на машину ознакомьтесь с настоящей инструкцией и следуйте её рекомендациям.

  • Эксплуатация батареи.
    • Батарею следует содержать в чистоте.
    • Один раз в три месяца проверьте надёжность закрепления батареи в штатном гнезде автомобиля.
    • Не допускайте загрязнения поверхности батареи. При необходимости протрите поверхность батареи влажной тряпкой.
    • Полюсные выводы и клеммы должны быть чистыми. Рекомендуется после очистки смазать их техническим вазелином или другой густой нейтральной смазкой.
    • Пуск двигателя производите короткими (5-10 секунд) включениями стартера. В зимнее время выключайте сцепление. Перерывы между попытками пуска должны составлять не менее 1 минуты. Если после 3-4 попыток двигатель не запускается, проверьте исправность системы зажигания и питания топливом.
    • При эксплуатации автомобилей и других транспортных средств уровень зарядного напряжения должен соответствовать требованиям инструкции на транспортное средство и находиться в пределах 13,9 – 14,4 Вольт независимо от режима работы двигателей и включённых потребителей. НЕ ДОПУСКАЕТСЯ эксплуатация батарей как в режиме НЕДОЗАРЯДА, т.е. при напряжении ниже 13,9 Вольт, так и в режиме ПЕРЕЗАРЯДА, т.е. при напряжении выше 14,4 Вольт. Поэтому не реже одного раза в 2 месяца проверяйте уровень зарядного напряжения. В случае, если зарядное напряжение отличается от вышеуказанного, необходимо обратиться в автосервис для приведение его до заданного уровня, либо в срочном порядке организовать самостоятельную зарядку автомобильного аккумулятора.
    • Батарею следует поддерживать в заряженном состоянии. Не реже одного раза в 3 месяца, а также в случае ненадёжного пуска двигателя, необходимо проверять степень заряженности по равновесному напряжению разомкнутой цепи (НРЦ) для аккумуляторов.
    • Измерение равновесного НРЦ необходимо производить не ранее чем через 8 часов после выключения двигателя. У полностью заряженной батареи величина НРЦ составляет 12,7 – 12,9 Вольт при температуре 20 -25 °С.
    • Измерение НРЦ производить с помощью высокоомного вольтметра класса точности не ниже 1,0. После измерения НРЦ батареи следует установить степень её заряженности по табл.1 с учётом температуры окружающей среды.

Степень заряженности

Разреженность

Плотность электролита
Г/cм3 (**)

Напряжение на аккумуляторной батарее В (***)

100%

0%

1,28

12,7

80%

20%

1,245

12,5

60%

40%

1,21

12,3

40%

60%

1,175

12,1

20%

80%

1,14

11,9

0%

100%

1,10

11,7

* указанные зависимости справедливы при температуре 20-25 °С
** плотность во всех ячейках должна быть равномерной и отличаться не более +-0,02-0,03,
*** Напряжение необходимо определять высокоомным омметром. Способ определение степени заряженности по напряжению справедлив только для аккумуляторов, находившихся в стационарном состоянии не менее 8 часов.
    • Батарею, степень заряженности которой ниже 75% зимой и 50% летом, следует снять с машины и зарядить.
    • В случае, если по какой-либо причине произошёл глубокий разряд батареи, её необходимо незамедлительно полностью зарядить, как указано в п. 2.2. настоящей Инструкции. Недопустимо оставлять батарею в состоянии глубокого разряда. Это приводит к существенному снижению её ёмкости, а при отрицательных температурах к замерзанию электролита и разрушению корпуса батареи.
    • НЕДОПУСТИМА длительная (более 1 месяца) эксплуатация батареи в условиях перезаряда, т.е. при зарядном напряжении выше 14,4 В, так как это приводит в разложению всего запаса электролита и, как следствие, может привести к разрушению батареи.

Почему мой аккумулятор “замерз” в мороз?

У стартерных АКБ два состояния: разряженное и заряженное. При разряде концентрация электролита уменьшается, вследствие чего происходит снижение его плотности. Чем глубже происходит разряд, тем более низкой становится плотность электролита в аккумуляторе. Ниже приведена таблица замерзания электролита в зависимости от его плотности.

Плотность электролита, г/см3

Температура замерзания, °С

1,28

– 65

1,2

– 28

1,1

– 7

Поэтому в зимнее время недопустимо эксплуатировать АКБ с плотностью ниже 1,25 г/см3, так как в сильный мороз внутри АКБ образуется лед, что приводит к снижению ресурса аккумулятора. Причинами “замерзания” АКБ могут быть неисправность электрооборудования (генератора, стартера), наличие утечки тока, а также отсутствие контроля за состоянием батареи со стороны владельца. Если же лед образовался в одной из ячеек, то лучше всего незамедлительно обратиться в гарантийный сервис, так как возможно АКБ имеет заводской дефект.

Почему мой аккумулятор “взорвался”?

Аккумуляторные батареи, применяемые на автомобильной технике имеют неприятную особенность: в процессе заряда на его заключительной стадии в батарее начинается электролитическое разложение воды, которая содержится в электролите. При этом выделяются газы: водород и кислород. Водород и большая часть кислорода выходят из электролита на поверхность, создавая видимость его кипения и скапливаются под крышками в каждой ячейке АКБ. Эта смесь газов выходит наружу через вентиляционные отверстия (если они, конечно не забиты грязью и нет других препятствий). Соотношение кислорода и водорода таково, что представляет собой взрывоопасную смесь, которая при наличии искры от неисправной электропроводки или открытого огня сигареты, моментально взрывается. Сила взрыва и его последствия зависят от количества газа, копившегося к данному моменту. Например, при повышенном значении зарядного напряжения от генератора более 14,5 Вольта или при низком уровне электролита в АКБ, увеличивается интенсивность образования газа внутри аккумуляторной батареи и, следовательно, его выделение.

Можно сделать вывод, что нарушение техники безопасности, неисправность электрооборудования автомобиля и отсутствие контроля над аккумуляторной батареей служат причинами взрыва АКБ с разрушением корпуса батареи, создавая еще один пункт в списке проблем с аккумулятором.

Как правильно хранить аккумулятор, если он не эксплуатируется длительное время?

Сухозаряженные батареи можно хранить в любом не отапливаемом помещении с соблюдением следующих условий:

  • отсутствие попадания прямых солнечных лучей и яркого света на корпус АКБ
  • пробки должны быть плотно завернуты, а герметизирующие выступы или заглушки не должны иметь повреждений, чтобы исключить попадание влаги внутрь АКБ

Перед началом хранения залитых АКБ необходимо убедиться в степени заряженности АКБ, измерив плотность электролита (для обслуживаемых батарей), она должна быть не ниже 1,26 г/см3, или напряжение на полюсных выводах аккумулятора (для необслуживаемых АКБ), которое должно составлять не менее 12,6 Вольт. Если эти показатели ниже, нужно произвести зарядку аккумуляторной батареи. Контролировать эти параметры необходимо не реже одного раза в два месяца. При продолжительной стоянке автомобиля с батареей на борту следует отключить ее от “минусового” провода. Контролировать уровень зарядки АКБ необходимо не реже одного раза в три недели. Если соблюдать все рекомендации, аккумулятор быстро садиться не будет, что позволит избежать лишних проблем.

Почему в течение гарантийного срока заряд аккумулятора в гарантийном сервисе платный.

Гарантия на АКБ выдается на случай обнаружения заводского брака, (обрыв цепи, короткое замыкание одной из банок). В сервисном центре после проверки состояния АКБ Вам помогут выявить причину отказа. При выявлении заводских дефектов часто нужно менять аккумулятор  на новый – аналогичной марки с выдачей нового гарантийного талона, если соблюдались условия эксплуатации аккумулятора и вовремя производилось его обслуживание. Разряженная батарея не может быть признана дефектной. Поэтому зарядка АКБ в сервисном центре производится за счет клиента, эксплуатирующего ту батарею.

Почему быстро садится аккумулятор?

Для того чтобы дать ответ на этот вопрос, необходимо периодически посещать гарантийный сервис для профессиональной диагностики электрики Вашего автомобиля, где Вам проверят работоспособность генератора, стартера при запуске двигателя, утечку тока на автомашине, что поможет впоследствии избежать проблем с постоянным разрядом АКБ.

В каких случаях идет отказ в гарантийном обслуживании на аккумулятор?

Гарантия на АКБ не распространяется в следующих случаях:

  • Отсутствует гарантийный талон, он не заполнен или заполнен с исправлениями, отсутствует штамп продавца, отметки о проверке АКБ при продаже, подпись продавца и покупателя.
  • При механических, химических или термических повреждениях корпуса или клемм, а также течи электролита из корпуса вследствие плохого крепежа АКБ.
  • При нарушении правил эксплуатации, технического обслуживания и хранения АКБ, указанных в инструкции по эксплуатации АКБ.
  • Разрушении пластин из-за заряда большими зарядными токами, выражающееся в большом количестве шлама и помутнении электролита.
  • Несоответствии технических данных автомашины и АКБ.
  • Отрицательном балансе энергоснабжения, связанном с использованием нештатных потребителей, несоответствующих мощности генератора.
  • Искусственно низкая или высокая плотность электролита, как результат неквалифицированного обслуживания АКБ.
  • Отсутствие контроля за уровнем электролита, что приводит к испарению воды, оголению пластин и, как следствие, к оплыванию активной массы.
  • При невыполнении инструкции, что приводит к взрыву АКБ, падению плотности электролита и его замерзанию в холодное время года.
  • При сульфатации пластин из-за неправильного хранения незаряженных АКБ.

Эти перечисленные случаи являются результатом неправильной эксплуатации и обслуживания аккумулятора или неисправности электрооборудования автомобиля.

Европейская система идентификации аккумуляторов (ETN)

Обозначение ETN было разработано европейским союзом производителей аккумуляторных батарей как вспомогательное средство для идентификации аккумуляторов. Целью разработки было помощь производителям и потребителям для однозначного опознавания аккумуляторной батареи.

Номер ETN – это система из 9 цифр, разделенных на три группы. Каждая группа состоит из 3 цифр.

Например аккумулятор имеет номер EN

555 065 042

Первые три цифры – группа A (555)
Следующие три цифры – группа B (065)
Последние 3 цифры – группа С (042)

Группа A. Напряжение и номинальная емкость

Структура группы А

  • Для 6 -вольтовых батарей 3 цифры данной группы представляют номинальную емкость.

001-499 -> Ач…499 Ач

  • Для 12-вольтовых батарей номинальную емкость можно получить вычитая из 3-xзначного числа 500 12-вольтовые аккумуляторы вследствие этого имеют на первом месте цифру
    5 (емкость от 5 до 99 Ач)
    6 (емкость от 100 до 199 Ач) или
    7 (емкость больше чем 200 Ач)

501…799 -> 1 Ач…299 Ач

Группа В. Идентификационный номер определяющий габариты, полярность, тип крепления за днище и т.д.

Структура группы В.

Физические характеристики такие как

  • габариты корпуса
  • полярность (расположение токовыводящих клемм)
  • тип крышки
  • тип крепления за днище, наличие ручек
  • система газоотвода

специфические электрические показатели

другие характеристики

  • вибропрочность
  • устойчивость к циклам заряда-разряда

Группа С. Ток разряда при -18 °C по стандарту ЕN

Структура группы С:

Значение в этой группе, умноженное на 10 дает величину тока разряда в Амперах. Ток разряда в новой системе EN измеряется по новой методике, отличной от методике стандарта DIN( ГОСТ). Для пересчета разрядного тока ЕN в ДИН необходимо разделить величину тока ЕN на коэффициент 1,7

Группа С Ток EN
033 330 А
042 420 А
054 540 А
105 1050 А

Таким образом номер 555 065 042 обозначает, что аккумуляторная батарея имеет номинальное напряжение 12 В, емкость 55 Ач (группа А), и ток разряда ЕN 420 А ( группа С), уникальный номер группы B информирует, что аккумулятор имеет “российскую” полярность, тип крепления B3 ( уточняется в каталоге).

Как определить степень заряженности аккумулятора по плотности электролита и напряжению на аккумуляторе.(*)

Степень заряженности

Степень разряженности

Плотность электролита
Г/cм3 (**)

Напряжение на аккумуляторной батарее В (***)

100%

0%

1,28

12,7

80%

20%

1,245

12,5

60%

40%

1,21

12,3

40%

60%

1,175

12,1

20%

80%

1,14

11,9

0%

100%

1,10

11,7

* указанные зависимости справедливы при температуре 20-25 °С
** плотность во всех ячейках должна быть равномерной и отличаться не более +-0,02-0,03,
*** Напряжение необходимо определять высокоомным омметром. Способ определения степени заряженности по напряжению справедлив только для аккумуляторов, находившихся в стационарном состоянии не менее 8 часов.

как проверить и повысить плотность электролита

Плотность электролита в аккумуляторе является важнейшим параметром для кислотных АКБ. От плотности электролита напрямую зависит срок службы и общая работоспособность батареи, емкость аккумулятора, способность накапливать и удерживать с заряд, а также работать под нагрузкой.

При этом в процессе эксплуатации  плотность в аккумуляторе может меняться, что указывает на необходимость проверки. Далее мы рассмотрим, какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе, как проверить плотность аккумулятора, а также как повысить плотность в аккумуляторе при такой необходимости в рамках обслуживания АКБ.

Содержание статьи

Какая плотность должна быть в аккумуляторе автомобиля

Итак, прежде чем рассматривать, какая должна быть плотность электролита и как правильно поднять плотность аккумулятора, важно понимать, что под самой такой плотностью следует понимать удельный вес кислоты в растворе, который залит в банки АКБ. 

Прежде всего, проверка плотности является важным этапом в рамках обслуживания АКБ. Так вот, в свинцовых батареях плотность измеряется в граммах на см3. Показатель плотности пропорционален концентрации раствора, а также зависит от температуры. Чем сильнее нагрет раствор, тем меньшей будет плотность.

При этом плотность электролита указывает на то, в каком состоянии находится АКБ. Как правило, если аккумулятор теряет способность держать заряд, необходимо проверять уровень и состояние электролита в банках. Такая проверка осуществляется ареометром, при этом температура должна быть около 25 градусов Цельсия. Если температура другая, необходимо внести отдельные поправки (можно использовать таблицу).

Идем далее. В процессе эксплуатации АКБ важно, чтобы показатель плотности электролита соответствовали норме, причем с учетом климатических условий.  Это значит, что плотность электролита зимой и летом отличается. Если климат умеренный (нет большой жары и холода), плотность электролита должна быть 1.25-1.27 г/см3. Если в регионе морозы больше -30, тогда значение повышают на 0,01 г/см3 больше, если же стоит сильная жара выше +30, тогда показатель уменьшают на 0,01 г/см3.

Если же морозы сильные (температура опускается до -50 °С), чтобы электролит в АКБ не замерз, в таком случае нужно повышать плотность электролита в аккумуляторе зимой до 1.29 г/см3.

Для наглядности, таблица плотности электролита в аккумуляторе позволяет понять, какой должна быть плотность аккумулятора зимой или летом, в условиях сильной жары или холода, в умеренном климате и т.д. При этом важно учитывать, что чем меньшей будет плотность, тем большим оказывается общий срок службы аккумулятора автомобиля. Это значит, что без необходимости повышать плотность не рекомендуется.

Еще нужно учитывать, что АКБ, установленная на машину, заряжена не на 100%, а на 85-90% от номинальной ёмкости. Это значит, что плотность электролита при замерах зачастую оказывается ниже по сравнению с полностью заряженной АКБ. По указанным выше причинам нужно выбрать значение, которое немного выше (на 0.01), чем приведено в таблице плотности. Такой подход  будет означать, что аккумулятор не замерзнет зимой.

Однако если речь идет о лете, слишком высокая плотность может привести к закипанию электролита в АКБ. Важно соблюдать баланс, так как повышение плотности сокращает срок службы батареи, тогда как понижение приводит к снижению напряжения, аккумулятор хуже крутит стартер, быстрее разряжается и т.д.

Еще добавим, что если зимой температура не падает ниже -30 и летом не повышается выше + 30, тогда изменять стандартное значение плотности аккумулятора не следует. Главное, следить, чтобы это значение постоянно сохранялось.

Плотность электролита в аккумуляторе зимой и летом

Итак, номинальная плотность электролита в аккумуляторе зимой составляет 1,27. Если температуры ниже -35, тогда плотность повышается до 1.28 г/см3. При этом дальнейшее увеличение плотности  также не рекомендуется.

Если же плотность снижена, например, до 1.09, тогда электролит замерзнет уже при -7 градусах по Цельсию. Однако, если зимой обнаружено, что плотность понизилась, вместо того, чтобы сразу ее поднимать, нужно сначала хорошо зарядить АКБ от зарядного устройства.

На деле, зимой часто во время коротких поездок аккумулятор не успевает зарядиться, плохо накапливает заряд и т.д. В результате снижается заряд АКБ, а также падает и плотность. При этом плотность  путем доливки кислоты изменять самостоятельно не рекомендуется.

Допускается изменение разве что путем использования дистиллированной воды для коррекции уровня (норма 1.5 см над пластинами в АКБ легковых авто или 3 см. в грузовых авто). При этом если АКБ новая или полностью работоспособная, изменение плотности электролита при  полном разряде и полном заряде должно быть на отметке 0.15-0.16 г/см3.

Еще важно учесть, что нельзя использовать разряженный аккумулятор при минусовой температуре, так как электролит замерзает и разрушаются свинцовые пластины.  На практике, если аккумулятор разряжен на половину зимой и больше чем на четверть летом, АКБ нужно подзарядить.

Что касается плотности аккумулятора летом, обычно банки пересыхают и плотность повышается. С учетом того, высокая плотность плохо влияет на пластины, лучше держать показатель на 0.02 г/см3 ниже оптимального значения в регионах с жарким климатом.

На деле, летом вода из банок АКБ активно испаряется, так как наружная температура воздуха и нагрев под капотом (где зачастую и стоит батарея) также приводят к сильному повышению температуры аккумулятора. В результате аккумулятор «кипит».

При этом понижение плотности не сказывается на качестве отдачи тока при нагреве АКБ. Например, даже при 1,22 г/см3 батарея будет хорошо крутить стартер. Получается, если на улице жарко, уровень электролита понижается и повышается плотность. В свою очередь, высокая плотность «убивает» батарею.

Чтобы этого не произошло, нужно проверять уровень электролита и доливать воду в аккумулятор, понижая плотность и поддерживая нужный уровень раствора в банках, чтобы предотвратить перезаряд и осыпание пластин. При этом следует помнить, что постоянные доливки воды в аккумулятор приводят к тому, что плотность падает.  При низкой плотности дальше пользоваться батареей нельзя, так как требуется повысить плотность электролита в аккумуляторе.

Как проверить плотность в аккумуляторе

Разобравшись с тем, на что влияет плотность в АКБ и какой она должна быть, перейдем к тому, как проверяется плотность в аккумуляторе. Такую проверку нужно выполнять каждые 20-25 тыс. км. пробега, а также  перед наступлением лета и зимы.

Для замера нужен прибор, который называется ареометр (денсиметр). Фактически, это стеклянная трубка с ареометром внутри. На одном конце есть наконечник из резины, а на другом груша.

Для проверки следует поочередно выкручивать крышки банок обслуживаемого аккумулятора, затем погрузить резиновый наконечник в раствор, грушей втянуть электролит. Далее ареометр со шкалой покажет, какова плотность раствора. Чем меньше плотность, тем ниже заряд батареи.

Кстати, еще добавим, что необслуживаемые АКБ проверить данным способом не удается, так как нет прямого доступа к банкам. При этом на таких АКБ есть особый цветовой индикатор  заряда (индикатор плотности) необслуживаемого аккумулятора.

Фактически, если индикатор зеленый, тогда это указывает, что АКБ заряжена на 65 или 100%. Если же плотность низкая и батарею нужно заряжать, тогда индикатор будет черным. Более того, если цвет, например, красный,  тогда это указывает на выкипание воды и необходимость долива. Кстати, на самой АКБ должна быть наклейка, указывающая, о чем говорит цвет индикатора в том или ином случае. 

Теперь вернемся к проверке. Проверка плотности электролита должна производиться на полностью заряженном аккумуляторе. При этом заряжать АКБ можно только тогда, когда уровень в банках в норме.  Другими словами, порядок следующий:

  • сначала корректируется уровень электролита, затем АКБ заряжается полностью;
  • после окончания зарядки и отключения ЗУ также следует дать батарее «устояться» около 2-3 часов.
  • после выполняется проверка плотности электролита в аккумуляторе.

Если долить воду или зарядить АКБ и сразу мерить плотность, данные будут не точными. Также важно измерять плотность при оптимальной температуре воздуха. Если имеют место отклонения, тогда  нужно сверяться с приведенной выше таблицей и вносить поправки.

Когда делается забор электролита, ареометр должен быть в покое и плавать, при этом не касаться стенок. Замеры из каждой банки АКБ следует записать. Важно, чтобы плотность электролита была приблизительно одинаковой во всех банках.

Если замечено, что плотность сильно понизилась в одной банке или нескольких, но не во всех, тогда это указывает на дефекты. Как правило, речь идет о коротком замыкании пластин аккумулятора. Если же плотность упала во всех банках, это указывает на то, что АКБ в глубоком разряде, пластины осыпались или старая батарея отработала свой ресурс.

Для точного определения причины нужно проверить напряжение аккумулятора мультиметром и с нагрузочной вилкой. В случае, когда плотность высокая, это также говорит о проблемах. Как правило, плотность повышается, когда электролит закипает.

Так или иначе, нужна корректировка с использованием корректирующего раствора или дистиллированной воды, после чего выполняется зарядка АКБ номинальным током (около 30 мин), а также затем батарея выдерживается нескольких часов в состоянии покоя. Это нужно, чтобы выровнять плотность в банках. Давайте рассмотрим,  как повысить плотность электролита в аккумуляторе, более подробно.

Как поднять плотность аккумулятора

Прежде всего, важно знать, как правильно поднимать плотность в аккумуляторе. Прежде всего, при работе с электролитом нужно быть предельно осторожным, так как в составе раствора есть серная кислота.

Кислота может вызывать ожоги кожи, слизистых и дыхательных путей. Работать с электролитом нужно в хорошо проветриваемом помещении, надевать перчатки, маску и т.д. Еще нужно учитывать все нюансы и знать, как поднять плотность в аккумуляторе.

Обратите внимание, необходимость это делать возникает в том случае, когда уровень электролита в банках несколько раз корректировался водой  или замеры плотности указывают, что плотность слишком низкая для зимы.

Также повышать плотность нужно после длительных перезарядок аккумулятора. Как правило, поднимать плотность нужно, если интервал заряда и разряда заметно сократился. Для понятия плотности АКБ можно использовать концентрированный электролит (корректирующий раствор электролита) или просто добавить кислоты.

В любом случае, нужно иметь ареометр, мерный стакан, емкость для разведения электролита, корректирующий  раствор электролита или кислоту, дистиллированную воду.

  • В общих чертах, из банки аккумулятора грушей откачивается немного электролита, затем в таком же количестве добавляется корректирующий электролит для поднятия плотности или дистиллированная вода для понижения;
  • Затем АКБ на 30 минут ставится на зарядку от ЗУ, заряжать нужно номинальным током, чтобы жидкость смешалась;
  • Далее батарея отключается от ЗУ, выдерживается пауза около 2-3 часов, чтобы за это время плотность во всех банках выровнялась, вышли пузырьки газов, снизалась температура;
  • Теперь можно снова проверить плотность электролита, при необходимости, повторить процедуру, уменьшая или увеличивая количество;
  • При замерах разница плотности во всех банках не должна быть больше 0,01 г/см3. Если такой плотности не удается добиться, тогда нужно снова делать так называемую выравнивающую зарядку, причем током, который в 2-3 раза меньше номинального тока заряда.

Чтобы было удобнее, рекомендуется заранее изучить, какой объем в см3 в каждой банке конкретного АКБ. Сам электролит имеет состав в следующих пропорциях: 40% серной кислоты на 60% дистиллированной воды. Кстати, пропорции и плотность можно рассчитывать и по формуле, однако на практике проще воспользоваться таким методом:

  • из банки откачивается жидкость и сливается в мерный стакан, что позволяет определить объем;
  • затем сливается половина от полученного количества, а другая заполняется электролитом (стакан нужно покачать для перемешивания).

Если значения плотности все равно низкие, тогда можно долить еще ¼  электролита от выкачанного из банки объема. Такой долив можно производить неоднократно, уменьшая количество в два раза.

При этом, если плотность в аккумуляторе слишком низкая (ниже 1.18), в этом случае недостаточно обычной доливки электролита. В подобной ситуации нужно добавлять кислоту (1.8 г/см3).

Сама процедура аналогична добавке электролита. Единственное, добавлять кислоту в раствор нужно шаг за шагом, так как можно сразу залить большое количество и превысить необходимые показатели. Обратите внимание, во время приготовления раствора в обязательном порядке нужно заливать кислоту в воду. Вливать воду в кислоту запрещается!

Советы и рекомендации

Как показывает практика, срок службы  АКБ (средних по цене) составляет 3-4 года, дорогие аналоги могут  прослужить на 1-2 года больше. При этом такие показатели возможны только в том случае, если соблюдаются правила эксплуатации  и обслуживания, а также оборудование исправно.

Прежде всего, важно не допускать перезаряда аккумулятора или, наоборот, глубокого разряда батареи. Как правило,  сильно посадить аккумулятор может сам владелец. Также к разряду приводят неисправности электрооборудования или ошибки при подключении. Так или иначе, потребители «тянут» заряд даже тогда, когда машина не используется, АКБ садится.  Что касается перезаряда, это может происходить в результате поломок реле-регулятора и т.д.

В любом случае, если аккумулятор необслуживаемый и/или старый (отработал больше 3-х или 4-х лет), тогда пытаться восстановить его работоспособность путем замены электролита не стоит.  Зачастую, в этом случае в банках уже осыпались пластины (частично или полностью). Результат- батарея не будет работать нормально даже со свежим электролитом.

Зачастую, если электролит в аккумуляторе стал коричневым или бурым, в морозы такая батарея если и будет работать, то плохо. Если же электролит почернел,  это указывает на то, что произошло осыпание  пластин и частицы попали в раствор. На деле, площадь поверхности пластин стала меньше. Получается, даже после обслуживания и зарядки получить  необходимые характеристики АКБ не представляется возможным. В таком случае  батарею лучше сразу поменять.

Что в итоге

Как видно, плотность электролита, уровень и его состояние в аккумуляторе  является важнейшими показателями. По этой причине даже не нормально работающих батареях нужно следить за уровнем электролита в банках АКБ, а также  проверять и корректировать плотность при  отклонении от нормы, с учетом климатических условий в регионе и т.д.

Напоследок отметим, что только правильное обслуживание, зарядка и соблюдение правил эксплуатации позволяет максимально повысить эффективность работы и увеличить срок службы аккумулятора автомобиля.

Читайте также

Повышение плотности электролита в АКБ

В холодное время года или после длительного простоя могут появиться проблемы с запуском двигателя. Это происходит из-за севшей АКБ. Длительная зарядка батареи не помогает справиться с этой проблемой, если плотность электролита значительно снизилась.

Почему снижается плотность

Плотность электролита изменяется во время использования аккумулятора. Когда батарея теряет заряд, показатель понижается, и наоборот. Очень низкая плотность электролита связана со следующими причинами:

  • Влияние низких температур в течение длительного времени;
  • Перезаряд АКБ, вследствие чего происходит выкипание электролита;
  • Регулярное добавление воды.

Воду в электролит доливать можно, но перед этим нужно проверять его плотность и не проводить процедуру без необходимости. Делайте замеры в каждой банке. Нормальные значения – от 1,25 до 1, 29. Чем холоднее регион, тем выше должна быть плотность.

Как повысить плотность

Чтобы провести процедуру повышения плотности, следуйте плану.

  1. Зарядите батарею (если АКБ разряжена, то при добавлении раствора, поднимется концентрация серной кислоты – пластины разрушается).
  2. Температура электролита должна быть от 20 до 25 градусов.
  3. Осмотрите аккумулятор: на нем не должно быть дефектов и повреждений, особое внимание уделите токовыводам.
  4. Если уровень в норме (от 1,18) долейте электролит с нормальной плотностью до 1,25.
  5. Выполняйте долив в каждой банке, используя клизму-грушу.
  6. Потрясите аккумулятор, чтобы новый раствор перемешался со старым.

Что делать при минимальной плотности

Если уровень упал ниже 1,18 долив электролита не поможет. Используйте аккумуляторную кислоту − у нее очень высокая плотность (1,84). Заливайте кислоту по описанной выше схеме. Выполняйте процедуру в защитной одежде, перчатках и маске в хорошо проветриваемом помещении или на открытом воздухе. Следите, чтобы кислота не попала на кожу – может появиться ожог.

Повышение плотности зарядным устройством

Повысить плотность электролита можно при помощи слабого тока. Такой способ требует больше времени. 

  1. Полностью зарядите АКБ.
  2. Жидкость начнет выкипать, произойдет испарение дистиллированной воды.
  3. Общий уровень электролита понизится.
  4. Долейте новый электролит необходимой плотности.
  5. Сделайте замеры ареометром.
  6. Если показания недостаточны, повторите процедуру, пока плотность не достигнет 1,25 г/см3.

Не спешите выбрасывать аккумулятор, если машина стала плохо заводиться. Попробуйте восстановить АКБ методом повышения плотности электролита. Это займет немного времени, но продлит жизнь батареи на несколько сезонов и сэкономит деньги.

А чтобы продлить жизнь своему акб, соблюдайте простые правила ухода. Читайте.

Какой плотности должен быть электролит в АКБ зимой. Все что нужно знать | Ремонт авто своими руками

Проверка плотности – это один из пунктов процесса обслуживания аккумуляторной батареи, так как от него будет зависеть степень заряженности и состояние АКБ. Что напрямую будет сказываться на том, сможете ли вы завести автомобиль при сильном морозе или нет. Поэтому если у вас в автомобиле стоит обслуживаемая батарее, то вы просто обязаны знать какая должна быть плотность электролита и что делать, когда она отличается от требуемого значения!

Плотность аккумулятора замеряется при температуре +25°С. В случае, если температура отличается от требуемой, в показания вносятся поправки (±0,01 г/см3).

Какой должна быть плотность в автомобильной АКБ

Плотность аккумулятора должна быть установлена исходя из совокупности требований и условий эксплуатации:

при умеренном климате должна находиться на уровне 1,25-1,27 г/см3 ±0,01 г/см3;

— в холодной зоне, с зимами до -30 градусов на 0,01 г/см3 больше;

— в жаркой субтропической — на 0,01 г/см3 меньше;

— в регионах, где зима особо сурова (до -50 °С) приходится повышать плотность от 1,27 до 1,29 г/см3, дабы аккумулятор не замерз.

Чем меньше плотность электролита в полностью заряженном аккумуляторе, тем он дольше прослужит.

Помните, что, как правило, аккумуляторная батарея, находясь на автомобиле, заряжена не более чем на 80-90 % её номинальной ёмкости, поэтому плотность электролита будет немного ниже, чем при полном заряде.

Высокая плотность электролита приводит к снижению срока службы аккумуляторной батареи. Низкая плотность электролита в аккумуляторе приводит к снижению напряжения, затрудненному пуску двигателя.

Высокая плотность электролита приводит к снижению срока службы аккумуляторной батареи. Низкая плотность электролита в аккумуляторе приводит к снижению напряжения, затрудненному пуску двигателя.

Заметьте, что ни зимой ни летом плотность электролита в аккумуляторе изменять не нужно, требуется лишь измерять и контролировать, чтобы она не отклонялась от номинального значения. Только в очень холодных зонах, где столбик термометра часто на отметке ниже -30 градусов (в плоть до -50), корректировка допускается.

Снижение плотности до 1,09 г/см3, приводит к замерзанию АКБ уже при температуре -7°С.

В том случае, если плотность и опустилась до критического значения, то это не значит, что ее нужно поднимать с помощью корректирующего раствора, сначала полностью зарядите аккумуляторную батарею при помощи зарядного устройства. Так как получасовые поездки от дому к работе и обратно не позволяют электролиту прогреется, и, следовательно, хорошо зарядится, ведь аккумулятор принимает заряд лишь после прогрева. Так что разряженность изо дня в день увеличивается, и в результате падает и плотность.

Интервал изменения плотности электролита от полного разряда до полного заряда у исправной АКБ не должен превышать 0,15-0,16 г/см3.

Измеряя плотность ареометром важно чтобы данные во всех ячейках были одинаковыми. Сильно пониженная плотность в какой-то из ячеек говорит о присутствии в ней дефектов. Но если она одинаково низкая во всех ячейках, то это свидетельствует о глубоком разряде, сульфатации или же просто устаревании.

Если возникает необходимость, делается корректировка плотности. Нужно будет отобрать определенный объем электролита с АКБ и добавить корректирующий (1,4 г/cм3) или же дистиллированной воды с последующей 30 минутной зарядкой номинальным током и выдержкой в течение нескольких часов для выравнивания плотности во всех отсеках.

Все нюансы смотрите здесь.

Информация была полезной не забывайте ставить палец вверх и ПОДПИСЫВАТЬСЯ!

Оптимизация максимальной удельной энергии литий-ионной батареи с использованием метода прогрессивно-квадратичной поверхности отклика и планирования экспериментов

Благодаря высокой теоретической плотности энергии и длительному сроку службы литий-ионные батареи (ЛИА) широко используются в качестве перезаряжаемых батарей. Спрос на мощные и емкие ЛИА резко вырос из-за увеличения спроса на электромобили и накопители энергии 1,2,3 . Чтобы соответствовать этой тенденции, необходимо повысить плотность энергии ЛИА.Для этого исследуются и разрабатываются новые электродные материалы. Однако разработка новых электродных материалов требует значительного времени и усилий; как таковые, многие исследователи в настоящее время проводят исследования того же самого.

Таким образом, одним из способов снижения стоимости исследований и разработок является оптимизация конструктивных параметров существующих электродных материалов, таких как пористость и толщина, для повышения мощности и производительности LIB 4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13,14,15 . Крайне важно оптимизировать переменные конструкции для достижения целевой производительности, поскольку мощность и емкость имеют компромиссное соотношение.Однако взаимосвязь между конструктивными переменными и характеристиками литий-ионных аккумуляторов сильно нелинейна; поэтому их трудно разработать экспериментальным путем. Для преодоления этих трудностей используется оптимизация с использованием численных моделей, учитывающих электрохимические реакции, что является эффективным методом. Недавние исследования были проведены для оптимизации переменных конструкции элемента с использованием численных моделей для проектирования аккумуляторов большой мощности/большой емкости 4 .

Ранее Ньюман провел параметрическое исследование с использованием графика Рагона, чтобы максимизировать удельную плотность энергии батареи 5,6,7,8,9,10,11 .График Рагона представляет собой простой график, показывающий взаимосвязь между удельной энергией и удельной мощностью клетки. Дойл и др. разработал электрохимическую модель для прогнозирования характеристик заряда и разряда батареи с использованием теории пористого электрода и теории концентрированного раствора. Это легло в основу последующих исследований по оптимизации LIB 5 . Путем параметрического исследования Дойл и Ньюман сравнили удельную плотность энергии ячеек, состоящих из электродов различной толщины, пористости и электролитов, и предложили оптимизированную ячейку, используя график Рагона 6,7,8 .Шринивасан и Ньюман оптимизировали пористость и толщину положительного электрода для различных скоростей С, сохраняя при этом соотношение емкости двух электродов, толщину и пористость сепаратора и пористость отрицательного электрода 9 . Кристенсен и др. оптимизировала толщину и пористость отрицательных электродов из титаната лития (LTO) для электромобилей и использовала график Рагона для прогнозирования мощности 10 . Стюарт и др. улучшил график Рагона с учетом импульсных характеристик гибридного электромобиля (ГЭМ) и оптимизировал удельную мощность к энергии элемента аккумуляторной батареи ГЭМ 11 .Аппиа и др. оптимизирована толщина и пористость катода LiNi 0,6 Co 0,2 Mn 0,2 O 2 посредством параметрического исследования с использованием графика Рагона 12 . Однако вывод оптимальных переменных с использованием графика Рагона и параметрического исследования может быть дорогостоящим в вычислительном отношении; как таковые, необходимы исследования с использованием методов численной оптимизации.

Например, Xue et al. выбрали 12 расчетных переменных, включая пористость электрода, коэффициент диффузии и различные коэффициенты C, и рассчитали градиент с помощью метода комплексной пошаговой аппроксимации.Затем они оптимизировали удельную плотность энергии, используя методы последовательного квадратичного программирования 13 . Голмон и др. разработала многомасштабную модель батареи, которая дополнительно учитывала микромасштаб, использовала сопряженный анализ чувствительности для расчета градиента и оптимизировала емкость батареи 14 . Changhong Liu и Lin Liu оптимизировали потерю емкости батареи с помощью алгоритма на основе градиента, называемого поиском с несколькими начальными точками, и уменьшили потерю емкости ячейки на 22% 15 .Однако оптимизация на основе градиента — сложный процесс, требующий различных этапов вычислений и времени. Более того, он чувствителен к численному шуму, и результаты оптимизации сходятся к локальному оптимуму 16 .

Чтобы избежать недостатков оптимизации на основе градиента, исследователи изучили множество алгоритмов, не требующих вычисления градиента 17,18,19 . Среди них метод прогрессивной квадратичной поверхности отклика (PQRSM) является одним из методов последовательной приближенной оптимизации (SAO), который можно эффективно применять к нелинейным задачам без вычислений градиента 20 .Кроме того, PQRSM применяет алгоритм области доверия, который гарантирует слабую глобальную сходимость и имеет низкую вероятность сходимости на локальном оптимуме 21,22,23 . Кроме того, в отличие от параметрического исследования с использованием графика Рагона, которое требует сотни симуляций для анализа одной ячейки, PQRSM требует меньше вычислений для получения оптимальных результатов. Благодаря этим преимуществам PQRSM используется в различных областях техники; однако он никогда не применялся для оптимизации LIB 24,25 .

В этом исследовании оптимизация максимальной удельной плотности энергии ячейки ЛИА выполняется с использованием планирования экспериментов, PQRSM и электрохимической модели ЛИА, которая используется для расчета удельной плотности энергии и удельной мощности. Сначала был проведен план экспериментов (DOE) для анализа чувствительности восьми факторов конструкции ячейки, включая толщину анода, толщину катода, толщину сепаратора, пористость анода, пористость катода, пористость сепаратора, размер частиц анода и размер частиц катода.Расчетные факторы, чувствительные к удельной плотности энергии и удельной плотности мощности, были выбраны в качестве проектных переменных посредством анализа чувствительности DOE. PQRSM, который гарантирует слабую глобальную сходимость и не требует вычисления градиента, был использован в качестве алгоритма оптимизации для максимизации удельной плотности энергии LIB. После оптимизации различия в удельной плотности энергии и удельной мощности исходной и оптимизированной ячейки сравнивались посредством разряда постоянным током.Он подтвердил превосходство оптимизированного результата проектирования.

Поразительная плотность новой литиевой батареи обещает большой запас хода для электромобилей

Чтобы электрические самолеты действительно взлетали, а электромобили могли преодолевать большие расстояния без подзарядки, нам потребуются батареи, которые накапливают гораздо больше энергии, но при этом не становятся непомерно тяжелыми. Команда из Германии продемонстрировала новый литий-металлический аккумулятор с плотностью, значительно превышающей важный эталонный показатель в 500 Вт⋅ч/кг, и способностью сохранять свою производительность в течение сотен циклов.

Современные литий-ионные аккумуляторы прекрасно справляются с работой современного мира, от электромобилей до смартфонов и портативных компьютеров, но ученые видят большой потенциал, который можно раскрыть, изменив их архитектуру. Одной из наиболее многообещающих возможностей является замена графита, используемого в одном из электродов батареи, на чистый металлический литий, материал, который может удерживать в 10 раз больше энергии.

По этой причине металлический литий провозглашается некоторыми исследователями аккумуляторов «материалом мечты» и вполне может помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но до сих пор эту технологию беспокоили проблемы со стабильностью.Во многом это связано с неблагоприятными реакциями между раствором электролита, который несет ионы лития, и двумя электродами батареи, катодом и анодом.

Среди многих исследовательских групп, работающих над решением этой проблемы, есть группа из Технологического института Карлсруэ и Института Гельмгольца в Ульме (HIU), которые разработали конструкцию, которая в значительной степени обходит эту проблему. Исследователи начали с того, что описывается как слоистый катод с низким содержанием кобальта и богатым никелем (NCM88) и коммерчески доступный органический электролит под названием LP30.В то время как катод достиг высокой плотности энергии, вскоре возникла нестабильность, и емкость аккумулятора уменьшилась по мере того, как батарея перезаряжалась.

«В электролите LP30 частицы трескаются на катоде, — объясняет профессор Стефано Пассерини, директор HIU. — Внутри этих трещин электролит вступает в реакцию и повреждает структуру. Кроме того, на аноде образуется толстый моховой литийсодержащий слой».

Поэтому команда заменила электролит LP30 на альтернативный, который значительно повысил производительность.Этот ингредиент, описанный как нелетучий, плохо воспламеняющийся двуханионный ионный жидкий электролит (ИЛЭ), в значительной степени позволяет избежать структурных дефектов на катоде и спасает батарею от фатальных электрохимических реакций.

«С помощью ИЛЭ можно значительно уменьшить структурные модификации катода с высоким содержанием никеля, — говорит д-р Гук-Тае Ким.

Результаты справедливо названы «замечательными». Литий-металлическая батарея с такой архитектурой имела плотность энергии 560 Втч/кг.Для сравнения, существуют исследовательские консорциумы, занимающиеся преодолением порога плотности в 500 Втч/кг для питания электромобилей следующего поколения, в то время как сегодняшние лучшие в своем классе литий-ионные батареи имеют плотность энергии от 250 до 300 Втч/кг. .

Ранее в этом году мы сообщали о рекордной литий-металлической батарее с плотностью энергии 350 Втч/кг, которая сохранила 76 процентов своей емкости в течение 600 циклов. С точки зрения долговечности новая конструкция литий-металлической батареи также показала себя на удивление хорошо, начиная с начальной емкости 214 мАч/г в материале катода и сохраняя 88% этой емкости в течение 1000 циклов.

На диаграмме показаны характеристики недавно разработанной литий-металлической батареи по сравнению с более традиционной конструкцией

Fanglin Wu and Dr. Matthias Künzel, KIT/HIU

.

Еще одной областью, в которой новый литий-металлический аккумулятор оказался очень эффективным, была его кулоновская эффективность, которая связана с тем, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом. Зарядка 100 ионов лития, а затем получение 100 ионов лития обратно после разряда будет иметь кулоновскую эффективность 100 процентов, и, по словам Йи Цуй, профессора материаловедения, инженерии и фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, коммерческие батареи нуждаются в эффективности на уровне минимум 99.9 процентов, чтобы быть жизнеспособным. Создатели этой новой литий-металлической батареи сообщают о среднем кулоновском КПД 99,94%.

Предстоит проделать большую работу, чтобы перенести эти многообещающие результаты на лабораторных элементах в реальный мир, но стабильная батарея, обеспечивающая такую ​​высокую плотность энергии, может изменить правила игры, когда речь идет об электрическом транспорте. Электрические самолеты, например, сильно ограничены плотностью энергии современных батарей и поэтому могут преодолевать только относительно короткие расстояния.Ограниченный запас хода электромобилей можно в некоторой степени решить за счет расширения инфраструктуры зарядки, но тип высокого отношения энергии к весу, наблюдаемый в этой батарее, может позволить им преодолевать огромные расстояния и многое сделать для подавления так называемого беспокойства по поводу запаса хода среди людей. потенциальных покупателей.

Исследование опубликовано в журнале Джоуль.

Источник: Технологический институт Карлсруэ

Плотность энергии в зависимости от плотности мощности

Плотность энергии — это количество энергии в данной массе (или объеме), а плотность мощности — это количество энергии в данной массе.Различие между ними подобно разнице между Энергией и мощностью. Батареи имеют более высокую плотность энергии, чем конденсаторы, но конденсатор имеет более высокую плотность мощности, чем батарея. Это различие связано с тем, что батареи способны хранить больше энергии, а конденсаторы могут отдавать энергию быстрее.

Плотность энергии

полный артикул

Если система имеет высокую плотность энергии, то она способна хранить большое количество энергии при небольшом количестве массы.Высокая плотность энергии не обязательно означает высокую плотность мощности. Объект с высокой плотностью энергии, но низкой удельной мощностью может выполнять работу в течение относительно длительного периода времени. [1] Примером такого типа накопителя энергии является мобильный телефон. Его мощности хватит на большую часть дня, но для подзарядки устройства его необходимо подключить к другому источнику питания на час и более.

Рисунок 1. Это демонстрирует взаимосвязь между плотностью энергии и плотностью мощности. Например, топливные элементы будут иметь очень высокую плотность энергии при относительно низкой плотности мощности. [2]

Плотность мощности

полный артикул

Если система имеет высокую удельную мощность, она может выдавать большое количество энергии в зависимости от своей массы. Например, крошечный конденсатор может иметь такую ​​же выходную мощность, как большая батарея. Однако, поскольку конденсатор намного меньше, он имеет более высокую удельную мощность. Поскольку они быстро высвобождают свою энергию, системы с высокой удельной мощностью также могут быстро перезаряжаться. Примером применения этого типа накопителя энергии является фотовспышка.Он должен быть достаточно маленьким, чтобы поместиться внутри камеры (или мобильного телефона), но иметь достаточно высокую выходную мощность, чтобы осветить объект вашей фотографии. это делает систему с высокой удельной мощностью идеальной.

Пример

Чтобы лучше понять плотность энергии, представьте себе людей, разжигающих костер во время кемпинга. Настал вечер, пора угощаться, а значит, пора разводить костер. Естественно, костер сначала разжигают растопкой. Высокое отношение площади поверхности к объему означает, что он быстро сгорает — высокая удельная мощность.Как только огонь разгорается, растопка больше не является хорошим топливом, потому что она сгорает слишком быстро. Теперь огонь лучше горит с поленьями, потому что они имеют большую плотность энергии. Одно бревно хорошо горит долго.

Для дальнейшего чтения

Ссылки

  1. ↑ Б. Э. Лейтон, «Сравнение плотности энергии распространенных источников энергии в джоулях на кубический метр», Int. J. Зеленая энергия , том. 5, нет. 6, стр. 438-455, декабрь 2008 г.
  2. ↑ «Файл:Таблица литий-ионных конденсаторов.png — Wikimedia Commons», Commons.wikimedia.org, 2018. [В сети]. Доступно: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lithium_Ion_Capacitor_Chart.png. [Дата обращения: 13 июля 2018 г.].

Литий-ионный аккумулятор с самой высокой плотностью энергии – определение и значение_ Аккумулятор Greenway

В этой статье мы поговорим о ионно-литиевых батареях, имеющих самую высокую плотность энергии. Начиная с определения плотности энергии, мы поговорим о причине, по которой литий-ионные батареи имеют такую ​​высокую плотность энергии.Наконец, мы обсудим важность высокой плотности энергии для батареи.

Какова плотность энергии ионно-литиевой батареи?

Плотность энергии любой батареи описывает количество энергии, которое она может хранить на единицу массы или объема. Следовательно, батарея с более высокой плотностью энергии может питать электрическую нагрузку дольше, чем батарея с низкой плотностью энергии, но такой же массой или объемом. Часто измеряется только извлекаемая или полезная энергия, а это означает, что химически недоступная энергия, такая как энергия массы покоя, не измеряется или игнорируется.Плотность энергии обычно выражается двумя способами: объемной плотностью энергии, которая выражается в ватт-часах на литр (Втч/л), и гравиметрической плотностью энергии, также называемой удельной энергией, которая выражается в ватт-часах на килограмм (Втч/л). кг).

Термины «емкость», «энергия» и «мощность» с научной точки зрения имеют разные значения, и именно здесь люди очень путаются в отношении батарей. Когда говорят о батареях большой емкости, тебя не особо волнует емкость, тебя волнует энергия и мощность.Мощность отличается от плотности энергии, поскольку она указывает, сколько энергии батарея может выдать по запросу, тогда как плотность энергии описывает, сколько энергии батарея может хранить на единицу массы или объема.

Аналогию между мощностью и плотностью энергии можно провести с бутылкой воды. Пусть размер бутылки будет плотностью энергии, а отверстие обозначает плотность мощности. Если бутылка большого размера, она может вместить много воды, а большое горлышко может быстро наполнить ее порами. Таким образом, большая бутылка с большим горлышком — лучшее сочетание.То же самое относится и к батареям — высокая плотность энергии и высокая плотность мощности создают наилучшее сочетание в батареях.

Высокая плотность энергии достигается в ионно-литиевых батареях из-за того, что соединение работает как положительный электрод (катод), который представляет собой оксид лития-кобальта. Литий-ионные батареи обычно имеют вдвое большую плотность энергии, чем стандартные никель-кадмиевые. У них есть потенциал для хранения большого количества энергии, что приводит к более высокой плотности энергии. Высокая плотность энергии является самым большим преимуществом литий-ионных аккумуляторов, что делает их более привлекательными для портативных устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки.

Почему ионно-литиевые батареи имеют высокую плотность энергии?

Литий-ионные батареи, используемые в портативных устройствах, в основном основаны на кобальте. Эти батареи состоят из оксида лития-кобальта (LiCoO2) в качестве материала катода и графитового углерода в качестве материала анода. Оксид кобальта обеспечивает высокую плотность энергии в литий-ионных батареях.

Ни при каких условиях, если вы формируете металлический литий или вы не должны формировать металлический литий. Если у вас есть металлический литий в качестве отрицательного электрода, то, что вы можете сделать, это уже не литий-ионный аккумулятор, а литий-металлический аккумулятор.

Литий-ионные батареи, как правило, намного легче по сравнению с другими типами перезаряжаемых батарей того же размера. Электроды литий-ионных аккумуляторов состоят из легкого углерода и лития. Литий — очень реактивный металл, а это означает, что его атомные связи могут хранить много энергии. По этой причине литий-ионные батареи имеют высокую плотность энергии.

Вот описание, чтобы получить ваше представление о плотности энергии. Самый распространенный тип литий-ионного аккумулятора может хранить 150 ватт-часов электроэнергии на килограмм аккумулятора.Никель-металлогидридный (NiMH) аккумулятор может хранить около 100 ватт-часов на 1 кг батареи, хотя более распространенными могут быть 60-70 ватт-часов. Свинцово-кислотная батарея может хранить 25 ватт-часов только в 1 килограмме батареи. Теперь вы можете себе представить, что для хранения свинцово-кислотного аккумулятора требуется 6 кг энергии, равной которой может выдержать литий-ионный аккумулятор весом 1 кг. Это большая разница.

Литий-ионные батареи полностью изменили способ использования источников питания для работы различных технологий.От сотовых телефонов до транспортных средств и машин литий-ионные аккумуляторы могут стать отличным источником энергии в будущем. Эти батареи имеют самую высокую плотность энергии, чем большинство других типов батарей, что делает их одним из самых полезных и мощных источников энергии, которые можно использовать.

Насколько важна высокая плотность энергии для аккумулятора?

С электронными устройствами, такими как ноутбуки и мобильные телефоны, которые должны работать дольше между зарядками, но при этом потреблять больше энергии, всегда требуются батареи с гораздо более высокой плотностью энергии.В дополнение к этому электромобилям также нужна батарея с очень высокой плотностью энергии.

Материал может хранить различные типы энергии, и для высвобождения каждого типа энергии требуется определенный тип реакции. В частности, выделяют четыре типа реакций: ядерные, химические, электрохимические и электрические. Животные используют химические реакции для извлечения энергии из пищи. Автомобили также используют химические реакции для получения энергии из бензина. Большинство мобильных устройств, таких как мобильные телефоны и портативные компьютеры, используют электрохимические реакции для высвобождения энергии из батарей.Таким образом, батарея с высокой плотностью энергии более полезна, чем батарея с низкой плотностью энергии, потому что батарея с высокой энергией имеет более длительный срок службы батареи.

Растущий спрос на батареи заставил ученых и поставщиков сосредоточиться на повышении плотности энергии, безопасности, долговечности, рабочей температуры, выходной мощности, времени зарядки и стоимости технологии литий-ионных аккумуляторов.

Литий-ионные батареи имеют более высокую квоту энергии по сравнению с другими перезаряжаемыми батареями.Таким образом, они считаются более мощными для использования в машинах, электронике и транспортных средствах. Литий-ионные аккумуляторы легкие и обеспечивают высокую плотность энергии для ряда устройств, таких как портативные устройства, электроинструменты и электромобили. Для обеспечения энергией более крупных устройств, таких как электромобили, подключение нескольких небольших батарей в параллельную цепь более эффективно и действенно, чем подключение одной большой батареи.

литий-ионный аккумулятор аккумулятор для электровелосипеда литиевый аккумулятор

Три аккумуляторные технологии, которые могут обеспечить энергией будущее | Сафт

Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме.Наши стратегии хранения энергии в настоящее время формируются за счет литий-ионных аккумуляторов, являющихся передовыми технологиями, но на что мы можем рассчитывать в ближайшие годы?

Давайте начнем с некоторых основ батареи. Батарея представляет собой набор из одного или нескольких элементов, каждый из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование для них различных химикатов и материалов влияет на свойства батареи — сколько энергии она может хранить и выдавать, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз ее можно разряжать и перезаряжать (также называемая циклической емкостью).

Аккумуляторные компании постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и более мощные химические вещества. Мы поговорили с Патриком Бернардом, директором по исследованиям Saft, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с трансформационным потенциалом.

 

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Что это?

В литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторах накопление и высвобождение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного электрода к отрицательному туда и обратно через электролит.В этой технологии положительный электрод действует как первоначальный источник лития, а отрицательный электрод — как носитель лития. Несколько химических элементов собраны под названием литий-ионных аккумуляторов в результате десятилетий отбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве материалов для положительных положительных результатов. Графит, а также графит/кремний или литированные оксиды титана используются в качестве негативных материалов.

Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология с использованием реальных материалов и конструкций элементов достигнет предела энергопотребления. Тем не менее, недавние открытия новых семейств прорывных активных материалов должны разблокировать нынешние ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность. Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.

Каковы его преимущества?

Сегодня среди всех современных технологий хранения данных технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает самый высокий уровень плотности энергии. Такие характеристики, как быстрая зарядка или рабочий температурный диапазон (от -50°C до 125°C), могут быть точно настроены благодаря большому выбору конструкций элементов и химических составов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также цикличность, обычно тысячи циклов зарядки/разрядки.

Когда нам его ожидать?

Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто до первого поколения твердотельных аккумуляторов. Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морского, железнодорожного, авиационного и внедорожного), где необходимы высокая энергия, высокая мощность и безопасность.

 

ЛИТИЙ-СЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Что это?

В литий-ионных батареях ионы лития накапливаются в активных материалах, действующих как стабильные структуры-хозяева во время заряда и разряда.В литий-серных (Li-S) батареях нет структур-хозяев. При разрядке литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения; при зарядке происходит обратный процесс.

Каковы его преимущества?

В Li-S аккумуляторе используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-иона.Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

Компания Saft выбрала и одобрила наиболее многообещающую технологию Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и устраняет основные недостатки жидкого Li-S (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. д.).

Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные аккумуляторы благодаря превосходной гравиметрической плотности энергии (+30% на кону в Втч/кг).

Когда нам его ожидать?

Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к полномасштабным прототипам.

Ожидается, что для приложений, требующих длительного срока службы батареи, эта технология выйдет на рынок сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

 

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ

Что это?

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологии.В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (это также называется ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития мигрировать внутри него. Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет — благодаря интенсивным исследованиям во всем мире — были открыты новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, аналогичной жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот особый технологический барьер.

Сегодня усилия компании Saft Research & Development сосредоточены на двух основных типах материалов: полимерах и неорганических соединениях с целью получения синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…

Каковы его преимущества?

Первым огромным преимуществом является заметное повышение безопасности на уровне элемента и батареи: твердые электролиты негорючи при нагревании, в отличие от их жидких аналогов. Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с высокой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения в результате снижения саморазряда.Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.

Поскольку батареи могут демонстрировать высокое отношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.

Когда нам его ожидать?

Несколько видов полностью твердотельных аккумуляторов, вероятно, появятся на рынке по мере дальнейшего технического прогресса. Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность.Со временем более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Будущее литий-ионных и твердотельных аккумуляторов

Аккумуляторы всегда были важнейшей конструктивной особенностью всего, от ручных инструментов до компьютеров и мобильных телефонов, от источников бесперебойного питания до спутников. В течение многих лет ведутся исследования аккумуляторов, направленные на увеличение плотности энергии (количество энергии при заданном размере и весе).Потребность в большей плотности энергии возникла во время подъема портативных устройств, от промышленных измерительных инструментов до мобильных телефонов. Увеличение количества телекоммуникационных спутников означало, что вес батареи был фактором. Каждый технологический прогресс, как правило, выдвигал на передний план возможности аккумуляторов. В то время как лаборатории работали над усовершенствованием аккумуляторных технологий, электронные технологии продолжали развиваться быстрее, требуя все большего количества энергии и мощности.

Но только когда на сцену вышли электромобили (EV), производители начали серьезно задумываться о важности аккумуляторов для обеспечения большего запаса хода, большей надежности и снижения затрат.Для рынка электромобилей размер и вес так же важны, как и срок службы. Аккумуляторы, классифицируемые как первичные (одноразовые, как правило, для долгосрочных приложений с низким энергопотреблением) и вторичные (перезаряжаемые) батареи, претерпевают одно нововведение за другим, поскольку они пытаются обеспечить большую плотность энергии, чем когда-либо прежде.

Текущее состояние батарей
Сегодня современная технология производства первичных аккумуляторов основана на металлическом литии, тионилхлориде (Li-SOCl2) и оксиде марганца (Li-MnO2).Они подходят для долгосрочных приложений от пяти до двадцати лет, включая учет, электронный сбор платы за проезд, отслеживание и Интернет вещей (IoT). Ведущим химическим составом для перезаряжаемых батарей, используемых в телекоммуникациях, авиации и железнодорожном транспорте, являются батареи на основе никеля (Ni-Cd, Ni-MH). Аккумуляторы на основе лития (Li-ion) доминируют на рынке бытовой электроники и расширили свое применение на электромобили (EV). Здесь важно отметить, что количество литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, превышает объем мобильных и ИТ-приложений вместе взятых.

Литий-ионные аккумуляторы, подстегиваемые ростом рынка мобильных телефонов, планшетов и портативных компьютеров, вынуждены достигать все более высокой плотности энергии. Плотность энергии напрямую связана с количеством часов, в течение которых батарея может работать. Специалисты по батареям в этой области постоянно корректировали технологию для увеличения плотности, в том числе меняли химический состав и модифицировали конструкции. Они даже изучили цепочку поставок сырья, посчитав, что добывать кобальт в качестве добавки к литий-ионным конструкциям дорого и сложно.Плотность энергии измеряется в ватт-часах на килограмм (Втч/кг). Литий-ионные конструкции обеспечивают самую высокую плотность до 250-270 Втч/кг для имеющихся в продаже аккумуляторов. Для сравнения, свинцово-кислотные батареи предлагают менее 100 Втч/кг, а никель-металлогидридные батареи едва превышают 100 Втч/кг. В дополнение к плотности энергии, удельная мощность также является важным фактором. Плотность мощности измеряет скорость разрядки (или зарядки) аккумулятора по сравнению с плотностью энергии, которая является мерой общего количества заряда.Например, аккумулятор большой мощности можно разрядить всего за несколько минут по сравнению с . высокоэнергетическая батарея, которая разряжается за несколько часов. Конструкция батареи по своей сути обменивает плотность энергии на плотность мощности. По словам Джуна Сан Парка, технического менеджера по твердотельным технологиям, «литий-ионные аккумуляторы могут быть чрезвычайно мощными с точки зрения плотности мощности, и Saft производит литий-ионные элементы с одной из самых высоких удельных мощностей в мире, используемые в Joint Strike Fighter и Гоночные аккумуляторы Формулы-1 мощностью до 50 кВт/кг.

Технология литий-ионных аккумуляторов значительно продвинулась за последние 30 лет, но лучшие литий-ионные аккумуляторы приближаются к пределу своих возможностей из-за ограничений материалов. У них также есть серьезные проблемы с безопасностью, такие как воспламенение при перегреве, что приводит к увеличению затрат, поскольку в аккумуляторную систему должны быть встроены функции безопасности.

Рекомендуется для вас: Разработка аккумуляторов для быстрой зарядки

 Отвечая на вопрос о материалах, альтернативных литий-ионным, Пак сказал: «Разрабатываются альтернативные материалы и химический состав аккумуляторов, которые выходят за рамки литий-ионных, включая литий-серу, натрий, конструкции на основе магния (Li/S, Na, Mg).Они, безусловно, имеют потенциальные преимущества перед существующими литий-ионными батареями с точки зрения плотности энергии или стоимости после коммерциализации. Тем не менее, зрелость технологии на данный момент все еще низка по сравнению с литий-ионными аккумуляторами. Следовательно, чтобы конкурировать с литий-ионными аккумуляторами, необходимы дальнейшие прорывы от используемых материалов к производству». В конечном счете, похоже, что Li/S аккумуляторы не готовы к коммерциализации из-за разрыва между практическим производством и академическими исследованиями в настоящее время, но серьезно исследуются.

Парк объясняет: «стремление уменьшить углеродный след также стимулирует развитие устойчивого производства энергии, такой как солнечная и ветровая, в сочетании с устройством хранения, таким как батарея». Это намекает на то, что более высокие требования приводят к инновациям в выборе материалов, дизайне и производственных процессах. Такие материалы, как твердый полимер, керамика и стеклянный электролит, позволяют создавать твердотельные батареи и новые экологически безопасные процессы, исключающие использование токсичных растворителей, используемых в процессе производства литий-ионных батарей.

Твердотельные батареи
Хотя текущая промышленность сосредоточена на литий-ионных батареях, наблюдается переход к твердотельным батареям. По словам Дуга Кэмпбелла, генерального директора и соучредителя Solid Power Inc., «литий-ионные аккумуляторы, впервые изобретенные и выпущенные на рынок в 90-х годах, в целом остались прежними. У вас практически те же комбинации электродов с небольшими изменениями. Промышленность извлекла из этой технологии максимум возможного.Solid Power экспериментировала с несколькими типами материалов, включая полимеры, оксиды и сульфиды. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Благодаря своим исследованиям они решили продолжить разработку сульфидной технологии.

Проверьте свои знания: Что вы знаете об электрификации сельской местности?

 Может показаться, что переход от батареи с жидким электролитом к твердотельной батарее выходит за рамки традиционной конструкции, но он направлен на то, чтобы превзойти нынешние возможности по плотности энергии.Металлический литий образует дендриты в системе жидких аккумуляторов, что снижает срок службы и безопасность аккумуляторов. Замена высокореакционноспособного жидкого электролита твердотельным электролитом, который по своей природе более безопасен и механически более жесток, увеличивает плотность энергии батареи без ущерба для безопасности.

Технология твердотельных аккумуляторов включает твердые металлические электроды, а также твердый электролит. Хотя химический состав в целом одинаков, твердотельные конструкции позволяют избежать утечек и коррозии на электродах, что снижает риск возгорания и снижает затраты на проектирование, поскольку устраняет необходимость в средствах безопасности.Конструкция с твердым электролитом также позволяет уменьшить форм-фактор, что означает меньший вес. Самое главное, ожидается, что твердотельные батареи преодолеют существующие в настоящее время ограничения по плотности энергии. Считается, что использование металлического лития теоретически удвоит емкость технологии литий-ионных элементов при соответствующей разработке. Металлический литий имеет в 10 раз большую емкость, чем стандартные угольные аноды, используемые в современных литий-ионных батареях.

Зачем переходить на твердотельные батареи
В настоящее время отрасль переходит на твердотельные батареи по нескольким причинам.Прежде всего, стандартные литиевые батареи с жидким электролитом натолкнулись на теоретические пределы используемых комбинаций электродов, даже при точной настройке конструкции для увеличения плотности. Тем не менее, с точки зрения рынка, поскольку электромобили набирают силу на рынке, существует значительная потребность в постоянном увеличении плотности энергии, где каждое увеличение прямо пропорционально увеличению запаса хода автомобиля и времени автономной работы в целом. Потребность в электродах с гораздо большей емкостью, таких как твердый металлический литий, означает, что вы ожидаете от 50 до 100 процентов улучшения ватт-часа на килограмм.Кроме того, некоторые дополнительные преимущества включают замену летучего и легковоспламеняющегося жидкого электролита стабильным и твердым материалом, который не будет демонстрировать проблему теплового разгона, наблюдаемую в прошлом, например, твердый литий-ионный химический состав намного безопаснее.

Тем не менее, есть еще вопросы, которые необходимо решить, например, какие материалы являются наиболее эффективными и какие методы производства обеспечивают наименьшую стоимость конечного продукта. В настоящее время твердотельные батареи, способные конкурировать на рынке, ограничены небольшими элементами.Первыми коммерчески доступными твердотельными батареями являются тонкопленочные батареи. Эти нанобатареи состоят из слоистых материалов, которые функционируют как электроды и электролиты. Тонкопленочные твердотельные батареи по структуре напоминают обычные перезаряжаемые батареи, за исключением того, что они очень тонкие и гибкие. Помимо легкого веса и небольшого размера, тонкопленочные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии для небольших электронных устройств, таких как кардиостимуляторы, беспроводные датчики, смарт-карты и метки RFID.

Помимо решения проблем доступности и масштаба, твердотельные батареи также имеют технологические проблемы. Твердотельные батареи намного безопаснее, но все еще существует проблема дендритов, корнеобразных отложений, которые образуются на металлическом литии в анодах, образующихся при зарядке и разрядке батареи. Накопление дендритов снижает емкость твердого электролита и, следовательно, накопленный заряд.

Поиск подходящего материала сепаратора, который позволяет ионам лития проходить между электродами, а также блокирует дендриты, является самой сложной задачей для разработчиков.Согласно недавней статье Стабильность интерфейса в твердотельных батареях , исследователи использовали такие материалы, как полимер, который широко используется в батареях с жидким электролитом, или твердую керамику. Полимер не блокирует дендриты, а большая часть используемой керамики хрупка и не выдерживает многократных циклов зарядки. Ожидается, что после того, как проблема дендритов будет решена, твердотельные батареи предложат потребителям некоторые заманчивые преимущества в производительности: более быструю зарядку, более высокую плотность энергии, более длительный жизненный цикл и большую безопасность.

Еще одним разрабатываемым методом является безанодная конструкция. Когда аккумулятор разряжается во время использования, литий течет от анода к катоду. В этом случае толщина анода уменьшается. Этот процесс меняется на обратный, когда аккумулятор заряжается и ионы лития возвращаются в анод.

Вам также может понравиться: Как пищевая сеть может поддерживать подачу электроэнергии

Другая компания, Sion Power, перешла с Li/S на Licerion Lithium-Metal Technology.Согласно их технической информации, Sion Power преодолела проблемы, которые преследовали исторические химические процессы с металлическим литием — плотность энергии (Втч / л) и срок службы — путем разработки многогранного подхода к защите металлического литиевого анода. Они включают три уровня защиты: химическая защита внутри ячейки, физическая защита внутри ячейки и физическая защита на уровне упаковки. В них используется запатентованная технология защищенного литиевого анода (PLA), при которой металлический литий-анод физически защищен тонким, химически стабильным и ионопроводящим керамическим полимерным барьером.Это позволяет добавкам электролита на уровне ячейки стабилизировать поверхность анода, что увеличивает срок службы и увеличивает энергию. Пакет включает в себя запатентованное сжатие ячеек и усовершенствованную систему управления батареями.

Будущее хранения энергии
Гонка продолжается. В условиях стремительного роста продаж электромобилей потребность в высокоплотных, долговечных и недорогих батареях означает, что конкурентная среда для твердотельных батарей становится тесной.Это отличная новость для исследований и разработок этих батарей, поскольку это необходимо для быстрого вывода твердотельных батарей на рынок. На данный момент несколько материалов и конструкций изучаются и демонстрируют значительный прогресс.

Поскольку небольшие элементы уже доказали более высокие возможности, необходимые для твердотельных батарей, это только вопрос времени, когда производственные процессы станут на свои места и для более крупных батарей. Несколько компаний предположили, что мы увидим эти батареи на рынке уже в следующем году для одних и к 2025 году для других.Как только производство наверстает упущенное, как в случае с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом, технологические инновации подтолкнут нас дальше. Это означает, что мы, вероятно, увидим изменение материалов и подходов к дизайну, которые будут расширять возможности аккумуляторов на долгие годы.

Терри Персун — писатель по технологиям из Порт-Таунсенд, штат Вашингтон,
. Зарегистрируйтесь для участия в нашей предстоящей серии вебинаров по экологически чистой энергии: «Зеленый переход»

Достигнута одна из самых высоких плотностей энергии в мире — ScienceDaily

NIMS и Softbank Corp.разработали литий-воздушную батарею с плотностью энергии более 500 Втч/кг, что значительно выше, чем у нынешних ионно-литиевых батарей. Затем исследовательская группа подтвердила, что эту батарею можно заряжать и разряжать при комнатной температуре. Кроме того, команда обнаружила, что батарея, разработанная командой, демонстрирует самую высокую плотность энергии и лучшие характеристики жизненного цикла из когда-либо достигнутых. Эти результаты означают важный шаг к практическому использованию литий-воздушных батарей.

Воздушно-литиевые батареи

потенциально могут стать лучшими перезаряжаемыми батареями: они легкие и имеют большую емкость, а их теоретическая плотность энергии в несколько раз выше, чем у доступных в настоящее время ионно-литиевых батарей.Из-за этих потенциальных преимуществ они могут найти применение в широком спектре технологий, таких как дроны, электромобили и бытовые системы хранения электроэнергии. NIMS проводит фундаментальные исследования литий-воздушных аккумуляторов при поддержке программы ALCA-SPRING (ALCA: Advanced Low Carbon Technology Research and Development Program, SPRING: Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries). Эта программа финансируется Японским агентством по науке и технологиям (JST) с целью ускорения исследований и разработок аккумуляторных батарей большой емкости.В 2018 году NIMS и Softbank стали соучредителями Центра разработки передовых технологий для проведения исследований с целью практического использования литий-воздушных аккумуляторов в базовых станциях мобильных телефонов, Интернете вещей (IoT), HAPS (высотных платформенных станциях). и другие технологии. Несмотря на их очень высокую теоретическую плотность энергии, фактически было изготовлено и испытано лишь небольшое количество литий-воздушных батарей с высокой плотностью энергии. Этот ограниченный успех объясняется тем, что большая часть литий-воздушной батареи по весу содержит тяжелые неактивные компоненты (например,г., сепараторы и электролиты), которые не участвуют непосредственно в реальных реакциях батареи.

Эта исследовательская группа ранее разработала оригинальные материалы для батарей, которые значительно повышают производительность литий-воздушных батарей в исследованиях, поддерживаемых ALCA-SPRING. Затем команда разработала метод изготовления литий-воздушных элементов с высокой плотностью энергии в Центре разработки передовых технологий NIMS-SoftBank. Наконец, команда создала новую литий-воздушную батарею, объединив эти новые материалы и технологии изготовления.Разработанная батарея показала плотность энергии более 500 Втч/кг, что значительно выше, чем у современных литий-ионных батарей. Примечательно, что повторная реакция разряда и заряда протекает при комнатной температуре. Плотность энергии и срок службы этой батареи являются одними из самых высоких из когда-либо достигнутых.*

* По данным опросов, проведенных NIMS (по состоянию на 14 декабря 2021 г.)

В настоящее время команда разрабатывает материалы для аккумуляторов с более высокими характеристиками и планирует интегрировать их в недавно разработанную литий-воздушную батарею с целью значительного увеличения срока службы батареи.Затем команда планирует ускорить усилия по практическому использованию батареи в Центре разработки передовых технологий NIMS-SoftBank.

Этот проект выполнялся исследовательской группой под руководством Шоити Мацуда (старший научный сотрудник, NIMS), Манаи Оно (постдокторский научный сотрудник, NIMS), Сёдзи Ямагути (специалист, NIMS) и Кохеи Уосаки (научный сотрудник, NIMS; также директор, Центр развития передовых технологий НИМС-SoftBank). Эта работа была в основном поддержана программой JST ALCA-SPRING и Центром развития передовых технологий NIMS-SoftBank.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.