На что влияет плотность электролита в аккумуляторе: Как поднять плотность электролита в аккумуляторе

Содержание

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе

Плотность электролита в аккумуляторе является одной из важнейших характеристик работоспособности портативного источника электроэнергии. Если по тем или иным причинам этот показатель не будет соответствовать норме, то работоспособность автомобильной батареи будет под большим вопросом.

На что влияет плотность электролита

Плотность электролита напрямую влияет на способность АКБ накапливать энергию во время заряда. Если этот показатель значительно ниже нормы, то батарея не будет выдавать максимального стартерного тока. Кроме этого, продолжительность работы аккумулятора резко снизится.

Высокая плотность электролита также негативно влияет на работоспособность источника питания, существенно снижая его срок службы. Связано это, прежде всего, с увеличенным образованием сульфатов на поверхности свинцовых пластин.

Такой «налёт» плохо проводит электроэнергию, что способствует значительному снижению ёмкости АКБ. Со временем сильно сульфатированные батареи полностью перестают «держать» заряд и их приходится утилизировать.

Опасность физического разрушения батареи может наступить в случае, когда батарея, в которой находится электролит с низким содержанием серной кислоты, оставляется зимой в неотапливаемом помещении. В таких случаях, даже при медленном оттаивании, источники электроэнергии могут быть полностью непригодны для дальнейшего использования.

Сульфатация пластин

Какая должна быть плотность в зависимости от сезона

Плотность электролита в зимнее время и летом может быть неодинаковой. В холодное время года рекомендуется увеличить этот показатель, чтобы даже в сильный мороз предохранить батарею от разрушения. В среднем, плотность аккумуляторной жидкости в зависимости от сезона выглядит следующим образом:

  • Зима: 1,30 г/см3.
  • Лето: 1,26 г/см3.

Перечисленные значения являются самыми крайними для очень суровой зимы и жаркого лета. В субтропическом климате вполне возможна эксплуатация батареи круглый год при значении плотности электролита 1,27 г/см3.

Как проверить плотность

Определить плотность в аккумуляторах, не оборудованных специальным «глазком», практически невозможно, но даже при наличии в АКБ подобного элемента о концентрации серной кислоты можно судить лишь условно. Точно определить этот параметр можно с помощью специального прибора.

Ареометр

Ареометр представляет собой устройство, в котором имеется «поплавок» со шкалой. По степени погружения этой детали в электролит можно точно узнать плотность электропроводящей жидкости. Замер осуществляется очень просто:

  • Открыть пробки.
  • Установить прибор в отверстие.
  • Сжать «грушу».
  • Отпустить резиновый элемент.
  • Определить на шкале плотность жидкости.

Таким образом производится замер во всех банках аккумулятора.

При отсутствии ареометра, плотность можно измерить с помощью электронных весов и мерной ёмкости, объёмом 100 мл. Для выполнения процедуры достаточно набрать электролита из одной банки, после чего, установить резервуар на измерительный прибор.

Значения веса Нетто в граммах будет равно плотности электролит со смещением запятой влево на 2 знака. Например: 127 грамм будут равны плотности 1,27 г/см3. Измеряется только вес Нетто, то есть, перед выполнением процедуры следует не забыть взвесить пустую ёмкость, и вычесть это значение из общей массы.

Из-за чего падает плотность

Основная причина существенного падения плотности электролита – это постоянное разбавление жидкости внутри банок дистиллированной водой, при частых утечках. Истечение может происходить при наличии трещин в корпусе либо недостаточно плотно закрытых пробках.

Если причиной изменения состава токопроводящей жидкости является негерметичность корпуса, то место протечки необходимо выявить как можно скорее. Плохо закрытые пробки необходимо как следует завинтить либо установить на силиконовый герметик.

Незначительное отклонение концентрации серной кислоты всегда обнаруживается при сильном разряде батареи. Такое состояние очень вредно для свинцовой АКБ. Если батарея «на нуле», то следует незамедлительно подключить источник питания к зарядному устройству.

Как повысить плотность в аккумуляторе

Повысить плотность в аккумуляторе совсем несложно. Для выполнения этой операции можно использовать корректирующий или обычный электролит либо зарядное устройство.

Корректирующий электролит

С помощью корректирующего электролита

Воспользоваться этим методом восстановления плотности электролита можно только в том случае, если батарея является обслуживаемой, а концентрация серной кислоты в  электропроводящей жидкости не снизилась ниже критического уровня.

Корректирующий электролит представляет собой раствор серной кислоты (формула h3SO4) в дистиллированной воде со значительно большей концентрацией основного вещества. Корректировка заключается в удалении из банок сильно разбавленного электролита.

Сделать это можно с помощью груши или ареометра. Затем вместо отобранной жидкости заливается корректирующий состав. При выполнении этой операции следует постоянно контролировать плотность электролита в банках с помощью ареометра.

Повышаем с помощью зарядного устройства

С помощью зарядного устройства можно поднять плотность электропроводящей жидкости как в батареях с наличием пробок, так и в необслуживаемых моделях.

Для того чтобы выровнять значение плотности достаточно подключить прибор к аккумулятору соблюдая полярность, а затем подключить устройство к сети 220 В. При возможности выбора силы тока, для более плавного повышения плотности, рекомендуется установить значение этого параметра в 10% от ёмкости АКБ.

Полная замена электролита

Полная замена электролита понадобится, если плотность электролита невозможно восстановить зарядкой или с помощью корректирующего раствора. Для замены токопроводящей жидкости потребуется приготовить новый электролит, пластмассовую воронку, резиновую грушу, ареометр, а также ёмкость для слива старой жидкости.

Производится такая операция по следующей инструкции:

  • Удалить пробки из банок.
  • Выкачать электролит из аккумулятора используя грушу (для того чтобы достать жидкость со дна рекомендуется надеть на резиновое приспособление тонкую силиконовую трубочку).
  • Залить новый электролит, используя воронку (эту процедуру следует выполнять очень медленно, чтобы не расплескать едкую жидкость).

После того, как во всех банках уровень токопроводящей жидкости будет доведён до оптимального значения, пробки устанавливаются на место, а аккумуляторная батарея подключается к сетевому зарядному устройству.

Следует отметить, что таким образом можно откорректировать плотность только в обслуживаемых моделях АКБ.

Меры предосторожности при работе

Доливать электролит в банки либо полностью заменять жидкость аккумулятора следует только с соблюдением мер предосторожности. Раствор серной кислоты является очень активной жидкостью, которая вступает в реакцию с органическими и неорганическими веществами.

Попадание электролита в глаза во время работы может привести к необратимым изменением функционирования органов зрения, поэтому использование специальных защитных очков является обязательным.

При разливе токопроводящей жидкости на кожные покровы поверхность тела покроется сильнейшими химическими ожогами. По этой причине также следует использовать резиновые перчатки и фартук, который поможет защитить одежду от сквозных отверстий.

Негативное воздействие кислоты на металлические поверхности проявляется в разъедании изделий из этого материала. Химической реакции подвержены даже очень прочные сплавы, поэтому если необходимо добавить электролит, следует снять батарею с машины.

При восстановлении плотности АКБ от сетевого зарядного устройства, необходимо следить за наличием достаточного движения воздуха в помещении. При отсутствии проветривания возможно возгорание газа, который образуется при зарядке. Кроме этого, вдыхание подобных смесей может вызвать сильное отравление.

Если все меры предосторожности будут предприняты до начала работ по восстановлению плотности аккумуляторного электролита, то эта процедура будет выполнена без каких-либо осложнений.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Плотность электролита в аккумуляторе — способы повышения плотности электролита

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

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

Измерение плотности электролита в аккумуляторе

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

  • Осуществить процедуру измерения плотности получится только в случае с так называемым обслуживаемым аккумулятором, который предоставляет доступ к банкам (секциям) с электролитом посредством закрытых крышками заливных отверстий. Как раз через эти отверстия (обычно их число равно шести, как и количество секций) и осуществляется забор состава для замера плотности.
  • В процессе своей работы автомобильная аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. Разряд происходит при прокручивании стартера, а заряд – при уже заведенном двигателе от генератора. В зависимости от степени заряженности меняется и плотность электролита. Значения могут колебаться в пределах 0.15-0.16 г/см3. Важно отметить, что автомобильный генератор не способен полностью зарядить аккумуляторную батарею. При штатной работе на машине потенциал АКБ используется только на 80-90%. Полный заряд может обеспечить только внешнее зарядное устройство, к которому обязательно придется прибегнуть перед осуществлением замера плотности электролита.
  • Плотность электролита зависит от его температуры. Обычно замер производится при температуре +25 °С, в противном случае делаются поправки.

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

Полученное значение должно входить в диапазон 1.25-1.27 г/см3, если автомобиль эксплуатируется в средней полосе. В холодной климатической зоне (средняя месячная температура января ниже -15 °С) показатель должен находиться в интервале 1.27-1.29 г/см3. Проверять плотность электролита на соответствие этим числам нужно в каждой из шести банок аккумулятора. Показания не должны отличаться более чем на 0.01 г/см3, иначе потребуется их корректировка.

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

Температура электролита, °С Поправка к показанию денсиметра, г/см3 Температура электролита, °С Поправка к показанию денсиметра, г/см3
-55…-41 -0.05 +5…+19 -0.01
-40…-26 -0.04 +20…+30 0
-25…-11 -0.03 +31…+45 +0.01
-10…+4 -0.02 +46…+60 +0.02

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

Плотность электролита при 25 °С, г/см3 Температура замерзания, °С Плотность электролита при 25 °С, г/см3 Температура замерзания, °С
1.09 -7 1.22 -40
1.10 -8 1.23 -42
1.11 -9 1.24 -50
1.12 -10 1.25 -54
1.13 -12 1.26 -58
1.14 -14 1.27 -68
1.15 -16 1.28 -74
1.16 -18 1.29 -68
1.17 -20 1.30 -66
1.18 -22 1.31 -64
1.19 -25 1.32 -57
1.20 -28 1.33 -54
1.21 -34 1.40 -37

Причины изменения плотности электролита

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

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

Частичную сульфатацию пластин можно устранить с помощью контрольно-тренировочных циклов, заключающихся в заряде и последующем разряде батареи до определенного уровня. Большинство современных зарядных устройств имеют такую функцию, поэтому имеет смысл ей воспользоваться, особенно если аккумулятор по какой-то причине долго находился в разряженном состоянии. Процедура десульфатации весьма длительная и может занять до нескольких дней. Если она не принесла результата, то крайней мерой является увеличение плотности с помощью добавления корректирующего электролита (плотность около 1.40 г/см3). Такой способ можно рассматривать только как временное решение проблемы, потому что причина как таковая не устраняется.

Как поднять плотность электролита

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

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

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

Как измерить плотность электролита – видео

24 ноября 2011

Аккумулятор — это маленькое сердце мотора и его бесперебойная работа жизненно необходима для запуска.
двигателя. Многим автомобилистам знакома ситуация, когда машина неожиданно перестает заводиться или на некоторых автомобилях при разряженной батарее в нее просто не попасть, так как машина не открывается. Приходится вызывать мастера по вскрытию автомобиля, ждать его приезда.  День полностью летит под откос, все планы рушатся. Поэтому очень важно правильно эксплуатировать АКБ, а в случае необходимости, вовремя заменить.

Так что же влияет на продолжительность жизни аккумулятора?

Одной из причин, по которой аккумулятор выходит из строя, является температурные условия окружающей среды. Низкие и высокие температуры снижают срок службы батареи.

У большинства автомобилей аккумулятор находится по соседству с двигателем, который нагревает его, что снижает срок службы в несколько раз. Фирмы Audi, BMW, Jaguar и Rolls-Royse убрали аккумулятор из двигательного отсека, а недостатки наличия дополнительного провода уравновесились повышенной надежностью батареи. В моделях класса «супермини» аккумуляторы всегда находились в багажнике.

Есть и другие решения. Например, в новой модели Peugeot 406 устанавливается аккумулятор с двойным корпусом. Между стенками прогоняется воздух, что предохраняет батарею от перегрева. Но не все являются счастливыми обладателями машины, у которой конструктивно аккумулятор защищен от перегрева. Поэтому не удивляйтесь, если после жаркого лета аккумулятор внезапно «умирает».

В зимнее время важно контролировать уровень заряда в аккумуляторе. При разряде АКБ снижается плотность электролита, то есть уменьшается удельное количество серной кислоты, содержащейся в растворе электролита, и образуется вода. При плотности 1,11 г/см3 электролит замерзнет уже при -7 0С, а при плотности 1,27 г/см3 – только при -58 0С.

Плотность электролита у исправной полностью заряженной АКБ для условий центральных районов страны должна быть 1,27 ÷1,28г/см3 при +25С и нормальном уровне над блоками пластин. В южных районах страны значение плотности электролита 1,24 ÷1,25г/см3 . В районах Сибири плотность электролита в АКБ на зимний период устанавливают 1,30г/см3 (чтобы частично разряженная АКБ при минус 40 ÷45С не разрушалась льдом), а на летний период плотность снижают, чтобы уменьшить разрушение пластин в этот период от высокой плотности электролита.

Если батарею  в разряженном состоянии оставить на морозе , то образовавшаяся вода замерзнет, расширится и деформирует корпус. Такой аккумулятор восстановлению не подлежит. Если вам повезло, и батарея замерзла не на весь объем,обошлось без деформации корпуса, то ее можно восстановить. Лед должен полностью растаять при комнатной температуре, и только потом следует зарядить АКБ.

Если при запуске двигателя в зимнее время аккумулятор разрядился в «ноль», какие действия нужно предпринять? Глубокий разряд вреден для любой батареи. Если это произошло, то необходимо зарядить аккумулятор от стационарного зарядного устройства, но не позднее чем через 2-3 дня после глубокого разряда батареи.  

Еще одной причиной быстрого износа аккумулятора является режим эксплуатации автомобиля. Многочасовое простаивание в пробках приводит к тому, что генератор не может обеспечить энергией все энергопотребители  в машине. Дополнительным источником энергии становится аккумулятор.За 45 минут такой работы средний АКБ может истощиться настолько, что повторный запуск выключенного двигателя окажется уже невозможным. Для восстановления потребуется не меньше 30 минут нормальной езды, прежде чем можно будет снова остановиться. Такие глубокие разряды ведут к сульфатации аккумулятора и уменьшении его емкости (емкость аккумулятора прямо пропорциональна площади поверхности пластин, покрытой активными веществами. У засульфатированного аккумулятора, часть активных веществ связана в сульфате свинца, а часть поверхности пластин покрыта не активными веществами, а сульфатом. Поэтому при разряде засульфатированный аккумулятор отдает меньшую емкость, чем аккумулятор в нормальном состоянии). К сожалению, пробки не исчезают с дорог мегаполиса. Поэтому рекомендуется ставить на машину аккумулятор, максимальный по емкости и пусковым токам . Можно ли устанавливать батарею большей емкости, чем рекомендована заводом изготовителем автомобиля? Можно, если в этом есть необходимость, например, установлено дополнительное электрооборудование,  или автомобиль эксплуатируется в условиях экстремально низких температур. Даже скромный двухканальный усилитель мощности потребляет приличное количество энергии – уже после 15-минутной демонстрации возможностей аудиосистемы вольтметр высвечивает под нагрузкой жалкие 11,4 В вместо привычных 12,5 В! Словом, любители мощных аудиоустановок, имейте в виду – иногда инсталляторы  умалчивают о том, откуда брать запас электроэнергии для «дракона» — усилителя, этот вопрос решается только одним путем – заменой генератора более мощным и установкой пары АКБ. Аккумулятор должен подходить по габаритам.

Еще одним не маловажным фактором, влияющим на срок службы аккумулятора, является интенсивность его эксплуатации. Жизнь аккумулятора измеряется в циклах. Один цикл – это «заряд-разряд».Увеличивая количество циклов, мы уменьшаем срок службы АКБ. Не используйте АКБ для сторонних энергопотребителей, например, на природе, на даче и.т.д. Без специального оборудования невозможно определить степень заряда батареи и просчитать динамику разрядки, а значит, велика вероятность глубокого разряда. Используйте для этих целей резервный аккумулятор. Тоже самое относится и к  «прикуриванию» другого  автомобиля. Это можно делать при соблюдении определенных требований. Двигатель автомобиля, от которого осуществляют «прикуривание», должен быть обязательно выключен. При этом надо помнить, что нельзя прикуривать автомобиль у которого емкость аккумулятора больше вашего.

Так же на  срок службы аккумулятора влияет  исправность электрооборудования в автомобиле. Не правильно установленное оборудование ведет к утечке тока.   Как правило , она начинает себя проявлять в полную силу зимой, поскольку аккумулятор уже не может при низкой температуре долгое время  держать номинальную емкость. Если в автомобиле не работает генератор, то все энергопотребители питаются от аккумулятора, что ведет к его глубокому разряду , а в дальнейшем , к выходу из строя.

« все статьи

что это такое и ее значения

Большинство автомобилей комплектуются свинцово-кислотными аккумуляторными батареями. Принцип действия свинцовых аккумуляторов заключается в обратимой химической реакции свинца и его окиси, расположенный в пластинах и раствора электролита. В качестве электролита используется водный раствор серной кислоты Плотность электролита показывает концентрацию (степень разбавленности) кислоты.

Что такое плотность электролита

Серная кислота и вода могут смешиваться в любых пропорциях. Понятие плотность электролита введено для того, чтобы показать, какое количество чистой кислоты содержится в единице объем электролита.

Смешивая кислоту с водой, получают промежуточные значения. Чем больше воды содержит раствор, тем меньшее значение плотности он имеет, поскольку концентрированная кислота гораздо тяжелее:

  • дистиллированная вода – 1.00 г/см3;
  • концентрированная серная кислота – 1.84 г/см3.

Какую плотность имеет электролит в аккумуляторах

Плотность электролита в аккумуляторе имеет определенные значения, которые существенны для нормального протекания химических реакций в процессе работы. В зимний период и летом концентрация кислоты должна иметь разные значения. Особенно это касается регионов с большими колебаниями температуры. Несоответствие плотности оптимальным значениям может привести к отрицательным последствиям:

  1. Низкая плотность:
  • снижение КПД батареи из-за повышения внутреннего сопротивления;
  • снижение емкости, так как свинец пластин не полностью вступает в реакцию из-за недостатка кислоты;
  • вероятность замерзания при низких отрицательных температурах;
  1. Высокая плотность:
  • Сульфатация пластин из-за образования крупных труднорастворимых кристаллов сульфида свинца;
  • Осыпание пластин.

Важно! Плотность электролита в АКБ не является постоянной величиной. Это связано с тем, что во время разряда кислота из раствора реагирует с материалом пластин и ее концентрация падает. Во время зарядки происходит обратная реакция. Разность плотностей заряженного и разряженного аккумулятора составляет примерно 0.15 – 0.16 г/см3.

Таким образом, зная параметры электролита в полностью заряженном аккумуляторе, можно определить степень разрядки, не пользуясь измерительными приборами, а определив состояние электролита при помощи ареометра.

Измерения производят с учетом температуры, так как наблюдается сильная зависимость. Рекомендуемые значения относятся к измерениям при температуре от +20 до +30°С В других случаях поправки к измерениям должны иметь такие значения:

  • от +31 до +45°С + 0.01 гр/см3;
  • от +20 до +30°С + 0.00 гр/см3;
  • от +5 до +19°С — 0.01 гр/см3;
  • от +4 до -10°С — 0.02 гр/см3;
  • от -11 до -25° -03 гр/см3;
  • от -26 до -40° -04 гр/см3.

Зависимость плотности от степени заряженности

Для электролита автомобильного аккумулятора с нормальной плотностью 1.27 гр/см3 можно привести следующую зависимости от степени разряда батареи:

Плотность гр/см3Уровень зарядаТемпература замерзания
1.27100%,– 60°С;
1.2695%,– 55°С;
1.2587%,– 50°С;
1.2480%,– 46°С;
1.2375%,– 42°С;
1.2270%,– 37°С;
1.2163%,– 32°С;
1.2056%,– 27°С;
1.1950%,– 24°С;
1.1844%,– 18°С;
1.1737%,– 16°С;
1.1631%,– 14°С;
1.1525%,– 13°С;
1.1419%,– 11°С;
1.1313%,– 9°С;
1.126%,– 8°С;

В таблице плотности электролита приведена зависимость плотности и температуры замерзания. Приведенные данные показывают, что глубокий разряд батареи чреват ее замерзанием уже при температуре 8 — 16°С

Рекомендуемые значения плотности

Часто задаваемый вопрос – какая должна быть плотность электролита для лета и для зимы? Большинство производителей аккумуляторов рекомендуют придерживаться следующих значений плотности, в зависимости от минимальной зимней температуры. Важность контроля плотности электролита зимой связана не только с недопущением перемерзания электролита, но и повышением КПД батареи для успешного запуска непрогретого двигателя:

  • от +6 до +4° 22 гр/см3;
  • от +4 до -15° 24 гр/см3;
  • от -4 до -15° 26 гр/см3;
  • от -15 до -30° 28 гр/см3;
  • от -30 до -50° 29 гр/см3;

Перечисленные значения справедливы для полностью заряженных батарей. Заливка электролита в новую батарею производится раствором меньшей концентрации – на 0.02 гр/см3. В процессе зарядки значение поднимется до необходимой величины.

Нормой плотности электролита в средней полосе принято считать 1.26 – 1.27 гр/см3.

Коррекция плотности при смене сезона

При большой разнице среднесуточных температур в летний и зимний период рекомендуется корректировать значение плотности. Процесс не представляет сложности, но опасен из-за агрессивности электролита.

Если машина храниться в гараже и эксплуатируется регулярно, то необходимость в коррекции не возникает, поскольку в результате длительных поездок батарея успевает зарядиться до нормального состояния и содержание кислоты не палает до критических значений.

Кратковременные поездки не способствуют нормальному заряду. Старые аккумуляторы имеют повышенные значения саморазряда, поэтому после длительного простоя плотность может упасть до недопустимых значений.

Электролит корректируется на полностью заряженном аккумуляторе. Важно знать, что в большинстве автомобилей с правильно отрегулированной системой регулировки напряжения, уровень заряда аккумулятора не превышает 80 – 90%. В зимнее время при наличии большого числа мощных потребителей (вентилятор печки, обогрев стекол и сидений, свет фар), это значение еще меньше. Для правильной подготовки батареи к зимнему сезону необходима полная зарядка специализированным зарядным устройством.

Заряд производят при слабом кипении электролита до тех пор, пока в течении текущих двух часов плотность расти уже не будет. Рост плотности говорит о том, что заряд еще не окончен.

Плотность электролита в заряженном аккумуляторе измеряют через два часа после зарядки, чтобы пластины полностью освободились от пузырьков газа и снизилась температура. Не забывайте про учет температуры электролита!

Содержание кислоты повышают при помощи корректирующего электролита, который добавляют в банки взамен части основного электролита.

Важно! Отбор раствора из каждой банки батареи должен быть одинаковым! Количество добавляемого корректора также одинаково. Сколько убрано жидкости, столько корректирующего раствора нужно добавлять

Плотность электролита в аккумуляторе и зимой и летом проверяется после получаса дополнительного заряда с последующей двухчасовой выдержкой. Это делается с целью равномерного перемешивания электролита. Обязателен учет температуры.

Переход на летнюю эксплуатацию делается аналогично, только вместо более крепкой кислоты добавляется дистиллированная вода. Дополнительный заряд должен продолжаться более длительное время, поскольку добавляемая вода из-за низкого удельного веса будет находится в верхнем слое.

Важно! Нельзя ускорять перемешивание покачиванием и переворачиванием батареи, поскольку осадок с дна емкости попадет между пластинами и батарея выйдет из строя.

Выравнивание плотности

В процессе эксплуатации аккумулятора можно увидеть, что разные банки имеют расхождения при измерении плотности. Если эта величина не превосходит 0.01 – 0.02 гр/см3, то ничего страшного нет. Большая разница свидетельствует, что банка с меньшим значением начинает выходить из строя.

Встречаются рекомендации исправлять состояние неисправной банки путем долива корректирующего раствора. Этого делать нельзя ни в коем случае. Простое увеличение концентрации кислоты даст только отрицательный эффект и ускорит выход банки из строя.

В данной ситуации необходимо произвести тренировочный цикл заряда. Полностью заряженный аккумулятор разряжают до 50% номинальной емкости, а затем заряжают малым током до полного заряда. Повторяя процесс несколько раз, можно полностью восстановить неисправные банки батареи.

 

Такие же требования предъявляются к выравниванию уровня электролита. В процессе зарядки током бортовой сети происходит частичное испарение воды из банок. Особенно активно этот процесс происходит летом. Кислота при этом не испаряется, вопреки некоторым источникам из интернета. Поэтому уровень электролита выравнивается исключительно дистиллированной водой.

Как правильно проверить плотность электролита в аккумуляторе?

При эксплуатации автомобиля его владелец неизменно сталкивается с необходимостью обслуживания и замены аккумулятора. На такую батарею приходится повышенная нагрузка, поэтому со временем аккумулятор начинает хуже держать заряд, требуя соответствующей замены. На эффективность работы такого автомобильного аккумулятора напрямую оказывает влияние показатель плотности электролита. Необходимо на регулярной основе проверять показатели плотности у электролита, что и позволит гарантировать беспроблемный пуск двигателя, а сам аккумулятор прослужит максимально долго, не доставляя каких-либо хлопот. В этой статье мы расскажем вам как проверить плотность аккумулятора.

Устройство аккумулятора


Перед тем как рассказывать непосредственно о том, как проверить плотность электролита в аккумуляторе, поговорим об устройстве стандартных автомобильных батарей. Такая АКБ состоит из:

  • Корпуса, состоящего из шести банок.

  • Плюсовых и минусовых свинцовых пластин, расположенных внутри каждой банки.

  • Плюсовой и минусовой шины, которые соединяют каждый герметичный отсек.

  • Последовательного соединения, что позволяет получать на выходе необходимую мощность заряда.

Своей способностью отдавать и накапливать электрический заряд аккумулятор обязан именно электрохимическим показателям электролита. Такой электролит залит в каждую из герметичных банок и имеет определенные показатели плотности. В процессе эксплуатации машины показатель плотности может изменяться, поэтому автовладельцу необходимо знать, как проверить плотность аккумулятора в домашних условиях и при необходимости увеличить или уменьшить этот показатель.


 

Как правильно обслуживать аккумулятор


Беспроблемность эксплуатации такой АКБ автомобиля зависит от своевременности и правильности обслуживания батареи. Такие работы включают:

  • Визуальный осмотр.

  • Анализ уровня электролита.

  • Проверка плотности батареи.

  • Измерение уровня напряжения.

  • Проверка аккумулятора нагрузочной вилкой.

Такую проверку аккумулятора необходимо выполнять дважды в год — весной и осенью. Это и позволит обеспечить качественную работу батареи как летом, так и в мороз зимой. Обслуживание и правильный уход за аккумулятором не представляет особой сложности. Если плотность электролита выше нормы, необходимо доливать дистиллированную воду. Если же отмечается низкая плотность, то следует просто зарядить аккумулятор.

Принцип работы аккумулятора


Батарея в автомобиле работает циклично, то есть сначала аккумулятор накапливает заряд, после чего отдаёт его, когда требуется завести двигатель. Во время таких циклов внутри АКБ происходит химическая реакция, когда из серной кислоты выпадают различные соли, которые оседают на пластинах из свинца, а в банках из электролита выделяется вода. Со временем концентрация и плотность электролита изменяется, что приводит к неправильной работе АКБ. Периодический замер плотности, позволит избежать разряжения батареи, которая будет служить максимально надолго. Поговорим поподробнее о том, как проверить плотность аккумулятора ареометром.

Внимание. Если показатель плотности оказался ниже нормы, то доливать в аккумулятор электролит не следует. Необходимо провести подзарядку батареи, что и позволит обеспечить необходимый показатель плотности.


Как и зачем измеряют плотность электролита?


Многие автовладельцы попросту не знает для чего следует измерять плотность электролита в аккумуляторе. Как известно, электролит состоит на 35% из серной кислоты и на 65% из дистиллята. Такое соотношение позволяет с легкостью накапливать заряд, при этом не причиняется какой-либо вред свинцовым пластинам. В процессе эксплуатации показатели плотности электролита могут изменяться, что объясняется испарением дистиллированной воды и химическими реакциями при работе АКБ. В результате повышается содержание серной кислоты, что в свою очередь ухудшает заряд и может нанести вред свинцовым пластинам, вплоть до полного прихода в негодность аккумулятора.


 

Что плохого в высокой и низкой плотности?


Низкая плотность приводит к разряду батареи, что не позволяет использовать автомобиль. Высокая плотность, то есть повышенное содержание серной кислоты, разъедает пластины, которые быстро приходят в негодность.

Проверяем уровень электролита


Перед тем как проверить плотность аккумулятора без ареометра необходимо установить его уровень. В том случае, если сам аккумулятор выполнен из полупрозрачного пластика, то проверка уровня электролита не представляет сложности. Если же аккумулятор выполнен из непрозрачного темного пластика, то для проверки уровня электролита потребуется специальная стеклянная трубка, имеющая диаметр около 5 миллиметров. Такая трубка опускается в банку до упора, после чего ее верхнее отверстие закрывают пальцем. Трубку аккуратно достают из аккумулятора. В ней останется электролит, который сливают в колбу и проверяют уровень. Считается, что норма жидкости в колбе составит 10-15 миллиметров. В том случае, если уровень больше или меньше необходимо его выровнять, после чего измерять плотность электролита.

Как выполнять замер плотности электролита


Если вы задаетесь вопросом, как правильно проверить плотность аккумулятора, то можем сказать, что такая работа не представляет особой сложности. Помните лишь о том, что банки внутри батареи не соединяются между собой, поэтому следует проверять плотность в каждой из емкостей. Переворачивать аккумулятор и смешивать между собой электролит для выравнивания плотности запрещается. Крышка и пробки аккумулятора должны быть чистыми и не иметь каких-либо загрязнений. Проверку плотности выполняют исключительно на заряженной батарее, в противном случае показатели такого измерения будут некорректными.

Перед тем как проверить плотность необслуживаемого аккумулятора его необходимо снять с машины и выдержать в течение нескольких часов при комнатной температуре. Оптимальным диапазоном температуры при измерении плотности является показатель 20-30 градусов.

Для измерения плотности потребуется использовать ареометр, который еще называют денсиметром. В продаже можно найти разнообразные ареометры, которые имеют схожую конструкцию, но при этом отличаются своей стоимостью. При выборе такого устройства для измерения его необходимо проверить на калибровочной жидкости, что позволит быть полностью уверенным в точности таких измерений.

Большинство ареометров имеют одинаковую конструкцию и обеспечивают необходимую точность показателей. И всё же приобретать самые дешевые китайские образцы не следует, так как их качество и точность измерений будет соответствовать стоимости.

Измерение плотности электролита при использовании ареометра не представляет сложности. Необходимо выполнить следующие:

  • Наконечник ареометра протирается.

  • Его опускают в колбу для измерения.

  • Грушей набирают электролит и заполняют им колбу.

  • Ожидают несколько минут, после чего проверяют показания.

  • Сливают электролит обратно.

  • Аналогичная работа проводится с каждой из банок в аккумуляторе.

Оптимальные показатели плотности электролита

При эксплуатации аккумулятора и замере плотности электролита следует помнить о том, что показатели могут колебаться в зависимости от климата в регионе.

  • Для юга России оптимальный показатель плотности составляет 1,25.

  • Для средней полосы — 1,27.

  • Для севера — 1,29.

При изготовлении аккумуляторов в батарею заливают стандартный электролит, который замерзает при температурах ниже 60 градусов и имеет плотность порядка 1,26-1,27 грамм на сантиметр кубический.

Если проведённый замер показал повышенную плотность электролита, в аккумулятор необходимо долить дистиллированную воду. Приобрести такой дистиллят можно на автомобильных заправках или в специализированных магазинах. Использовать обычную воду из-под крана запрещается. Доливают дистиллят на глаз, после чего вновь проверяют плотность электролита.

Важно. Свинцовые пластины аккумулятора должны быть погружены в жидкость полностью. Исходя из этого и следует доливать дистиллят или же проводить дополнительную зарядку аккумулятора.

Изменение плотности электролита внутри аккумулятора происходит по естественным причинам. Однако если вы замечаете, что батарея быстро теряет заряд, а показатели плотности изменяются буквально спустя неделю после их выравнивания и доливки дистиллята, это свидетельствует о серьезных проблемах с аккумулятором, который в скором времени потребует замены.

Как измерить плотность в необслуживаемых аккумуляторах?


Если проверка плотности и уровня электролита в обслуживаемых батареях не вызывает сложности, то как проверить плотность электролита в необслуживаемом аккумуляторе. Такие батареи имеют в верхней крышке небольшой глазок, который можно выкрутить и через появившееся отверстие проверить плотность аккумулятора автомобиля. Помните лишь о том, что в необслуживаемых аккумуляторах можно будет провести замер плотности электролита в одной банке, поэтому вы получите усредненный показатель. Выполнить точные замеры по каждой из банок у вас не получится.

Заключение


В этой статье мы рассказали вам как правильно проверить плотность электролита в аккумуляторе. Такое обслуживание батареи автомобиля должно выполняться на регулярной основе. Поддерживая оптимальные показатели плотности и уровень электролита, вы сможете обеспечить качественный запуск двигателя автомобиля при любых температурах, а сам аккумулятор прослужит вам максимально долго. Если у вас появились какие-либо сложности с выполнением данной работы, то в сети интернет вы можете найти многочисленные тематические видео, где наглядно показывается как проверить плотность электролита в аккумуляторе ареометром.

27.07.2017

Плотность электролита в аккумуляторе

Автомобильная батарея, известная как аккумулятор, отвечает за системы запуска, освещения и зажигания в машине. Как правило, автомобильные аккумуляторы являются свинцово-кислотными, состоят из гальванических элементов, обеспечивающих 12-вольтовую систему. Каждая из ячеек создает 2,1 В при полной зарядке. Плотность электролита – контролируемое свойство водно-кислотного раствора, обеспечивающее нормальную работу батарей.

Состав свинцово-кислотной батареи

Электролит свинцово-кислотной аккумуляторной батареи представляет собой раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Удельный вес чистой серной кислоты составляет около 1,84 г/см3, и эту чистую кислоту разбавляют дистиллированной водой до тех пор, пока удельный вес раствора не станет равным 1,2-1,23 г/см3.

Хотя в некоторых случаях плотность электролита в аккумуляторе рекомендуется в зависимости от типа батареи, сезонного и климатического состояния. Удельный вес полностью заряженной батареи по промышленному стандарту в России — 1,25-1,27 г/см3 летом и для суровых зим- 1,27-1,29 г/см3.

Удельный вес электролита

Одним из основных параметров работы батареи является удельный вес электролита. Это отношение веса раствора (серной кислоты) к весу равного объема воды при определенной температуре. Обычно измеряется с помощью ареометра. Плотность электролита используется в качестве индикатора состояния заряда ячейки или батареи, однако не может характеризовать емкость аккумулятора. Во время разгрузки удельный вес уменьшается линейно.

Учитывая это, нужно уточнить размер допустимой плотности. Электролит в батарее не должен превышать 1,44 г/см3. Плотность может составлять от 1,07 до 1,3 г/см3. Температура смеси при этом будет составлять около +15 С.

Электролит повышенной плотности в чистом виде характеризуется довольно высокой величиной этого показателя. Его плотность составляет 1,6 г/см3.

Степень заряженности

При полностью заряженном стационарном режиме и при разряде измерение удельного веса электролита дает приблизительное указание на состояние заряда ячейки. Удельный вес = напряжение разомкнутой цепи — 0,845.

Пример: 2,13 В — 0,845 = 1,285 г/см3.

Удельный вес уменьшается при разрядке батареи до уровня, близкого к значению чистой воды, и увеличивается во время перезарядки. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда плотность электролита в аккумуляторе достигает максимально возможного значения. Удельный вес зависит от температуры и количества электролита в ячейке. Когда электролит находится вблизи нижней отметки, удельный вес выше, чем номинальный, он падает, и воду добавляют в ячейку, чтобы довести электролит до требуемого уровня.

Объем электролита расширяется, когда температура поднимается, и сжимается с понижением температуры, что влияет на плотность или удельное значение силы тяжести. По мере расширения объема электролита показания снижаются и, наоборот, удельный вес увеличивается при более низких температурах.

Перед тем как поднять плотность электролита в аккумуляторе, необходимо выполнить замеры и расчеты. Удельный вес для батареи определяется приложением, в котором он будет использоваться, с учетом рабочей температуры и срока службы батареи.

% Серная кислота

% Вода

Удельный вес (20 ° С)

37,52

62,48

1,285

48

52

1,380

50

50

1,400

60

40

+1,500

68,74

31,26

1,600

70

30

1,616

77,67

22,33

1,705

93

7

1,835

Химическая реакция в аккумуляторах

Как только нагрузка подключается через клеммы аккумулятора, разрядный ток начинает течь через нагрузку, и аккумулятор начинает разряжаться. Во время процесса разрядки кислотность раствора электролита уменьшается и приводит к образованию сульфатных отложений как на положительных, так и на отрицательных пластинах. В этом процессе разряда количество воды в растворе электролита увеличивается, что уменьшает его удельный вес.

Ячейки аккумуляторной батареи могут быть разряжены до заданного минимального напряжения и удельного веса. Полностью заряженная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея имеет напряжение и удельный вес, 2,2 В и 1,250 г/см3 соответственно, и эта ячейка обычно может разряжаться до тех пор, пока соответствующие значения не достигнут 1,8 В и 1,1 г/см3.

Состав электролита

Электролит содержит смесь серной кислоты и дистиллированной воды. Данные не будут точными при замерах, если водитель только что добавил воду. Нужно подождать некоторое время, чтобы свежая вода успела смешаться с существующим раствором. Перед тем как поднять плотность электролита, нужно помнить: чем больше концентрация серной кислоты, тем плотнее становится электролит. Чем выше плотность, тем выше уровень заряда.

Для раствора электролита наилучшим выбором является дистиллированная вода. Это минимизирует возможные загрязнения в растворе. Некоторые загрязняющие вещества могут вызывать реакцию с ионами электролита. Например, если смешивать раствор с солями NaCl, получится осадок, что изменит качество раствора.

Влияние температуры на емкость

Какая плотность электролита — это будет зависеть от температуры внутри батарей. Руководство пользователя для конкретных батарей уточняет, какая коррекция должна применяться. Например, в руководстве Surrette/Rolls для температур в диапазоне от -17,8 до -54,4оC при температуре ниже 21оC, снимается 0,04 для каждых 6 градусов.

Многие инверторы или контроллеры заряда имеют датчик температуры батареи, который прикрепляется к аккумулятору. У них обычно есть ЖК-дисплей. Указание инфракрасного термометра также даст необходимую информацию.

Прибор для измерения плотности

Ареометр плотности электролита используется для измерения удельного веса раствора электролита в каждой ячейке. Кислотная аккумуляторная батарея полностью заряжена с удельным весом 1,255 г/см3 при 26оС. Удельный вес — это измерение жидкости, которая сравнивается с базовой. Это вода, которой присваивается базовое число 1.000 г/см3.

Концентрация серной кислоты в воде в новой аккумуляторной батарее составляет 1.280 г/см3, это означает, что электролит весит в 1.280 г/см3 раз больше веса того же объема воды. Полностью заряженная батарея будет тестироваться на уровне до 1.280 г/см3, в то время как разряженная будет учитываться в диапазоне от 1.100 г/см3.

Процедура проверки ареометром

Температура считывания ареометра должна быть скорректирована до температуры 27оC, особенно в отношении плотности электролита зимой. Высококачественные ареометры оснащены внутренним термометром, который будет измерять температуру электролита, и включают шкалу преобразования для коррекции показаний поплавка. Важно признать, что температура значительно отличается от показателей окружающей среды, если автомобиль эксплуатируется. Порядок измерения:

  1. Несколько раз набрать резиновой грушей электролит в ареометр, чтобы термометр мог отрегулировать температуру электролита и замерить показания.
  2. Изучить цвет электролита. Коричневая или серая окраска указывает на проблему с батареей и является признаком того, что она приближается к концу своего срока службы.
  3. Набрать минимальное количество электролита в ареометр, чтобы поплавок свободно плавал без контакта с верхней или нижней частью измерительного цилиндра.
  4. Удерживать ареометр в вертикальном положении на уровне глаз и обратить внимание на показания, где электролит соответствует шкале на поплавке.
  5. Добавить или вычесть 0,004 доли единицы для показаний на каждые 6оC, при температуре электролита выше или ниже 27оC.
  6. Отрегулировать показания, например, если удельный вес 1.250 г/см3, а температура электролита составляет 32оC, значение 1.250 г/см3 дает скорректированное значение 1.254 г/см3. Аналогично, если температура составляла 21оC, вычесть значение 1.246 г/см3. Четыре балла (0.004) от 1.250 г/см3.
  7. Протестировать каждую ячейку и отметить показания, скорректированные до 27оC, перед тем как проверить плотность электролита.

Примеры измерения заряда

Пример 1:

  1. Показания ареометра — 1.333 г/см3.
  2. Температура 17 градусов, что на 10 градусов ниже рекомендуемого.
  3. Вычитаем 0,007 с 1,333 г/см3.
  4. Результат равен 1.263 г/см3, поэтому состояние заряда составляет около 100 процентов.

Пример 2:

  1. Данные плотности — 1,178 г/см3.
  2. Температура электролита — 43 градусов С, что на 16 градусов больше нормы.
  3. Добавляем 0,016 до 1,178 г/см3.
  4. Результат равен 1,194 г/см3, зарядка 50 процентов.

СОСТОЯНИЕ ЗАРЯДА

УДЕЛЬНЫЙ ВЕС г / см3

100%

1,265

75%

1,225

50%

1,190

25%

1,155

0%

1,120

Таблица плотности электролита

Нижеследующая таблица температурной коррекции является одним из способов объяснить резкие изменения значений плотности электролита при различных температурах.

Чтобы использовать эту таблицу, нужно знать температуру электролита. Если измерение по каким-то причинам невозможно, то лучше использовать температуру окружающего воздуха.

Таблица плотности электролита приводится ниже. Это данные в зависимости от температуры:

% 100 75 50 25 0
-18 1,297 1,257 1,222 1,187 1,152
-12 1,293 1,253 1,218 1,183 1,148
-6 1,289 1,249 1,214 1,179 1,144
-1 1,285 1,245 1,21 1,175 1,14
4 1,281 1,241 1,206 1,171 1,136
10 1,277 1,237 1,202 1,167 1,132
16 1,273 1,233 1,198 1,163 1,128
22 1,269 1,229 1,194 1,159 1,124
27 1,265 1,225 1,19 1,155 1,12
32 1,261 1,221 1,186 1,151 1,116
38 1,257 1,217 1,182 1,147 1,112
43 1,253 1,213 1,178 1,143 1,108
49 1,249 1,209 1,174 1,139 1,104
54 1,245 1,205 1,17 1,135 1,1

Как видно из этой таблицы, плотность электролита в аккумуляторе зимой намного выше, чем в теплое время года.

Техническое обслуживание аккумуляторной батареи

Эти батареи содержат серную кислоту. При работе с ними всегда нужно использовать защитные очки и резиновые перчатки.

Если ячейки перегружены, физические свойства сульфата свинца постепенно изменяются, и они разрушаются, из-за чего нарушается процесс зарядки. Следовательно, плотность электролита уменьшается из-за низкой скорости химической реакции.

Качество серной кислоты должно быть высоким. В противном случае батарея может быстро стать неработоспособной. Низкий уровень электролита помогает высушить внутренние пластины устройства, после чего будет невозможно восстановить аккумулятор.

Сульфированные батареи можно легко распознать, просмотрев измененный цвет пластин. Цвет сульфатированной пластины становится светлее, а его поверхность становится желтой. Такие ячейки и демонстрируют снижение мощности. Если сульфирование происходит в течение длительного времени, наступают необратимые процессы.

Чтобы избежать этой ситуации, рекомендуется заряжать свинцово-кислотные аккумуляторные батареи в течение длительного времени при низкой скорости зарядного тока.

Всегда существует высокая вероятность повреждения клеммных колодок батарейных ячеек. Коррозия в основном поражает болтовые соединение между ячейками. Этого можно легко избежать, если обеспечить герметичность каждого болта с покрытием тонким слоем специальной смазки.

Во время зарядки аккумулятора существует высокая вероятность кислотного распыления и газов. Они могут загрязнять атмосферу вокруг батареи. Следовательно, около батарейного отсека нужна хорошая вентиляция.

Эти газы взрывоопасны, следовательно, открытое пламя не должно попадать внутрь пространства, где заряжаются свинцовые аккумуляторы.

Чтобы предотвратить взрыв батареи, который может привести к серьезным травмам или смерти, нельзя вставлять металлический термометр в аккумулятор. Нужно использовать ареометр со встроенным термометром, который предназначен для тестирования батарей.

Срок службы источника тока

Производительность батареи ухудшается с течением времени, независимо от того, используется она или нет, она также ухудшается при частых циклах заряда-разряда. Срок службы — это время, когда неактивная батарея может быть сохранена до того, как она станет непригодной для применения. Обычно считается, что это около 80% от ее первоначальной емкости.

Существует несколько факторов, которые существенно влияют на срок службы батареи:

  1. Циклическая жизнь. Время автономной работы определяется в основном циклами использования батареи. Обычно срок службы от 300 до 700 циклов при нормальном использовании.
  2. Эффект глубины разряда (DOD). Отказ от более высокой производительности приведет к сокращению жизненного цикла.
  3. Температурный эффект. Это является основным фактором производительности батареи, срока годности, зарядки и контроля напряжения. При более высоких температурах в батарее происходит большая химическая активность, чем при более низких температурах. Для большинства батарей рекомендуется использовать температурный диапазон -17 до 35оС.
  4. Напряжение и скорость перезарядки. Все свинцово-кислотные батареи выделяют водород из отрицательной пластины и кислород из положительной во время зарядки. Аккумулятор может хранить только определенное количество электроэнергии. Как правило, батарея заряжается на 90% за 60% времени. А 10% оставшегося объема батареи заряжается около 40% общего времени.

Хорошее время жизни батарей — от 500 до 1200 циклов. Фактический процесс старения приводит к постепенному снижению емкости. Когда ячейка достигает определенного срока службы, она не перестает работать внезапно, этот процесс растянут во времени, за ним нужно следить, чтобы своевременно подготовиться к замене аккумулятора.

Ручной ареометр

для измерения удельного веса

Ручной ареометр для измерения удельного веса | СБС

Магазин не будет работать корректно в случае, если куки отключены.

Похоже, в вашем браузере отключен JavaScript. Для наилучшего взаимодействия с нашим сайтом обязательно включите Javascript в своем браузере.

Ареометр для измерения удельного веса

Ареометры (плотномеры) измеряют удельный вес жидкостей.Удельный вес – это отношение плотности тестируемой жидкости к плотности воды. В случае тестирования батареи ареометр измеряет удельный вес электролита батареи. Чем выше концентрация кислоты в электролите, тем выше удельный вес.

По удельному весу пользователь может определить уровень заряда батареи.

Сохранение показаний ареометра и данных с течением времени рекомендуется IEEE как часть любой программы обслуживания аккумуляторов.

 

Шкала внутри штока позволяет легко определить удельный вес.

  • Масштаб 1,100 – 1,350
  • Примечание: .005 Подразделы

Информация о продукте

Информация о приложении

Характеристики

  • Промышленный ареометр
  • Практически небьющийся
  • Корпус из поликарбоната и специальный прочный стеклянный поплавок, выдерживающий падение с высоты 10 футов.
  • Масштаб: 1,100–1,350 с делением 0,005

Информация для заказа

Z-1G 1.100 – 1.350 Промышленный ареометр с усиленным стеклянным поплавком
1353 -20° – 130° F Термометр, включая таблицу поправочных коэффициентов SG
Copyright © 2021-настоящее время Экспоненциальная мощность — —

Новый аккумуляторный электролит может увеличить модельный ряд электромобилей

Марк Шварц

Новый электролит на основе лития, изобретенный учеными Стэнфордского университета, может проложить путь к следующему поколению электромобилей с батарейным питанием.

В исследовании, опубликованном 22 июня в журнале Nature Energy , исследователи из Стэнфорда демонстрируют, как их новая конструкция электролита повышает производительность литий-металлических батарей, многообещающей технологии для питания электромобилей, ноутбуков и других устройств.


Обычный (прозрачный) электролит слева и новый Стэнфордский электролит
справа. (Изображение предоставлено: Чжао Юй)

«Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, которые быстро приближаются к своему теоретическому пределу плотности энергии», — сказал соавтор исследования И Цуй, профессор материаловедения и инженерии, а также фотонной науки в Национальной ускорительной лаборатории SLAC.«Наше исследование было сосредоточено на литий-металлических батареях, которые легче литий-ионных батарей и потенциально могут обеспечивать больше энергии на единицу веса и объема».

Литий-ионный по сравнению с металлическим литием

Литий-ионные аккумуляторы

, используемые во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют два электрода — положительно заряженный катод, содержащий литий, и отрицательно заряженный анод, обычно сделанный из графита. Раствор электролита позволяет ионам лития перемещаться туда и обратно между анодом и катодом, когда батарея используется и когда она перезаряжается.

Литий-металлическая батарея может удерживать вдвое больше электроэнергии на килограмм, чем современная обычная литий-ионная батарея. Литий-металлические батареи делают это, заменяя графитовый анод металлическим литием, который может хранить значительно больше энергии.

«Литий-металлические батареи очень перспективны для электромобилей, где вес и объем имеют большое значение», — сказал соавтор исследования Чжэнан Бао, K.K. Ли Профессор инженерной школы. «Но во время работы литий-металлический анод реагирует с жидким электролитом.Это вызывает рост литиевых микроструктур, называемых дендритами, на поверхности анода, что может привести к возгоранию и выходу батареи из строя».

Исследователи десятилетиями пытались решить проблему дендритов.

«Электролит был ахиллесовой пятой литий-металлических аккумуляторов», — сказал соавтор Чжао Юй, аспирант по химии. «В нашем исследовании мы используем органическую химию для рационального проектирования и создания новых стабильных электролитов для этих батарей.

Новый электролит

В ходе исследования Ю и его коллеги изучили, могут ли они решить проблемы стабильности с помощью обычного имеющегося в продаже жидкого электролита.

«Мы предположили, что добавление атомов фтора в молекулу электролита сделает жидкость более стабильной, — сказал Юй. «Фтор — широко используемый элемент в электролитах для литиевых аккумуляторов. Мы использовали его способность притягивать электроны для создания новой молекулы, которая позволяет металлическому литиевому аноду хорошо функционировать в электролите.

Результатом стало новое синтетическое соединение, сокращенно FDMB, которое можно легко производить в больших количествах.

«Конструкции электролитов становятся очень экзотическими, — сказал Бао. «Некоторые из них подали хорошие надежды, но их производство очень дорого. Молекулу FDMB, которую придумал Чжао, легко производить в больших количествах, и она довольно дешевая».

«Невероятная производительность»

Команда из Стэнфорда протестировала новый электролит в литий-металлическом аккумуляторе.

Результаты были впечатляющими.Экспериментальная батарея сохранила 90 процентов своего первоначального заряда после 420 циклов зарядки и разрядки. В лабораториях типичные литий-металлические батареи перестают работать примерно через 30 циклов.


Кандидаты в доктора наук и ведущие авторы Хансен Ван (слева) и Чжао Юй (справа) тестируют
экспериментальную клетку в своей лаборатории. (Изображение предоставлено Хунся Ван.)

Исследователи также измерили, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом во время зарядки и разрядки, свойство, известное как «кулоновская эффективность».

«Если вы зарядите 1000 ионов лития, сколько вы получите обратно после разрядки?» — сказал Цуй. «В идеале вам нужно 1000 из 1000 для кулоновской эффективности 100 процентов. Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, элемент батареи должен иметь кулоновский КПД не менее 99,9%. В нашем исследовании мы получили 99,52% в полуячейках и 99,98% в полных ячейках; невероятное выступление».

Аккумулятор без анодов

Для потенциального использования в бытовой электронике команда из Стэнфорда также протестировала электролит FDMB в безанодных литий-металлических мешочных элементах — имеющихся в продаже батареях с катодами, которые подают литий к аноду.

«Идея состоит в том, чтобы использовать литий только на стороне катода для снижения веса», — сказал соавтор Хансен Ван, аспирант в области материаловедения и инженерии. «Безанодная батарея проработала 100 циклов, прежде чем ее емкость упала до 80 процентов — не так хорошо, как эквивалентная литий-ионная батарея, которая может работать от 500 до 1000 циклов, но все же одна из самых эффективных безанодных элементов».

«Эти результаты обнадеживают для широкого спектра устройств», — добавил Бао. «Легкие безанодные аккумуляторы станут привлекательной чертой для дронов и многих других электронных устройств.

Аккумулятор500

Министерство энергетики США (DOE) финансирует большой исследовательский консорциум под названием Battery500 , чтобы сделать литий-металлические батареи жизнеспособными, что позволит производителям автомобилей создавать более легкие электромобили, которые могут преодолевать гораздо большие расстояния между зарядками. Это исследование было частично поддержано грантом консорциума, в который входят Стэнфорд и SLAC.

Усовершенствуя аноды, электролиты и другие компоненты, Battery500 стремится почти втрое увеличить количество электроэнергии, которое может обеспечить литий-металлическая батарея, со 180 ватт-часов на килограмм, когда программа была запущена в 2016 году, до 500 ватт-часов на килограмм.Более высокое отношение энергии к весу, или «удельная энергия», является ключом к решению проблем с запасом хода, которые часто возникают у потенциальных покупателей электромобилей.

«Безанодная батарея в нашей лаборатории достигла удельной энергии около 325 ватт-часов на килограмм, что является приличным числом», — сказал Цуй. «Нашим следующим шагом может быть совместная работа с другими исследователями из Battery500 для создания элементов, которые приближаются к цели консорциума в 500 ватт-часов на килограмм».


Испытание на воспламеняемость обычного карбонатного электролита (слева) и нового электролита FDMB (справа), разработанного
в Стэнфорде.Обычный карбонатный электролит воспламеняется сразу после контакта с пламенем, но электролит
FDMB может выдерживать прямое пламя в течение не менее трех секунд. (Кредит Чжао Юй)

В дополнение к более длительному сроку службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее горюч, чем обычные электролиты, как показали исследователи во встроенном видео.

«Наше исследование, по сути, представляет собой принцип проектирования, который люди могут применять для создания лучших электролитов», — добавил Бао.«Мы только что показали один пример, но есть много других возможностей».

Другие соавторы из Стэнфорда: Цзянь Цинь , доцент кафедры химического машиностроения; ученые с докторской степенью Сянь Конг, Кеченг Ван, Вэньсяо Хуан, Снехашис Чоудхури и Чибуезе Аманчукву; аспиранты Уильям Хуан, Ючи Цао, Дэвид Макканик, Ю Чжэн и Саманта Хунг; и студенты Ютинг Ма и Эдер Ломели. Синьчан Ван из Сямэньского университета также является соавтором.Женан Бао и И Цуй — старшие научные сотрудники Стэнфордского института энергетики Precourt Institute . Цуй также является главным исследователем Стэнфордского института материаловедения и энергетики , совместной исследовательской программы SLAC и Стэнфорда.

Эта работа также была поддержана Программой исследования материалов для аккумуляторов Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США. Двое соавторов поддерживаются Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда и Постдокторской стипендией Центра TomKat в области устойчивой энергетики в Стэнфорде.Оборудование, используемое в Стэнфорде, поддерживается Национальным научным фондом.

Аккумуляторный электролит представляет собой смесь воды и — Введение, раствор и соотношение_Greenway аккумулятор

  Аккумулятор вашего автомобиля не всегда может быть заполнен необходимым количеством электролита, которое необходимо для его надлежащего функционирования. Поэтому в некоторых случаях вам может потребоваться долить электролит в аккумулятор вашего автомобиля. Это может показаться легкой задачей, но на самом деле это не так просто, потому что это довольно сложная тема.

  ?Итак, если в аккумуляторе вашего автомобиля заканчивается электролит и у вас мало информации о том, что такое электролит или каково соотношение кислоты и воды в аккумуляторе, то вы попали на соответствующий веб-сайт, потому что мы Мы предоставим вам ответы на все ваши вопросы, касающиеся аккумуляторного электролита.

  ?Давайте начнем и познакомимся с «Электролитом батареи является смесь воды и — введение, раствор и соотношение»!

  Из чего состоит аккумуляторный электролит? Если вы не знаете, из чего состоит электролит, то мы здесь, чтобы дать ответ! Большинство обычных батарей состоят из жидкости, которая широко известна как электролит.Этот электролит в аккумуляторе представляет собой смесь серной кислоты и воды. Пластины свинцово-кислотных аккумуляторов содержат активный материал, который всегда должен находиться в электролите, в то время как водород и кислород выделяются во время зарядки. Пока аккумулятор заряжается, плотность раствора электролита будет увеличиваться.

  Электролиты в батарее служат катализатором, делающим батарею проводящей, инициируя движение ионов от катода к аноду при зарядке и наоборот при разрядке.В зависимости от степени, в которой электролит батареи может выделять ионы, электролит может быть либо сильным, либо слабым. К сильным электролитам относятся соединения, обладающие высокой степенью ионизации и проводящие мощный электрический ток. С другой стороны, слабые электролиты — это соединения, которые ионизируются в минимальной и незначительной степени и проводят небольшой электрический ток.

  Теперь, если говорить о составе электролитов, то Вам важно отметить, что в разных батареях в качестве электролита используются разные химические соединения.Некоторые из часто используемых соединений включают хлорид натрия, серную кислоту, азотную кислоту, хлорную кислоту, ацетат натрия и т. д. Таким образом, в зависимости от типа или марки батареи состав электролита батареи будет меняться от одной батареи к другой. Но в большинстве случаев электролиты в свинцово-кислотных батареях состоят из серной кислоты и воды.

  Что такое раствор электролита для аккумуляторов??Как вы прочитали выше, из чего состоит электролит, теперь давайте разберемся, что такое раствор электролита для аккумуляторов??

  Каждая батарея состоит из катода, анода и электролита.Анод и катоды представляют собой электроды, полностью погруженные в раствор электролита и соединенные снаружи токопроводящей проволокой. Когда анод и катод растворяются в растворителе, раствор электролита высвобождает ионы. Ионы, разряжаемые электролитом, реагируют с анодом, высвобождая один или несколько электронов.

  Проще говоря, мы можем сказать, что электролит – это среда, которая предлагает транспортный механизм для ионов между катодом и анодом ячейки.Электролит часто рассматривается как жидкая смесь воды и других растворителей с растворенными кислотами, солями или щелочами, которые необходимы для ионной проводимости. Электролит позволяет двигаться только ионам. Для электролита батареи обычно используются материалы с высокой ионной проводимостью, чтобы ионы лития могли легко перемещаться вперед и назад. Все движение ионов лития обычно зависит от типа электролита; поэтому всегда должен использоваться тот электролит, который соответствует строгим условиям.

  Каково соотношение серной кислоты и воды в аккумуляторе? Когда дело доходит до аккумуляторного электролита, большинство людей обычно не понимают соотношения кислоты и воды в аккумуляторе! Если вы один из тех, кто запутался в одном и том же, то вам больше не нужно запутываться, потому что у нас есть ответ для вас!

  Всякий раз, когда мы говорим об электролите, мы обычно говорим о растворе серной кислоты и воде. Этот раствор серной кислоты и воды заполняет ячейки свинцово-кислотных аккумуляторов, а синергия между свинцовыми пластинами и электролитом позволяет аккумулятору вашего автомобиля накапливать и высвобождать энергию.

  Итак, всякий раз, когда в аккумуляторе вашего автомобиля заканчивается электролит, может возникнуть необходимость добавить в него дополнительный электролит. Но для этого вы должны быть уверены в процентном соотношении кислоты и воды в аккумуляторе! Всякий раз, когда вы ищете ответ на этот вопрос в Интернете, вы можете не найти соответствующих результатов ни на одном из веб-сайтов, но у нас есть подходящий ответ на ваш запрос».

  Кислота, присутствующая в аккумуляторе вашего автомобиля, обычно представляет собой серную кислоту, которую обычно разбавляют водой для достижения уровня концентрации 37%.Этот уровень концентрации батареи вашего автомобиля обычно варьируется от одной батареи к другой, в зависимости от марки. Идеальное соотношение кислоты и воды в аккумуляторе составляет 30,1 см3 кислоты: 100 см3 дистиллированной воды. Если это соотношение кислоты и воды не поддерживается должным образом, весь механизм электрохимии внутри аккумулятора может измениться.

  Итог Вот вы и подошли к сути статьи «Электролит батареи представляет собой смесь воды и — введение, раствор и соотношение»! Мы надеемся, что у вас есть четкое представление о том, что такое электролит, из чего он сделан, процентное соотношение кислоты и воды в электролите и многое другое.Вся информация, представленная выше, является точной, поэтому вы можете быть уверены в ее достоверности. Всегда помните, что электролит батареи часто называют аккумуляторной кислотой, потому что он очень кислый по своей природе. Так что, если в следующий раз вы застрянете с чем-то, связанным с аккумуляторным электролитом, эта информативная статья обязательно поможет вам в этом!

 

литий-ионный аккумулятор аккумулятор для электровелосипеда литиевый аккумулятор

границ | Влияние толщины электрода и электролита на характеристики полностью твердотельной батареи, проанализированные с помощью уравнения песка

Введение

Батареи являются одним из наиболее широко используемых электрохимических накопителей энергии благодаря своей высокой энергии, позволяющей эксплуатировать устройства в течение длительного периода времени (Kim et al., 2015). Литий-ионная (Li)-ионная система является преобладающим решением для питания многих приложений, от небольших электронных устройств до электромобилей (Kurzweil and Garche, 2017). Поскольку потребность потребителей в выработке энергии постоянно растет, необходимо разрабатывать и оптимизировать новые аккумуляторные системы в зависимости от требований применения. В этом контексте металлический литий идеально подходит в качестве отрицательного электрода благодаря его высокой удельной емкости и низкому рабочему напряжению (Xu et al., 2014). Однако в сочетании с обычным жидким электролитом электроосаждение лития на металлическом литии происходит неравномерно, что приводит к низкой кулоновской эффективности и росту дендритов (Tarascon and Armand, 2001; Wu et al., 2019). Замена жидкого электролита твердым полимерным электролитом (ТПЭ) позволяет создать безопасные батареи с высокой плотностью энергии (Арманд, 1994; Агравал и Пандей, 2008).

С точки зрения конструкции, практичный блок литий-металлических батарей должен быть оптимизирован за счет состава положительного электрода и общей сборки материала, в частности, для снижения стоимости элементарного элемента (Gallagher et al., 2014). Цель состоит в том, чтобы создать долговечную батарею с высокой производительностью для получения увеличенной удельной энергии (Eftekhari, 2017; Schnell et al., 2018; Цзэн и др., 2019). Что касается ТФЭ, достаточная ионная проводимость порядка 1 мСм·см -1 достигается при 80°C для электролита на основе ПЭО (Devaux et al., 2012). ПЭО обладает достаточно высокими механическими свойствами и гибкостью, чтобы его можно было перерабатывать методами горячего прессования, экструзии или литья под давлением с образованием тонких пленок толщиной от 10 до 100 мкм (Baudry et al., 1997; Porcarelli et al., 2016; Schnell). и др., 2018; Ян и др., 2019). Цель состоит в том, чтобы свести к минимуму толщину ТФЭ, чтобы уменьшить омические потери и увеличить плотность тока, ограниченную диффузией, во время работы батареи.Кроме того, ПЭО обладает другими преимуществами, такими как хорошая адгезия, электрохимическая и химическая стабильность по отношению к металлическому литию (Armand, 1983). Действительно, ПЭО обычно используется в качестве основного блока ТФЭ, который также будет содержать другие полимеры или добавки для улучшения желаемых свойств — числа переноса, механической прочности, электрохимического окна и т. д. (Bouchet et al., 2013; Zhang et al., 2017). ). LiFePO 4 является эталонным кандидатом в качестве положительных активных материалов благодаря его двухфазной окислительно-восстановительной реакции при температуре около 3.43 В по сравнению с Li + /Li°, что обеспечивает безопасность (Padhi et al., 1997). Наконец, для данного состава электрода плотность энергии напрямую связана с загрузкой активного материала (Du et al., 2017). Таким образом, для данного активного материала увеличение толщины электрода является самым простым способом достижения более высокой удельной энергии.

Состав электрода имеет важное значение из-за загрузки активного материала и пористости электрода для достижения наилучших характеристик мощности при оптимальной толщине электрода (Newman, 1995; Yu et al., 2006, 2013). Чжэн и др. сообщили о положительных электродах, изготовленных из LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM) или LiFePO 4 , и показали, что диффузия ионов Li внутри электролита в электроде была ограничение процесса разрядки (Zheng et al., 2012). Интересно, что они показали, что конкретная скорость C , при которой емкость начинает падать, репрезентативна для общей производительности батареи. Емкость электрода и, следовательно, загрузка активного материала подчиняется отрицательному степенному закону со скоростью C .Поэтому, как и ожидалось, низконагруженные электроды обеспечивают более высокую производительность, чем их высоконагруженные аналоги. Аналогичный вывод в основном был сделан Gallagher et al. которые объединили экспериментальный и симуляционный подходы, а Heubner et al. на толстых электродах NCM (Gallagher et al., 2016; Heubner et al., 2019). Следовательно, процессы ионной диффузии, имеющие значение в аккумуляторной системе, должны быть полностью охарактеризованы, поскольку они определяют отклонение напряжения батареи до полного восстановления емкости, поскольку концентрация ионов лития достигает нулевой концентрации на катоде.Все остальные электрохимические процессы (миграция ионов и электронов, перенос заряда и т. д.) в основном связаны с «омическими» перепадами, которые просто увеличивают поляризацию батареи при увеличении скорости.

Как правило, взаимосвязь между разрядной емкостью и C -скоростью аналогична для каждой технологии аккумуляторов. При низкой C -скорости емкость максимальна и постоянна. При скорости C выше порогового значения емкость быстро падает (Gallagher et al., 2016).Такое поведение ограничивает возможности высокой скорости с точки зрения быстрой зарядки и быстрой разрядки (Doyle and Newman, 1997; Kang and Ceder, 2009). В литературе был разработан ряд эмпирических и полуэмпирических уравнений, основанных на феноменологической растянутой экспоненциальной функции затухания, чтобы соответствовать сигмоидальной форме кривой производительности C / скорости (Gallagher et al., 2016; Wong et al., 2017; Heubner et al., 2018b; Tian et al., 2019). Физический смысл этих уравнений состоит в том, чтобы рассмотреть процесс релаксации, зависящий от времени, описывающий здесь одно явление, ограничивающее скорость диффузии.Таким образом, эти уравнения используют в качестве основных параметров (i) постоянную времени и (ii) значение эмпирического показателя степени для растяжения экспоненциальной функции. Значение показателя степени неясно, так как в некоторых исследованиях этому параметру присваивается постоянное значение, равное 2, или его можно оставить свободным для лучшего соответствия. Неопределенность в отношении этого эмпирического параметра аналогична неопределенности с показателем Пейкерта (Doerffel and Sharkh, 2006).

Таким образом, известно, что ионная диффузия в электролите и в активных материалах является основным физическим ограничением, влияющим на емкость аккумулятора (Jiang and Peng, 2016).Таким образом, объединяя экспериментальный анализ и анализ моделирования, многие исследования направлены на повышение мощности и энергии от одиночной ячейки до уровня стека (Yu et al., 2006; Safari and Delacourt, 2011; Singh et al., 2015). Наиболее распространенной теоретической моделью является модель, разработанная Ньюманом и его коллегами на основе теории концентрированных растворов (Дойл и др., 1993; Фуллер и др., 1994; Ньюман, 1995; Шринивасан и Ньюман, 2004). Полное описание данной аккумуляторной системы требуется для соответствия данным о циклировании, для которых требуется множество параметров.Некоторые из этих параметров, такие как число переноса, коэффициенты ионной диффузии, термодинамические факторы или извилистость, трудно получить должным образом, поскольку их определение довольно сложно и неоднозначно, что может привести к большому приближению. Кроме того, каждый набор параметров необходимо определять заново каждый раз, когда производится химическая модификация (добавки, связующие вещества, состав электродов, активные материалы…), что может занять много времени.

На практике быстрое определение разрядной емкости в зависимости от скорости C представляет интерес для экранирования серии батарей, в которых настраиваются многие параметры, такие как пористость, состав и загрузка электродов активным материалом или даже характер токосъемников.Еще в 1994 году был предложен протокол, состоящий из последовательных разрядов, начиная с самой высокой скорости C и заканчивая самой низкой без промежуточного этапа зарядки (Doyle et al., 1994). Совсем недавно Heubner et al. представили методологию, основанную на хроноамперометрическом измерении (Heubner et al., 2018a). Начиная с заряженных литий-ионных аккумуляторов, вместо подачи постоянного тока в качестве шага разрядки выполняется шаг постоянного напряжения при более низком напряжении отсечки аккумулятора. Зарегистрированный переходный ток затем преобразуется путем интегрирования текущего времени в относительную емкость.Этот метод, медленная зарядка плюс хроноамперометрия, занимает около дюжины часов, но имеет некоторые ограничения для полного определения емкости батареи, когда активные материалы проходят различные фазовые изменения при заряде (соответственно, при разряде). Как отмечают авторы, типичным примером такого материала является LiFePO 4 с двухфазным механизмом.

. Здесь, во-первых, для сокращения затрат времени на проверку мощности батареи в зависимости от всех параметров была использована процедура циклирования, аналогичная описанной Doyle et al.используется (Doyle et al., 1994). Благодаря этой быстрой циклической процедуре соотношение между разрядной емкостью и плотностью тока определяется с хорошей точностью, по крайней мере, в 8 раз быстрее, чем обычное чередование циклов гальваностатического заряда-разряда. Затем мы предлагаем две взаимодополняющие методологии для быстрой оценки эффективного коэффициента диффузии рассматриваемого процесса ограничения скорости, что позволяет, сравнивая его с коэффициентом диффузии в частицы электролита или активного материала, определить, какой компонент можно оптимизировать.Эти методологии основаны на ограничении тока и времени Санда (Sand, 1901; Bard and Faulkner, 2001). Для этого использовались модельные полностью твердотельные аккумуляторы из металлического лития, электролит на основе ПЭО, выполняющий роль ТФЭ, и положительный электрод на основе ЛФП. При сохранении отрицательного электрода в избытке взаимосвязь между толщиной положительного электрода и ТФЭ хорошо понимается, и предоставляются общие правила для точного определения оптимального баланса толщин между ТФЭ и положительным электродом. Цель состоит в том, чтобы обеспечить простую физическую интерпретацию практических кривых сигнатур мощности на основе уравнения Санда, что позволяет определить эффективные ограничивающие диффузионные процессы в реальной системе.

Экспериментальный

Металлическая литиевая фольга была предоставлена ​​компанией Blue Solutions. Li хранили в перчаточном боксе, заполненном аргоном (Campus, Jacomex) со значениями ниже ppm H 2 O и O 2 . Твердый полимерный электролит (ТФЭ) представляет собой статистический сополимер, содержащий ПЭО для обеспечения движения ионов и поли(пропиленоксид) для придания гибкости полученной мембране, легированный солью бис-трифторметансульфонимида лития (LiTFSI). Добавляли концентрацию соли лития, чтобы достичь молярного отношения этиленоксида к соли лития, равного 25.Соль лития и металлическая фольга лития хранятся в перчаточном боксе, заполненном аргоном (Campus, Jacomex) со значением ниже ppm H 2 0 и O 2 . Полимер и LiTFSI растворяли в диметилформамиде (ДМФА) при перемешивании при 350 об/мин и 80°С в течение 3 ч во флаконе. Когда раствор стал прозрачным, его перелили в чашку Петри из тефлона и дали высохнуть при температуре окружающей среды ( T ) в течение 8 часов. Затем для удаления растворителя чашку Петри помещали в печь при 60°С не менее чем на 3 сут.Полученную мембрану для ТФЭ отделяли от тефлоновой подложки и помещали в перчаточный бокс из аргона как минимум на неделю перед дальнейшими манипуляциями. Находясь в перчаточном боксе, SPE разрезали на широкие куски и несколько из них поместили в горячий пресс. Затем ТФЭ прессовали в течение нескольких минут при температуре 80°С и давлении 200 бар, регулируя количество ТФЭ. После прессования и охлаждения из прессованных кусков ТФЭ штамповали диски ТФЭ. Это привело к диску ТФЭ толщиной ( y ) 18, 36, 54, 108 и 216 мкм.Низкопористые (<5%) положительные электроды с использованием LiFeO 4 в качестве активных материалов были специально изготовлены компанией Blue Solutions методом экструзии. Толщина положительного электрода ( x ) составляла 20, 33, 48 и 60 мкм поверх алюминиевого токосъемника. Емкости электродов пропорциональны их толщине.

Внутри глобуса из литиевой фольги был выбит литиевый диск диаметром 14 мм. Затем также вырезали слой ТФЭ в форме диска диаметром 16 мм.Два материала многократно ламинировали при 80°C и 3 барах с использованием самодельной машины для ламинирования до тех пор, пока ТФЭ полностью не сцеплялся с литием. Толщина электролита была проверена после процесса ламинирования, и никаких отклонений не наблюдалось. Диск положительного электрода диаметром 12 мм также был вырублен из электродной фольги. Было сделано несколько проходов через ламинатор, чтобы обеспечить адгезию между тремя слоями материала, составляющими литий-металлополимерную батарею. Сборки батарей различались по толщине положительного электрода и ТФЭ.Итак, по всему тексту литий-металлополимерные (LMP) батареи обозначаются LMP ( x y ) с x и y , соответствующими толщине электрода и SPE соответственно. Для каждой системы LMP ( x y ) собирали от 4 до 6 повторов.

После сборки батарея была помещена в ячейку типа «таблетка» из нержавеющей стали CR2032 с использованием прокладок из нержавеющей стали и волнистой пружины. Ячейка для монет была запечатана с помощью обжимной машины внутри перчаточного ящика.В среднем на батарею в сборе с активной поверхностью S прикладывается 1,2 бара, соответствующая геометрической поверхности положительного электрода. Затем аккумуляторные элементы были извлечены из перчаточного ящика и помещены в держатель для монет. Ячейки-таблетки помещали в печь (Memmert), поддерживаемую при 80°C, и подключали к мультипотенциостату VMP3 (Bio-Logic SAS) с возможностью импеданса.

Процедура циклирования состоит из серии гальваностатических циклов зарядки-разрядки между 2.5 и 3,7 В по сравнению с Li + /Li°. По всему тексту потенциал батареи E относится к паре Li + /Li°. Первоначально аккумуляторы подвергают 8 циклам кондиционирования при малой плотности тока ( Дж 0 ) одинаковых по заряду и разряду, чтобы выдаваемая удельная емкость соответствовала эффективной емкости LiFePO 4 , 160 мАч.г − 1 . После этой начальной процедуры выполняется обычный гальваностатический цикл для получения характеристик мощности батареи.Он состоит из ряда последовательных стадий заряда и разряда путем постоянной зарядки при плотности тока Дж 0 и увеличения плотности тока разряда Дж n . Между каждым циклом зарядки/разрядки используется 30-минутный период отдыха для релаксации градиентов концентрации. Принимая во внимание периоды отдыха, эта обычная велосипедная процедура требует более чем недельного периода времени. На каждом этапе площадную зарядную емкость ( Q n ) рассчитывали путем интегрирования плотности тока Дж n по времени ( t ) во время гальваностатических стадий в соответствии с:

Qn=∫Jn(t) · dt    (1)

Для процедуры быстрой мощности, после описанных ранее гальваностатических циклов кондиционирования при Дж 0 , батареи полностью заряжаются также при Дж 0 , затем мы накапливаем несколько разрядов, разделенных периодом покоя 30 мин до ослабить градиенты концентрации.Мы начинаем с самой высокой плотности тока, затем следует 30-минутная релаксация, затем выполняется разряд при несколько более низкой плотности тока и так далее до конечного этапа разряда при Дж 0 (самая низкая плотность тока). Это делается без зарядки аккумулятора между каждым этапом разрядки. Для ясности, циклическое поведение, эволюция E в зависимости от доли δ Li, внедренного в фазу Li δ FePO 4 , с 0 < δ < 1, для репрезентативного LMP (48-18) батарея представлена ​​на дополнительном рисунке 1.Эта быстрая процедура питания занимает около 1 дня, чтобы полностью завершиться от этапа зарядки до окончательного этапа разрядки, что по крайней мере в восемь раз короче, чем обычная процедура циклирования. Основное предположение этой процедуры циклирования состоит в том, что при запуске с полностью заряженной батареи разрядная емкость при заданной плотности тока Дж n является суммой разрядных мощностей, полученных при более высоких плотностях тока, Дж > Дж n , плюс полученный при применении J n .Другими словами, Q n ( J n ) вычисляется на основе следующего уравнения:

Qn=∑N≥n[ JN.ΔtN]    (2)

с Δ t N время, необходимое для разрядки батареи при постоянной плотности тока Дж N .

Для обеих процедур циклирования емкость, рассчитанная для каждой реплики батареи, находится в пределах типичного отклонения ниже 1%, что показывает очень хорошую воспроизводимость наших элементов.Это обязательное условие для дальнейшего анализа данных.

Наконец, чтобы иметь независимое измерение транспортных свойств нашего электролита, была проведена спектроскопия электрохимического импеданса на литиевой симметричной ячейке, содержащей ТФЭ (Bouchet et al., 2003). Этот метод позволяет определить различные сопротивления ячейки, такие как электронное ( R c ), электролитное ( R el ), межфазное ( R int ) и диффузионное ( R

3 ) ) сопротивления.Литиевые симметричные элементы были собраны с помощью процесса ламинирования, аналогичного описанному для батарей LMP, и запечатаны в плоские батарейки CR2032. После помещения клеток в печь при 80°С проводили импедансную спектроскопию с использованием возбуждающего сигнала 40 мВ в диапазоне частот от 10 МГц до 0,1 Гц. Типичный график Найквиста, показывающий противоположность мнимой части импеданса [-Im ( Z )] в зависимости от действительной части [Re ( Z )], представлен на дополнительном рисунке 2. Электрическая эквивалентная схема отображается на вставка к дополнительному рисунку 2, содержащая сопротивление ячейки ( R c , R el , R int ), индуктивность кабеля на высокой частоте ( L c ) элемент постоянной фазы для интерфейса ( CPE int ) и короткий элемент Варбурга ( W d ) для диффузионной петли на низких частотах позволяют смоделировать график Найквиста.Из элемента Варбурга извлекаются два основных параметра, соответствующие R d и времени релаксации (τ r ) в максимуме четверти лемнискаты. R D и R и R EL EL связаны с катионным числом переноса ( T + ), в то время как τ R связан с коэффициентом диффузии Ambipolar ( D AMB ) и Толщина СПЭ y по следующим уравнениям (Sørensen and Jacobsen, 1982; Ross MacDonald, 1992; Bouchet et al., 2003):

t+= Отн.Отн.+Rd    (3) τr= 2,54·(y2)2Damb    (4)

Кроме того, D амб связан с коэффициентом диффузии Li + (DLi+) соотношением.

DLi+= Damb2.(1-t+)    (5)

Результаты и обсуждение

Циклическое поведение типичной батареи LMP(48-18) показано на рисунке 1, который представляет E в зависимости от доли δ лития, введенного в фазу Li δ FePO 4 , при 0 < δ < 1, зафиксировано во время обычной езды на велосипеде.Для ясности на рисунке 1 представлен только репрезентативный заряд, выполненный при Дж 0 = 0,1 мА·см -2 , и указана некоторая плотность тока разряда. Заряд батареи представляет собой типичное длинное плато около 3,44 В, соответствующее окислению материалов LFP (Padhi et al., 1997), за которым следует потенциостатический шаг при 3,7 В для достижения полной емкости электрода. Во время разряда наблюдается более низкое потенциальное плато около 3,40 В, соответствующее снижению LFP.Это плато менее выражено для ступеней разряда, выполненных при Дж n выше 0,3 мА·см -2 из-за увеличения батареи градиента концентрации. Более того, эти наблюдения за обычным циклическим поведением типичной батареи LMP(48-18) остаются в силе для всех других рассматриваемых батарей LMP( x y ) и связанных с ними повторов.

Рисунок 1 . Типичные профили циклирования, потенциал E в зависимости от доли δ Li, введенного в Li δ FePO 4 , в обычном испытании мощности для батареи LMP(48-18).Пунктирная синяя кривая — ступень заряда.

Для обычного цикла (см. рисунок 1) и быстрого теста мощности (см. дополнительный рисунок 1) разрядная емкость была извлечена с использованием уравнений (1) и (2) соответственно. Затем каждое значение Q n было нормализовано по пропускной способности, подаваемой при Дж 0 , обозначенной как Q 0 . Таким образом, на рис. 2 представлена ​​нормированная разрядная емкость, отношение Q n / Q 0 , в зависимости от плотности тока разряда, Дж n , для двух циклических процедур LMP( 48-18) батареи.Значения, представленные на рисунке 2, соответствуют средним значениям с их стандартными отклонениями от разных повторов батареи. Для обеих процедур и при низких значениях J n ниже 0,3 мА·см −2 , Q n остается близким к Q 0 на 3%. Для обеих процедур и для высоких значений J n , превышающих 0,3 мА·см −2 , отношение Q n / Q 0

9032 быстро падает линейно с увеличением n до значений ниже 0.2 когда J n > 1 мА·см −2 . Аналогично литий-ионным батареям (Gallagher et al., 2014), зависимость между разрядной емкостью и плотностью тока полностью твердотельных литиевых батарей представляет собой переходный режим при критическом значении плотности тока. Кроме того, точка данных, зарегистрированная при максимальном значении J n при 2,8 мА·см −2 , отклоняется от линейного тренда n , когда J n > 0.3 мА·см −2 из-за эффекта суперконденсатора, возникающего из-за высокоповерхностных углеродных наполнителей и покрытия частиц LFP. Такой емкостной эффект наблюдается только для самых высоких плотностей тока батарей LMP ( x y ) и не принимается во внимание при анализе данных, представленном в остальной части текста. Эволюция нормированных разрядных емкостей в зависимости от плотности тока прекрасно согласуется с обычным испытанием на цикличность и быстрым испытанием мощности.Действительно, различия в значениях Q n / Q 0 лежат в пределах погрешностей, как правило, когда J d > 0,3 мА·см −2 . Кроме того, соответствие между двумя процедурами также наблюдается для каждой изученной батареи LMP ( x y ). Таким образом, быстрый тест мощности является надежным инструментом для отображения производительности батареи в режиме экономии времени с высокой точностью по сравнению с обычной процедурой циклирования.В литературе можно найти и другие интересные процедуры циклирования, но они менее точны в отношении активных материалов с положительным фазовым переходом, таких как LFP (Heubner et al., 2018a).

Рисунок 2 . Средняя нормированная емкость, отношение Q n / Q 0 , батареи LMP(48-18) в зависимости от плотности тока разряда, Дж n , для двух процедур циклирования. Символы соответствуют (♢) обычному циклическому тесту и (⃝) быстрому тесту мощности.

Чтобы понять влияние толщины электродов на мощность батареи, на рисунке 3A представлена ​​средняя нормализованная разрядная емкость в зависимости от Дж n для батарей LMP ( x -18) со значениями x , равными 20, 33. , 48 и 60 мкм, а толщина ТФЭ поддерживается на уровне 18 мкм. Для каждой батареи LMP ( x y ), представленной на рисунке 3A, эволюция Q n / Q 0 с J

7 d 902 уже подробно описана на рисунке 902. .Основное отличие каждой батареи заключается в расположении переходного режима между режимом плотности тока, где Q n остается близким к Q 0 , и режимом, где Q n / Q 0 уменьшается с J d . На основании рисунка 3А самый тонкий положительный электрод, более поздний Q n , будет сильно отличаться от Q 0 . Аналогичный вывод можно сделать для всех других батарей LMP ( x y ), в которых y является постоянным, а x составляет 20, 33, 48 или 60 мкм.Для полноты картины на дополнительном рисунке 3 показано соотношение Q n / Q 0 как функция J n для LMP ( x x x -36) и LMP2. ) батареи. В этом случае влияние толщины положительного электрода на мощность аналогично эффекту для литий-ионных аккумуляторов, содержащих жидкий электролит (Cornut et al., 2015; Heubner et al., 2018b). В качестве дополнительного случая на рисунке 3B показана средняя нормализованная разрядная емкость в зависимости от Дж n для батарей LMP(33- y ) со значениями y 18, 36 и 54 мкм, в то время как положительные толщина электрода постоянна и составляет 33 мкм.При заданной толщине положительного электрода переходный режим реализуется при меньшей плотности тока при увеличении толщины ТФЭ. Это наблюдение остается в силе для всех других батарей LMP ( x y ), в которых x является постоянным, а y составляет 18, 36, 54, 108 и 216 мкм. Для полноты на дополнительном рисунке 4 показано отношение Q n / Q 0 как функция J n для LMP(20- y 90(2348-), LMP ) и LMP(60- y ).Из рисунков 3A, B видно, что мощность полностью твердотельных литиевых батарей зависит как от толщины положительного электрода, так и от толщины ТФЭ. Интересно, что в большинстве исследований стандартных литий-ионных аккумуляторов менялась только толщина электрода, что сглаживало влияние толщины электролита. Точное понимание того, как эти два параметра влияют на производительность батареи, в первую очередь представляет интерес для создания оптимизированной сборки батареи.

Рисунок 3 . Средняя нормированная емкость, отношение Q n / Q 0 , в зависимости от плотности тока разряда Дж n . (A) LMP ( x -18) батареи с толщиной положительного электрода x из (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм; и батареи (B) LMP(33- y ) с толщиной ТФЭ y (⃝) 18, (□) 36 и (△) 54 мкм.

От каждого Q n / Q 0 против . J n графиков, определим плотность тока, соответствующую переходному режиму, как плотность тока, при которой Q n / Q 0 = 1 базовой линии (низкий J

6 7 n режим) пересекает линейную интерполяцию Q n / Q 0 vs.J n (высокий режим J n ). Это падение емкости связано с ограничением диффузии ионов лития, поэтому плотность тока, соответствующая этой точке данных, называется током ограничения диффузии, обозначаемым J lim . Для ясности графическое определение J lim показано на дополнительном рисунке 5 для батарей LMP (20-18). Чтобы лучше понять J lim , мы предлагаем методологию, основанную на уравнении Санда для техники с регулируемым током (Sand, 1901; Rosso et al., 2006). По определению, для плотности тока выше 90 232 Дж 90 233 90 216 lim 90 217 время Санда (τ 90 216 с 90 217 ) соответствует времени перехода, при котором поток ионных частиц недостаточно велик, чтобы удовлетворить приложенный ток. Уравнение Санда (Brissot et al., 1999) теоретически определяется как:

τs= π.Damb.(n.F.CLi2.(1-t+).Jn)2    (6)

с n число обмененных электронов ( n = 1 для LFP), F постоянная Фарадея (9,648 10 4 Кл.моль -1 ), C Li концентрация Li в ТФЭ (Devaux et al., 2012), расположенных в электролите и положительном электроде (882 моль.м -3 для обоих), t + катионное число переноса и D амб коэффициент амбиполярной диффузии. Использование этого уравнения является приблизительным, поскольку условие границ плоского электрода не полностью соблюдается на стороне катода.

Для Дж n Дж lim τ с можно оценить как эквивалентное времени разряда.Другими словами, τ s при определенной плотности тока определяется как:

τs(Jn)= QnJn, когда Jn≥Jlim    (7)

D амб и t + соли лития в ПЭО можно измерить или рассчитать с использованием многих методов, таких как электрохимические методики, основанные на поляризации (Shi and Vincent, 1993; Geiculescu et al., 2006) или релаксация (Mullin et al., 2011), спектроскопия импеданса (Bouchet et al., 2003), ЯМР импульсного поля (Hayamizu et al., 1999) или молекулярно-динамическое моделирование (Diddens et al., 2010) и многие другие. Изучая литературные данные и ориентируясь на электролит на основе высокомолекулярного ПЭО, при 80°C D амб находится в диапазоне 5 10 −8 см 2 .s −1 и t + около 0,15. Кроме того, была проведена импедансная спектроскопия Li-симметричных ячеек, содержащих ТФЭ толщиной 18, 36 и 54 мкм. Электрическая эквивалентная схема (см. вставку к дополнительному рисунку 2) использовалась для подбора всех спектров импеданса, чтобы извлечь значения t + и D ammb .DLi+, рассчитанное по уравнению (5), и t + не зависят от толщины ТФЭ со средним значением, согласующимся с литературным анализом, равным 3,4 ± 0,7 10 −8 см 2 .s −1 и 0,15 ± 0,02 соответственно.

График зависимости τ s от Jn-2 показывает линейное поведение для точек данных, для которых выполняется условие J n J lim , что подтверждает поведение Санда.В качестве примера на дополнительном рисунке 6 показано τ с по сравнению с Jn-2 для батареи LMP (48-18), включая линию линейной регрессии. Тогда наклон линии регрессии прямо пропорционален D амб и, таким образом, DLi+. Учитывая, что t + составляет 0,15, как определено с помощью спектроскопии импеданса, DLi+ было рассчитано для каждой батареи LMP ( x y ). DLi+ не зависит от положительного электрода и толщины ТФЭ со средним значением 3.1 ± 0,6 10 −8 см 2 −1 . Таким образом, коэффициент диффузии Li + , определяемый уравнением Санда применительно к данным циклирования батареи, довольно похож на коэффициент диффузии Li + в пределах SPE. Таким образом, ограничивающим мощность явлением в этих полностью твердотельных батареях является диффузия катионов Li + в электролите от литиевого отрицательного электрода к алюминиевому токосъемнику положительного электрода, а не диффузия Li . + в активном веществе LFP (Doyle and Newman, 1995).Таким образом, использование уравнения песка является эффективным инструментом для быстрого определения эффективного ограничивающего процесса диффузии в батареях, когда J > J lim , т. е. при скоростях, при которых восстанавливается только часть полной емкости.

Чтобы пойти дальше и сравнить все батареи LMP ( x y ) вместе, J lim было извлечено из каждого Q n / Q 3 против 7,231 J n участков. На рис. 4 представлена ​​средняя нормализованная емкость как функция отношения Дж lim / Дж n для ПМП(20-18), ПМП(33-36), ПМП(48-216) и Аккумуляторы ЛМП(60-54). Все экспериментальные кривые нормализованной емкости батарей LMP ( x y ) накладываются на простую кривую, которая демонстрирует, что рассматриваемое ограничивающее явление является одним и тем же независимо от толщины электрода и электролита и связано с диффузией в полимерный электролит.В литературе обычно получают простую кривую, когда нормированную емкость представляют как функцию скорости С или ее обратную. Затем простая кривая аппроксимируется экспоненциальной функцией затухания, растянутой на эмпирическое значение, обычно равное 2, и корректируется с использованием параметра времени релаксации (Heubner et al., 2018b; Tian et al., 2019). В нашем случае полуэмпирическая функция не используется, так как единственный параметр соответствует физическому параметру J lim , определяемому графически.Следующим шагом является создание простой модели, позволяющей получить более полное представление о разделении J lim из-за диффузии в электролит и/или в электролит, проникающий в положительный электрод.

Рисунок 4 . Средняя нормированная емкость, отношение Q n / Q 0 , как функция J lim / J n для ) батареи LMP(33–36), (∇) LMP(48–36) и (△) LMP(60–54).

На рис. 5 представлены средние Дж lim различных батарей LMP ( x y ) в зависимости от толщины положительного электрода x . Для заданной толщины положительного электрода J lim увеличивается с уменьшением толщины ТФЭ. Значения J lim находятся в пределах значений, полученных для положительного электрода толщиной 20 мкм, между 0,06 и 0,48 мА·см -2 , когда y равно 216 и 18 мкм соответственно.Когда y = 18 мкм, J lim уменьшается линейно с x . Для более высокого значения y наклон распада J lim с x менее выражен по мере увеличения y до значения плато для самых высоких зарегистрированных толщин SPE 216 мкм. Таким образом, наилучшие энергетические характеристики ожидаются от батареи, содержащей тонкий положительный электрод и тонкий слой ТФЭ. Однако, глядя на взаимосвязь между значениями x и y , можно собрать батарею с более высокой удельной энергией без значительного ухудшения характеристик мощности.Действительно, J lim является индикатором начала снижения емкости батареи от ее номинального значения, т. е. Q 0 . На рисунке 5 батарея LMP(60-18) показывает значение J lim выше, чем у LMP(20-36). Это означает, что J lim является слабой функцией толщины положительного электрода и сильной функцией толщины ТФЭ. Как следствие, для батарей LMP ( x y ) удельная объемная плотность энергии на один элемент может быть увеличена просто за счет выбора наилучшего компромисса между толщиной положительного электрода и ТФЭ.

Рисунок 5 . Средний предельный ток Дж lim в зависимости от толщины положительного электрода x . Пунктирные линии — ориентиры для глаз в зависимости от толщины ТФЭ, y . Символы соответствуют толщине ТФЭ y (⃝) 18, (□) 36, (△) 54, (♢) 108 и (∇) 216 мкм. Цвета символов соответствуют толщине положительного электрода x : (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм.

Слабую зависимость Дж lim относительно х можно понять, если учесть, что эффективная поверхность, обеспечивающая диффузионный поток Li + на границе композитный электрод/электролит, меньше геометрической поверхности электрода из-за присутствия активного материала и углеродных частиц в композитном электроде. Так, плотность тока, соответствующая потоку Li + в ТФЭ, расположенном внутри электрода, выше, чем в электролите.Кроме того, диффузионная длина Li + зависит от извилистости электрода. Эти эффекты можно описать, введя параметр α с 0 < α ≤ 1, в котором полный путь диффузии Li + соответствует α. х + у . Можно ожидать, что диффузионный путь в композитном электроде должен быть длиннее толщины электрода из-за его извилистости. Однако здесь мы измеряем эффективное значение, и оказывается, что диффузия в электролите, находящемся в электроде, кажется выше, чем в исходном электролите, вероятно, из-за содержания влаги.Это приводит к значению α ниже единицы. На рисунке 6 J lim изображена как функция α. х + у . При корректировке α до значения 0,35 все данные J lim сворачиваются в основную кривую, которая аппроксимируется с помощью обратной функции, показанной пунктирной линией на рис. 6, которая приводит к следующему уравнению:

Jlim=K(α·x+y)    (8)

с K = 13,2 мА·см −1 на основе подгонки методом наименьших квадратов ( R 2 > 0.99).

Рисунок 6 . Предельная плотность тока, Дж lim , в зависимости от α. х + у . Пунктирная кривая соответствует подгонке, полученной с помощью обратной функции. Символы соответствуют толщине ТФЭ y (⃝) 18, (□) 36, (△) 54, (♢) 108 и (∇) 216 мкм. Цвета символов соответствуют толщине положительного электрода x : (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм.

Чтобы дать физический смысл параметра K в уравнении (8), LMP ( x y ) можно смоделировать с помощью одномерного подхода, который широко использовался группой Doyle et al.(1993). Таким образом, можно просто применить закон Фика в 1-D, в котором диффузионный ток пропорционален градиенту концентрации Li + , толщине процесса диффузии и коэффициенту диффузии ограничивающих явлений. На основании результатов, полученных на рис. 6, J lim является обратной функцией суммы α. x + y и соответствует, таким образом, значению тока, при котором градиент концентрации Li в аккумуляторе падает до нулевого значения на алюминиевом токосъемнике/положительном электроде. J lim можно затем выразить как функцию эффективного коэффициента диффузии Li + (DLieff) согласно формуле:

Jlim= n·F·DLieff·(CLiα·x+y)    (9)

Объединение уравнения (9) в (8) позволяет напрямую вычислить соответствующее значение DLieff, равное 1,6 10 90 214 -8 90 215 см 90 214 2 90 215 .с 90 214 -1 90 215 на основе параметра 90 232 K 90 233. В этом случае эффективный коэффициент диффузии находится в том же диапазоне, что и коэффициент диффузии Li + , определенный по методике Sand time.Вследствие этого эффективный коэффициент диффузии DLieff соответствует эффективному коэффициенту диффузии Li + DLi+ в ТФЭ от положительного электрода к слою электролита. Методика J lim менее точна, чем методика песочного времени, но ее намного быстрее реализовать, чтобы быстро определить ограничивающие явления диффузии в батареях. Кроме того, параметр α представляет интерес, поскольку он зависит от состава и извилистости электрода, а также от ионного транспорта внутри ТФЭ, используемого в положительном электроде.Изменчивость этих параметров в зависимости от состава электрода является инструментом для оптимизации состава и текстуры электрода, но выходит за рамки нашего исследования.

Заключение

Сигнатура питания батареи быстро определяется с помощью быстрого теста питания. Этот метод заключается в наложении последовательного гальваностатического разряда от высокой до низкой плотности тока. Результаты, полученные этим методом, идентичны результатам, полученным при обычном гальваностатическом циклировании, т.е.д., серия шагов заряда-разряда. При плотности тока выше предельной плотности тока ( J lim ) применение уравнения Санда для метода регулируемого тока оказалось эффективным для определения коэффициента диффузии лимитирующего процесса. Здесь, в литий-полимерных батареях, диффузия Li + в твердом полимерном электролите, действующем в качестве сепаратора батареи и связующего вещества положительного электрода, ограничивает рабочие характеристики батареи. Помимо быстрого определения J lim дается физический смысл этого параметра. J lim напрямую связан с эффективным коэффициентом диффузии Li + по всей батарее, который аналогичен коэффициенту, описываемому уравнением Санда. Следовательно, быстрое испытание мощности является эффективным методом для сравнения серий аккумуляторов, которые различаются по своей сборке, и для определения основного ограничивающего фактора и, таким образом, для оптимизации сборки аккумулятора. Конструкция батареи должна учитывать совокупный эффект как от толщины слоя ТФЭ, так и от толщины положительного электрода.Например, в наших батареях LMP для электролита толщиной 54 мкм можно использовать положительный электрод толщиной до 48 мкм без ухудшения характеристик батареи. Для полноты картины следует также учитывать другие факторы, помимо характеристик мощности, особенно в случае аккумуляторов на основе литий-металла с влиянием гетерогенного электроосаждения лития на этапе заряда. Чтобы пойти дальше, эту методологию следует применять к литий-металлическим полимерным батареям, имеющим различные составы положительного электрода, а также к другим аккумуляторным технологиям.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью/дополнительный материал.

Вклад авторов

RB, DD, MD и ML разработали исследование проекта. МД и МЛ производили композитные электроды. DD, PD и HL проводили эксперименты. RB, DD и HL проанализировали данные. РБ и ДД написали рукопись. Все авторы прокомментировали рукопись.

Финансирование

Работа выполнена в контексте французского фонда FUI20 (Fond Unique Interministériel) с совместным проектом под названием ALEPH.

Конфликт интересов

MD и ML работают в компании Blue Solutions.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Благодарим BPI (Banque Publique d’Investissement) и компанию Blue Solutions за финансовую поддержку.

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/article/10.3389/fenrg.2019.00168/full#supplementary-material

Ссылки

Агравал, Р. К., и Пандей, Г. П. (2008). Твердые полимерные электролиты: проектирование материалов и применение полностью твердотельных аккумуляторов: обзор. J. Phys. Д заявл. физ. 41:223001. дои: 10.1088/0022-3727/41/22/223001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Арманд, М. (1983). Полимерные твердые электролиты — обзор. Ионика твердого тела 9–10, 745–754.дои: 10.1016/0167-2738(83)
-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Бард, А. Дж., и Фолкнер, Л. Р. (2001). Основы электрохимических методов и их применение, 2-е изд. . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley Sons, Inc.

Академия Google

Бодри П., Ласко С., Мажастр Х. и Блох Д. (1997). Разработка литий-полимерных аккумуляторов для электромобилей. Дж. Пауэр Сауэр. 68, 432–435. doi: 10.1016/S0378-7753(97)02646-3

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Буше, Р., Ласко С. и Россо М. (2003). EIS-исследование анода Li/PEO-LiTFSI литий-полимерной батареи. Дж. Электрохим. соц. 150, А1385–А1389. дои: 10.1149/1.1609997

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Bouchet, R., Maria, S., Meziane, R., Aboulaich, A., Lienafa, L., Bonnet, J.-P., et al. (2013). Одноионные триблок-сополимеры БАБ как высокоэффективные электролиты для литий-металлических аккумуляторов. Нац. Матер. 12, 452–457. doi: 10.1038/nmat3602

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Бриссо, К., Россо, М., Шазальвиль, Ж.-Н., и Ласко, С. (1999). Механизмы роста дендритов в литий-полимерных ячейках. Дж. Пауэр Сауэр. 81–82, 925–929. дои: 10.1016/S0378-7753(98)00242-0

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Корнут, Р., Лепаж, Д., и Шугаард, С. Б. (2015). Интерпретация кривых разрядки литиевых аккумуляторов для облегчения определения источника ограничений производительности. Электрохим. Acta 162, 271–274. doi: 10.1016/j.electacta.2014.11.035

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дево, Д., Буше, Р., Гле, Д., и Денойель, Р. (2012). Механизм транспорта ионов в комплексах ПЭО/LiTFSI: влияние температуры, молекулярной массы и концевых групп. Ионика твердого тела 227, 119–127. doi: 10.1016/j.ssi.2012.09.020

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дидденс Д., Хойер А. и Бородин О. (2010). Понимание транспорта лития в рамках модели на основе Рауза для полимерного электролита PEO/LiTFSI. Макромолекулы 43, 2028–2036. дои: 10.1021/ma

3h

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дёрффель, Д., и Шарх, С.А. (2006). Критический обзор использования уравнения Пейкерта для определения остаточной емкости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. Дж. Пауэр Сауэр. 155, 395–400. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.04.030

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дойл М., Фуллер Т. и Ньюман Дж. (1993). Моделирование гальваностатического заряда и разряда литиевой/полимерной/вставной ячейки. Дж. Электрохим. соц. 6, 1526–1533. дои: 10.1149/1.2221597

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дойл М. и Ньюман Дж. (1995). Использование математического моделирования при проектировании литий-полимерных аккумуляторных систем. Электрохим. Acta 40, 2191–2196. дои: 10.1016/0013-4686(95)00162-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дойл М. и Ньюман Дж. (1997). Анализ данных о емкости литиевых аккумуляторов с использованием упрощенных моделей процесса разряда. J. Appl. Электрохим. 27, 846–856. дои: 10.1023/A:1018481030499

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дойл, М., Ньюман, Дж., и Реймерс, Дж. (1994). Быстрый метод измерения емкости в зависимости от скорости разряда для двойного литий-ионного вставного элемента, подвергающегося циклированию. Дж. Источники питания 52, 211–216. дои: 10.1016/0378-7753(94)02012-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ду, З., Вуд, Д. Л., Даниэль, К., Калнаус, С.и Ли, Дж. (2017). Понимание ограничивающих факторов производительности толстых электродов применительно к литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии. J. Appl. Электрохим. 47, 405–415. doi: 10.1007/s10800-017-1047-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Эфтехари, А. (2017). Литий-ионные аккумуляторы с высокими скоростными характеристиками. ACS Sustain. хим. англ. 5, 2799–2816. doi: 10.1021/acssuschemeng.7b00046

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фуллер, Т.Ф., Дойл М. и Ньюман Дж. (1994). Моделирование и оптимизация двойной литий-ионной вставной ячейки. Дж. Электрохим. соц. 141, 1–10. дои: 10.1149/1.2054684

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Gallagher, K.G., Goebel, S., Greszler, T., Mathias, M., Oelerich, W., Eroglu, D., et al. (2014). Количественная оценка перспектив литий-воздушных аккумуляторов для электромобилей. Энергетика Окружающая среда. науч. 7, 1555–1563. дои: 10.1039/c3ee43870h

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Галлахер, К.Г., Траск С.Е., Бауэр С., Вёрле Т., Люкс С.Ф., Чех М. и соавт. (2016). Оптимизация площадей за счет понимания ограничений литий-ионных электродов. Дж. Электрохим. соц. 163, А138–А149. дои: 10.1149/2.0321602jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Geiculescu, O.E., Rajagopal, R., Creager, S.E., DesMarteau, D.D., Zhang, X.W., and Fedkiw, P. (2006). Транспортные свойства твердых полимерных электролитов, приготовленных из олигомерных фторсульфонимидных солей лития, растворенных в высокомолекулярном полиэтиленоксиде. J. Phys. хим. Б 110, 23130–23135. дои: 10.1021/jp062648p

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Hayamizu, K., Aihara, Y., Arai, S., and Martinez, C.G. (1999). Импульсно-градиентное спиновое эхо 1H, 7Li и 19F ЯМР-диффузия и измерения ионной проводимости 14 органических электролитов, содержащих LiN (SO 2 CF 3 ) 2 . J. Phys. хим. В 103, 519–524. дои: 10.1021/jp9825664

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хойбнер, К., Ламмель К., Николь А., Либманн Т., Шнайдер М. и Михаэлис А. (2018a). Сравнение хроноамперометрического отклика и производительности пористых вставных электродов: к тесту на ускоренную скорость. Дж. Пауэр Сауэр. 397, 11–15. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.06.087

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Heubner, C., Nickol, A., Seeba, J., Reuber, S., Junker, N., Wolter, M., et al. (2019). Понимание влияния толщины и пористости на электрохимические характеристики LiNi 0.6 Co 0,2 Mn 0,2 O 2 Катоды на основе для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Дж. Пауэр Сауэр. 419, 119–126. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.02.060

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Heubner, C., Seeba, J., Liebmann, T., Nickol, A., Börner, S., Fritsch, M., et al. (2018б). Полуэмпирическая концепция основной кривой, описывающая скорость литиевых вставных электродов. Дж. Источники питания 380, 83–91. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.01.077

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Цзян Ф. и Пэн П. (2016). Выяснение ограничений производительности литий-ионных аккумуляторов из-за видов и переноса заряда с помощью пяти характеристических параметров. науч. Респ. 6:32639. дои: 10.1038/srep32639

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ким, Дж. Г., Сон, Б., Мукерджи, С., Шупперт, Н., Бейтс, А., Квон, О., и соавт. (2015). Обзор твердотельных аккумуляторов на литиевой и нелитиевой основе. Дж. Пауэр Сауэр. 282, 299–322. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.054

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Курцвейл, П., и Гарш, Дж. (2017). «Обзор аккумуляторов для автомобилей будущего», в «Свинцово-кислотные аккумуляторы для автомобилей будущего» , редакторы Дж. Гарш, Э. Карден, П. Т. Мозли и Д. А. Дж. Рэнд (Амстердам: Elsevier BV), 27–96. doi: 10.1016/B978-0-444-63700-0.00002-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Маллин, С.А., Стоун, Г.М., Пандей, А., и Балсара, Н.П. (2011). Коэффициенты диффузии солей в блок-сополимерных электролитах. Дж. Электрохим. соц. 158, А619–А627. дои: 10.1149/1.3563802

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ньюман, Дж. (1995). Оптимизация пористости и толщины аккумуляторного электрода с помощью модели зоны реакции. Дж. Электрохим. соц. 142, 97–101. дои: 10.1149/1.2043956.

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Падхи, А.К., Нанджундасвами, К.С., и Гуденаф, Дж.Б. (1997). Фосфооливины как материалы положительного электрода для перезаряжаемых литиевых аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 144, 1188–1194. дои: 10.1149/1.1837571

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Поркарелли Л., Гербальди К., Белла Ф. и Наир Дж. Р. (2016). Сверхмягкий полностью полимерный электролит на основе оксида этилена для безопасных твердотельных литиевых батарей. науч. Респ. 6:19892. дои: 10.1038/srep19892.

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Росс Макдональд, Дж.(1992). Отклик импеданса/адмиттанса бинарного электролита. Электрохим. Acta 37, 1007–1014. дои: 10.1016/0013-4686(92)85216-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Россо, М., Бриссо, К., Тейссо, А., Долле, М., Саннье, Л., Тараскон, Ж.-М., и др. (2006). Эффект короткого замыкания дендритов и плавких предохранителей на элементах Li/Polymer/Li. Электрохим. Acta 51, 5334–5340. doi: 10.1016/j.electacta.2006.02.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сафари, М.и Делакур, К. (2011). Математическое моделирование литий-железо-фосфатного электрода: гальваностатический заряд/разряд и зависимость пути. Дж. Электрохим. соц. 158, А63–А73. дои: 10.1149/1.3515902

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Sand, HJS (1901). О концентрации на электродах в растворе с особым упором на выделение водорода при электролизе смеси медного купороса и серной кислоты. Фил. Маг. 1, 45–79.дои: 10.1080/14786440109462590

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Schnell, J., Günther, T., Knoche, T., Vieider, C., Köhler, L., Just, A., et al. (2018). Полностью твердотельные литий-ионные и литий-металлические батареи — путь к крупносерийному производству. Дж. Пауэр Сауэр. 382, ​​160–175. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.02.062

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ши, Дж., и Винсент, Калифорния (1993). Влияние молекулярной массы на подвижность катионов в полимерных электролитах. Ионика твердого тела 60, 11–17. дои: 10.1016/0167-2738(93)-8

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сингх, М., Кайзер, Дж., и Хан, Х. (2015). Толстые электроды для литий-ионных аккумуляторов высокой энергии. Дж. Электрохим. соц. 162, А1196–А1201. дои: 10.1149/2.0401507jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Соренсен, П.Р., и Якобсен, Т. (1982). Проводимость, перенос заряда и транспортное число — исследование полимерного электролита LiSCN-poly(этиленоксид). Электрохим. Acta 27, 1671–1675. doi: 10.1016/0013-4686(82)80162-X

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шринивасан, В., и Ньюман, Дж. (2004). Модель разряда для литий-железо-фосфатного электрода. Дж. Электрохим. соц. 151, А1517–А1529. дои: 10.1149/1.1785012

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тиан, Р., Парк, С.-Х., Кинг, П.Дж., Каннингем, Г., Коэльо, Дж., Николози, В., и др. (2019). Количественная оценка факторов, ограничивающих производительность аккумуляторных электродов. Нац. коммун. 10:1933. doi: 10.1038/s41467-019-09792-9

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Вонг, Л.Л., Чен, Х., и Адамс, С. (2017). Разработка катодных материалов, проводящих быстрые ионы, для сетевых натрий-ионных аккумуляторов. Физ. хим. хим. физ. 19, 7506–7523. д. дои: 10.1039/C7CP00037E

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Wu, X., Song, K., Zhang, X., Hu, N., Li, L., Li, W., et al.(2019). вопросы безопасности литий-ионных аккумуляторов: материалы и конструкция элементов. Перед. Энергия рез. 7:65. doi: 10.3389/fenrg.2019.00065

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Xu, W., Wang, J., Ding, F., Chen, X., Nasybulin, E., Zhang, Y., et al. (2014). Литий-металлические аноды для аккумуляторных батарей. Энергетика Окружающая среда. науч. 7, 513–537. дои: 10.1039/C3EE40795K

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ян, Дж., Ван, X., Чжан, Г., Ma, A., Chen, W., Shao, L., et al. (2019). Высокоэффективный твердый композитный полимерный электролит для всех твердотельных литиевых аккумуляторов благодаря легкому регулированию микроструктуры. Перед. хим. 7:388. doi: 10.3389/fchem.2019.00388

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Yu, D.Y.W., Donoue, K., Inoue, T., Fujimoto, M., and Fujitani, S. (2006). Влияние параметров электродов на катоды LiFePO 4 . Дж. Электрохим. соц. 153, А835–А839.дои: 10.1149/1.2179199

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ю, С., Ким, С., Ким, Т. Ю., Нам, Дж. Х., и Чо, В. И. (2013). Прогнозирование модели и эксперименты по оптимизации конструкции электродов LiFePO 4 /графита в литий-ионных батареях большой емкости. Бык. Корейский хим. соц. 34, 79–88. doi: 10.5012/bkcs.2013.34.1.79

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Цзэн, X., Ли, М., Абд Эль-Хади, Д., Алшитари, В., Al-Bogami, A.S., Lu, J., et al. (2019). Коммерциализация технологий литиевых батарей для электромобилей. Доп. Энергия Матер. 9:1

1. doi: 10.1002/aenm.201

1

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чжан, Х., Ли, К., Пищ, М., Койя, Э., Рохо, Т., Родригес-Мартинес, Л.М., и соавт. (2017). Одиночные литий-ионные проводящие твердые полимерные электролиты: достижения и перспективы. Хим. соц. Ред. 46, 797–815. дои: 10.1039/C6CS00491A

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Чжэн, Х., Li, J., Song, X., Liu, G., и Battaglia, VS (2012). Всестороннее понимание влияния толщины электрода на электрохимические характеристики катодов литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 71, 258–265. doi: 10.1016/j.electacta.2012.03.161

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Что такое твердотельная батарея и зачем она вам нужна

Обеспечивая надежное и долговечное хранение энергии для автономных приложений, технология литий-ионных аккумуляторов действительно изменила наш мир.Однако даже с этими достижениями есть потенциал для улучшения литий-ионной батареи. Одним из достижений, которое может снова изменить способ хранения энергии, является разработка твердотельной батареи.

Что такое твердотельная батарея?

Прежде чем мы узнаем, что такое твердотельная батарея, нам нужно понять, как работает современная литий-ионная технология. Литий-ионные батареи работают, позволяя ионному литию преодолевать барьер электролита между анодом и катодом батареи (положительный и отрицательный концы).Этот электролит представляет собой жидкий в стандартных литий-ионных аккумуляторах.

Твердотельная батарея использует твердый электролит для регулирования ионов лития вместо жидкого.

Основное различие между литий-ионным аккумулятором и твердотельным аккумулятором заключается в электролите. В то время как в литий-ионных батареях (и в большинстве других батарей) используется жидкий электролит, в твердотельных батареях используется твердый электролит.

Как работает твердотельная батарея?

Каждая батарея имеет два электрода – анод (отрицательная сторона) и катод (положительная сторона).Эти два электрода изготовлены из электропроводящего материала.

Между этими двумя электродами (и внутри них) находится электролит, содержащий электрически заряженные частицы (ионы). Электролит позволяет ионам лития проходить через него, соединяясь с анодом или катодом (в зависимости от зарядки или разрядки). Эта химическая реакция обеспечивает поток электрического заряда между катодом и анодом (через цепь), позволяя батарее генерировать электрический ток для питания вашего устройства.

Процесс заряда и разряда батареи LiFePo4 работает путем перемещения ионов лития через электролит, в то время как электроны проходят через цепь.

Итак, когда какое-либо устройство подключено к батарее, скажем, например, к лампочке, между анодом, катодом и электролитом происходит химическая реакция, создающая поток электрической энергии для питания лампочки.

Литий-ионный аккумулятор использует жидкий электролит для регулирования тока, а твердотельный аккумулятор использует твердый электролит.

И ЭТА разница будет иметь значение!

Преимущества твердотельных батарей

Технология твердотельных аккумуляторов имеет множество преимуществ. Короче говоря, твердый электролит, используемый в твердотельной батарее, обеспечивает более высокую плотность энергии, более длительный срок службы и повышенную безопасность при меньшем размере!

Давайте подробнее рассмотрим, как это отразится на том, какие преимущества получит пользователь от технологии твердотельных аккумуляторов:

Меньше и легче

Плотность энергии измеряет количество энергии, содержащейся в батарее, пропорциональное ее весу.Говорят, что твердотельные батареи способны обеспечивать в 2,5 раза большую плотность энергии, чем нынешних литий-ионных технологий. Это огромное увеличение плотности энергии твердотельных батарей означает, что они будут намного меньше и легче.

Более высокая плотность энергии означает, что батареи могут быть намного легче и хранить такое же количество энергии. Вес является критической проблемой для мобильных приложений питания, так что это может изменить правила игры. Легковые автомобили, грузовики, внедорожники, лодки и самолеты могли бы выиграть от того, что они стали легче.

Электрические транспортные средства также могут многое выиграть от этой технологии, поскольку они могут получить гораздо больший запас хода при меньшем весе и меньшем объеме аккумуляторной батареи.

Быстрая зарядка

Твердотельные батареи могут работать с очень высокой мощностью. Исследования показывают, что они могут безопасно заряжать в 4-6 раз быстрее , чем современные технологии.

Безопасное использование аккумуляторов

Жидкие электролиты, содержащиеся в литий-ионных батареях, чрезвычайно летучи и легко воспламеняются.Эти электролиты также не должны контактировать с воздухом. Твердотельные батареи не содержат жидких компонентов и не будут иметь этого летучего компонента.

Таким образом, в то время как литий-ионные батареи подвержены таким событиям, как тепловой разгон, ведущий к взрыву и пожару, твердые электролиты, используемые в твердотельных батареях, негорючи и, следовательно, представляют меньший риск воспламенения. Хотя батарея может нагреваться, в ней нет ничего легковоспламеняющегося, что могло бы загореться.

Кроме того, эти батареи требуют меньше систем безопасности, чем литий-ионные батареи.Устранение дополнительной электроники может способствовать уменьшению и уменьшению веса батарейных блоков, что еще больше повышает плотность энергии твердотельных батарей.

Эти батареи могут даже не требовать внешней BMS в определенных ситуациях, что значительно упрощает их конструкцию.

Гораздо проще в производстве

Работа с летучей жидкостью, которая не может контактировать с воздухом, представляет собой огромную проблему, которую можно полностью устранить с помощью технологии твердотельных аккумуляторов.Твердый электролит может обеспечить гораздо более быстрое производство с использованием меньшего количества материалов и энергии.

Твердотельные батареи слишком хороши, чтобы быть правдой?

Абсолютно нет! Исследования проводятся во всем мире, и регулярно выходят новые публикации и статьи о достижениях. Твердотельные технологии дают так много преимуществ, что многие исследовательские фирмы и компании проявляют к ним значительный интерес.

В заключение, по сравнению с традиционной технологией литий-ионных аккумуляторов, твердотельные аккумуляторы будут легче, меньше, мощнее, быстрее заряжаются, служат дольше и безопаснее.

Узнайте о технологии Dragonfly Energy и о том, как мы революционизируем не только достижения в области твердотельных аккумуляторов, но и производственный процесс. Мы предлагаем полную линейку литий-ионных аккумуляторов глубокого разряда для 12-, 24- и 48-вольтовых систем. Наши аккумуляторы являются идеальной заменой традиционным свинцово-кислотным аккумуляторам и избавляют от беспокойства по поводу аккумуляторов.

Аккумуляторы (часть вторая)

Жизненный цикл аккумулятора

Жизненный цикл аккумулятора определяется как количество полных циклов зарядки/разрядки, которые аккумулятор может выполнить до того, как его нормальная зарядная емкость упадет ниже 80 процентов от первоначальной номинальной емкости.Срок службы батареи может варьироваться от 500 до 1300 циклов. Различные факторы могут привести к ухудшению состояния аккумулятора и сокращению срока его службы. Во-первых, это чрезмерная разрядка, вызывающая избыточную сульфатацию; во-вторых, слишком быстрая зарядка или разрядка, приводящая к перегреву пластин и осыпанию активного материала. Накопление сбрасываемого материала, в свою очередь, вызывает замыкание пластин и приводит к внутреннему разряду. Аккумулятор, который остается в низком или разряженном состоянии в течение длительного периода времени, может быть необратимо поврежден.Ухудшение может продолжаться до точки, когда емкость элемента может упасть до 80 процентов после 1000 циклов. Во многих случаях ячейка может продолжать работать почти до 2000 циклов, но с уменьшенной емкостью на 60 процентов от исходного состояния.

Методы испытаний свинцово-кислотных аккумуляторов

Состояние заряда аккумуляторной батареи зависит от состояния ее активных материалов, в первую очередь пластин. Однако состояние заряда батареи определяется плотностью электролита и проверяется ареометром — прибором, измеряющим удельный вес (вес по сравнению с водой) жидкостей.

Наиболее часто используемый ареометр состоит из небольшой запаянной стеклянной трубки, утяжеленной на нижнем конце, чтобы она плавала в вертикальном положении. [Рис. 12-195] В узком стержне трубки находится бумажная шкала с диапазоном от 1,100 до 1,300.

Рис. 12-195. Ареометр (показания удельного веса).

При использовании ареометра в шприц набирается количество электролита, достаточное для плавания ареометра. Глубина, на которую ареометр погружается в электролит, определяется плотностью электролита, а значение шкалы, указанное на уровне электролита, является его удельным весом.Чем плотнее электролит, тем выше плавает ареометр; следовательно, самое высокое число на шкале (1,300) находится в нижней части шкалы ареометра.

В новой, полностью заряженной аккумуляторной батарее самолета электролит примерно на 30 процентов состоит из кислоты и на 70 процентов из воды (по объему), что в 1300 раз тяжелее чистой воды. При разряде раствор (электролит) становится менее плотным и его удельный вес падает ниже 1300. Удельный вес от 1300 до 1.275 указывает на высокий уровень заряда; между 1,275 и 1,240 — средний уровень заряда; и между 1.240 и 1.200, низкий уровень заряда. Батареи самолетов, как правило, имеют небольшую емкость, но подвержены большим нагрузкам. Поэтому значения, указанные для состояния заряда, довольно высоки. Периодически проводятся ареометрические испытания всех аккумуляторных батарей, установленных на самолетах. Батарея самолета с низким уровнем заряда может иметь оставшийся заряд примерно на 50 процентов, но, тем не менее, считается разряженной перед лицом высоких требований, которые вскоре истощат ее.Аккумулятор в таком состоянии считается нуждающимся в немедленной подзарядке.

При проверке аккумулятора с помощью ареометра необходимо учитывать температуру электролита. Показания удельного веса на ареометре отличаются от фактического удельного веса при изменении температуры. Корректировка не требуется, когда температура находится в диапазоне от 70 °F до 90 °F, так как отклонение недостаточно велико, чтобы его можно было учитывать. Когда температура выше 90 °F или ниже 70 °F, необходимо применять поправочный коэффициент.Некоторые ареометры снабжены поправочной шкалой внутри трубки. Для других ареометров необходимо обращаться к таблице, предоставленной производителем. В обоих случаях поправки следует добавлять или вычитать из показаний ареометра.

Удельный вес элемента является достоверным только в том случае, если к электролиту не добавлялось ничего, кроме случайных небольших количеств дистиллированной воды для восполнения потери в результате нормального испарения. Всегда снимайте показания ареометра перед добавлением дистиллированной воды, а не после.Это необходимо для того, чтобы вода тщательно смешалась с электролитом и чтобы избежать попадания в шприц ареометра пробы, не отражающей истинной концентрации раствора.

Соблюдайте особую осторожность при проверке ареометром свинцово-кислотного аккумулятора. Обращайтесь с электролитом осторожно, так как серная кислота обжигает одежду и кожу. Если кислота попала на кожу, тщательно промойте пораженный участок водой, а затем нанесите соду.

Методы зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов

Прохождение постоянного тока через аккумулятор в направлении, противоположном направлению тока разряда, может привести к заряду аккумуляторной батареи.Из-за внутреннего сопротивления (IR) в аккумуляторе напряжение внешнего источника зарядки должно быть больше, чем напряжение холостого хода. Например, напряжение холостого хода полностью заряженной 12-элементной свинцово-кислотной батареи составляет примерно 26,4 вольта (12 × 2,2 вольта), но для ее зарядки требуется примерно 28 вольт. Это большее напряжение необходимо для зарядки из-за падения напряжения в аккумуляторе, вызванного внутренним сопротивлением. Следовательно, зарядное напряжение свинцово-кислотной батареи должно равняться напряжению холостого хода плюс падение сопротивления IR внутри батареи (произведение зарядного тока и внутреннего сопротивления).

Аккумуляторы заряжаются либо постоянным напряжением, либо постоянным током. В методе постоянного напряжения [Рисунок 12-196A] двигатель-генератор с постоянным регулируемым напряжением пропускает ток через батарею. В этом методе ток в начале процесса высок, но автоматически снижается, достигая значения примерно 1 ампер, когда батарея полностью заряжена. Метод постоянного напряжения требует меньше времени и контроля, чем метод постоянного тока.

Рис. 12-196. Методы зарядки аккумулятора.

В методе постоянного тока [Рисунок 12-196B] ток остается почти постоянным в течение всего процесса зарядки. Этот метод требует больше времени для полной зарядки аккумулятора и к концу процесса представляет опасность перезарядки, если не соблюдать осторожность.

В самолете аккумуляторная батарея заряжается постоянным током от бортовой генераторной системы. Этот метод зарядки является методом постоянного напряжения, поскольку напряжение генератора поддерживается постоянным с помощью регулятора напряжения.

При зарядке аккумуляторной батареи выделяется определенное количество водорода и кислорода. Поскольку это взрывоопасная смесь, важно принять меры для предотвращения воспламенения газовой смеси. Ослабьте вентиляционные заглушки и оставьте на месте. Не допускайте открытого огня, искр или других источников воспламенения поблизости. Перед отсоединением или подключением аккумулятора к зарядке всегда выключайте питание дистанционным выключателем. На рис. 12-197 показано оборудование для зарядки аккумулятора.

Рис. 12-197.Зарядное устройство.

Рекомендация бортмеханика

   

Полив свинцово-кислотного аккумулятора: основы

Точно так же, как вы не можете обходиться без воды, ваша батарея тоже. Полив свинцово-кислотного аккумулятора — важный этап технического обслуживания, который нельзя пропускать. Он поддерживает аккумулятор в безопасном для использования состоянии и в оптимальном состоянии. Если вовремя не полить свинцово-кислотный аккумулятор, это может привести к серьезному повреждению, но не всегда легко понять, когда пора поливать аккумулятор.Выполните следующие действия, чтобы полить свинцово-кислотный аккумулятор.

Почему аккумуляторы нужно поливать

Свинцово-кислотные батареи состоят из плоских свинцовых пластин, погруженных в ванну с электролитом. Электролит состоит из воды и серной кислоты. Размер пластин аккумулятора и количество электролита определяют количество заряда, которое могут хранить свинцово-кислотные аккумуляторы, или количество часов использования. Вода является ключевой частью функционирования свинцовой батареи.

Кроме того, в процессе перезарядки, когда электричество проходит через водную часть электролита, вода превращается в свои исходные элементы, водород и кислород.Эти газы очень легко воспламеняются, поэтому аккумуляторы вашего RV или морских батарей должны выбрасываться наружу. Выделение газа приводит к потере воды, поэтому в свинцово-кислотные батареи необходимо периодически добавлять воду. Аккумуляторы с низким уровнем обслуживания, такие как аккумуляторы AGM, являются исключением, поскольку они способны компенсировать потерю воды.

Чрезмерный и недостаточный полив могут повредить аккумулятор. Чтобы ваша свинцовая батарея работала на пиковых уровнях, следуйте этим рекомендациям по поливу.

Сначала – начните с безопасности

Для начала обязательно наденьте средства индивидуальной защиты, такие как защитные очки и перчатки, при работе с батареями.Также очень важно понимать, что некоторые аккумуляторы требуют регулярного обслуживания, а другие аккумуляторы обеспечивают работу без обслуживания.

Обязательно найдите информацию на маркировке батареи, которая указывает, можно ли открывать и обслуживать батарею. В зависимости от типа батареи, которую вы используете, предупреждающие этикетки на вашей батарее должны указывать вам «НЕ ОТКРЫВАТЬ» батарею или «ДЕРЖИТЕ КРЫШКИ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ КРЫШЕК ПОСЛЕ ПОЛИВА». Обязательно следуйте инструкциям на предупреждающей этикетке.

Как поливать аккумулятор

Хотя аккумулятор следует заполнять только после того, как он полностью заряжен, вы также должны проверить уровень воды перед зарядкой, чтобы убедиться, что воды достаточно, чтобы покрыть открытые пластины. После зарядки добавьте достаточное количество воды, чтобы довести уровень до дна вентиляционного отверстия, примерно на ¾ ниже верхней части элемента.

Важно отметить, что владельцы аккумуляторов никогда не должны добавлять серную кислоту в свои аккумуляторы. При нормальной работе батареи потребляют только воду, а не серную кислоту.Если уровень электролита в аккумуляторе низкий, заполнение аккумулятора водой сохранит его работоспособность и безопасность для использования.

Не переливать

Во время зарядки аккумулятора плотность раствора электролита будет увеличиваться. Если перед зарядкой было добавлено слишком много воды, уровень электролита увеличится, что приведет к переполнению аккумулятора и повреждению аккумулятора. Кроме того, чрезмерное увлажнение батареи может привести к дополнительному разбавлению электролита, что приведет к снижению производительности батареи.

Когда нужно поливать батарею

Частота добавления воды в аккумулятор зависит от того, как часто вы его используете. Аккумулятор тележки для гольфа, который используется только по выходным, может требовать полива только один раз в месяц. Вилочный погрузчик, используемый весь день, каждый день, может нуждаться в промывке аккумулятора каждую неделю. При жаркой погоде потребность в поливе увеличивается. Важно регулярно проверять уровень жидкости в аккумуляторе, и лучше всего делать это после завершения зарядки аккумулятора.

Какой тип воды следует использовать

Избегайте использования водопроводной воды.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.