Как самостоятельно поднять плотность электролита АКБ? — Иксора
Вне зависимости от сезона и погодных условий можно столкнуться с проблемой в работе аккумуляторной батареи автомобиля. При потере аккумулятором заряда, многие водители используют термин «плотность аккумулятора», подразумевая под ним плотность электролита, залитого в сам источник питания. Это показателя плотности электролита зависит работа самого АКБ, его возможность к подзарядке и сохранению энергии.
АКБ может разрядиться по многим причинам. Чаще всего это происходит по невнимательности водителя, оставившего фары или аудиосистему работающими при выключенном зажигании.
Полностью разрядившуюся аккумуляторную батарею часто невозможно зарядить, если проблема является следствием снижения плотности залитого в устройство электролита.
Почему снижается плотность электролита?
Электролит АКБ представляет собой смесь дистиллированной воды, объем которой составляет около 65% от общего объема раствора, и серной кислоты (объем составляет около 35%). Рабочая жидкость является катализатором электрохимического процесса и заставляет работать АКБ. Электролит также обладает определенной плотностью, которая в зависимости от объема заряда батареи может повышаться или снижаться.
Многие автовладельцы для поддержания объема электролита на оптимальном уровне доливают внутрь батареи дистиллированную воду. Подобные действия приводят к изменению плотности раствора. Дело в том, что при заливе дистиллированной воды и последующей подзарядке батареи электролит выкипает, и плотность раствора снижается. Если показатель плотности падает до критического значения, автомобиль уже не получится завести. Для решения проблемы необходимо повысить плотность раствора электролита в аккумуляторной батарее.
Как повысить плотность электролита в АКБ?
Плотность раствора электролита в АКБ возможно повысить своими силами, без обращения в автосервис. Перед началом работ следует провести предварительную подготовку:
- подготовьте емкости для слива части электролита из АКБ;
- также нужны перчатки, защитные очки и одежда, которые защитят от попадания на кожу серной кислоты;
- подготовьте инструменты, которые понадобятся в работе: ареометр, клизма-груша, мерный стакан, воронка;
- дополнительно потребуются расходные материалы: дистиллированная вода, аккумуляторная кислота или уже готовый электролит.
Для того, чтобы поднять плотность электролита в АКБ, потребуется полностью заменить раствор. Для выполнения процедуры, следуйте нашим инструкциям. Обратите внимание на то, что заменить электролит возможно только в аккумуляторах разборного типа.
- Снимите АКБ с автомобиля.
- Снимите защиту аккумулятора, открутите пробки с банок.
- С помощью клизмы выкачайте старый электролит из аккумулятора через отверстие одной из банок.
- Прочистите пластины аккумулятора от остатков электролита с помощью дистиллированной воды. Для этого залейте воду в каждую банку АКБ, протрясите батарею с водой внутри и слейте раствор.
- Приступайте к заливу нового электролита. Процедура значительно проще, если вы приобрели уже готовый раствор, его достаточно залить с помощью воронки до отмеченных границ в каждую банку. Если вы покупали отдельно дистиллированную воду и аккумуляторную кислоту, необходимо предварительно подготовить раствор с плотностью 1,27-1,28 гр/см.куб.
- Закройте банки и приступите к подзарядке батареи по циклу «зарядка-разрядка» при силе тока не более 0,1 Ампер до момента пока плотность электролита не достигнет рабочих значений. АКБ можно начинать использовать после того, как на концах клемм появится значение в 14 Вольт.
Необходимо с осторожностью подходить к процессу самостоятельной замены электролита в АКБ и соблюдать все меры предосторожности. Раствор электролита вреден не только при попадании на кожу, но и при попадании в дыхательные пути, поэтому проводите процедуру только в хорошо проветриваемых помещениях.
В магазине IXORA вы можете найти АКБ, который подходит именно вашему автомобилю. Квалифицированные менеджеры обязательно помогут сделать правильный выбор, ответят на все ваши вопросы. Обращайтесь, это выгодно и удобно.
Полезная информация:
Получить профессиональную консультацию при подборе товара можно, позвонив по телефону 8 800 555-43-85 (звонок по России бесплатный).
Поделиться статьей
Плотность и другие характеристики электролита в тяговых аккумуляторах
Плотность электролита является важной эксплуатационной характеристикой.
В зависимости от условий эксплуатации, типа и конструкции аккумуляторов диапазон изменения состава электролита и его рабочей плотности достаточно широк.
У кислотных аккумуляторов, в отличие от щелочных, плотность электролита изменяется в зависимости от степени заряженности.
При разряде кислотного аккумулятора Плотность электролита при этом уменьшается. При заряде аккумулятора происходит обратный процесс, плотность электролита увеличивается. Поэтому по изменению плотности электролита можно судить о количестве полученных или отданных кислотным аккумулятором ампер-часов. Этот же показатель пригоден для определения степени саморазряда кислотных аккумуляторов, находящихся на хранении.
Свинцовые аккумуляторы заливаются водным растовором серной кислоты. Плотность раствора электролита является наиболее существенным фактором, определяющим напряжение, ёмкость и срок службы аккумуляторов.
Основная задача, которую приходится решать при контроле плотности раство-ра электролита, состоит в том, чтобы выбранной концентрации серной кислоты было достаточно для получения требуемой емкости с учетом заданных усло-вий изменения напряжения.
В действительности аккумуляторы всех типов содержат значительно большее количество кислоты, чем это необходимо теоретически, никогда вся кислота даже при самом глубоком разряде аккумулятора не используется полностью. В стационарных аккумуляторах, к массе и размерам которых нет жёстких требований, раствора электролита больше, а в аккумуляторах для транспортных средств его значительно меньше. Поэтому в стационарных аккумуляторах можно применять раствор серной кислоты невысокой плотности, а в аккумуляторах других типов плотность раствора электролита выше.
Изменение плотности раствора электролита у свинцовых аккумуляторов является надежным индикатором их заряженности, хотя сопряжено с точностью измерений плотности, т. е. с зависимостью от температуры.
При контроле состояния аккумулятора по плотности раствора электролита следует учитывать, что в процессе заряда происходит неравномерное изменение плотности электролита по вертикали. Расслоение по плотности усиливается, когда заряду предшествует глубокий разряд. В результате плотность раствора электролита в верхней части аккумулятора заметно меньше, чем в нижней.
Старый аккумулятор. Заряжать или выбросить?
Как вы уже поняли, для этого аккумулятор придется с автомобиля снять. Впрочем, если в вашем распоряжении есть теплый гараж, то можно обойтись и без таскания тяжестей. Но клеммы нужно отсоединить обязательно.
Для начала измеряется напряжение аккумулятора без нагрузки и под нагрузкой. Это позволит понять степень разряда аккумулятора и оценить его работоспособность. Ниже приведена специальная таблица, которая соотносит эти напряжения с зарядом аккумулятора.
По большому счету, для разных технологий аккумуляторов данные в табличке будут несколько отличаться. Следует помнить, что таблица составлена для новых аккумуляторов, так что для батарей, которые эксплуатируются давно, данные так же могут чуть-чуть иными. Но эта разница в обоих случаях настолько незначительна, что ею можно пренебречь.
Если с напряжениями окажется всё в порядке, то останется измерить плотность электролита, чтобы сделать окончательное заключение о состоянии аккумулятора.
Для теста нам потребуется нагрузочная вилка. Конечно, будет лучше, если этот прибор окажется современным цифровым, с возможностью фиксации изменений напряжения по секундам. Но и обычный стрелочный тоже вполне сгодится.
Первый замер напряжения мы делаем без нагрузки. Если ваша нагрузочная вилка может производить замер только под нагрузкой, тогда для первого замера вам потребуется мультиметр.
При замере нагрузочной вилкой, особенно со стрелочным прибором(!) соблюдайте полярность. Разъем-крокодил прицепляется на «минус», а сама вилка присоединятся к положительной клемме.
На мультиметре ситуация проще: если вы перепутали полярность, то прибор просто покажет отрицательное значение напряжения, а само число будет тем же. И, конечно, не забудьте перевести мультиметр в режим вольтметра постоянного тока. Если пределы измерений переключаются, то для большей точности нужно выбрать минимальный, который позволит замерить 12 Вольт.
ВАЖНОЕ УТОЧНЕНИЕ: все замеры и напряжения, и плотности электролита делаются с точностью до одной сотой. И это не ловля блох, а совершенно принципиальный вопрос. Именно вот эти сотые доли величин и будут определять состояние аккумулятора.
Итак, аккумулятор дома уже 10 часов, температура порядка 20°С.
Делаем замер напряжения без нагрузки. В нашем случае получаем 12,55 Вольта.
Смотрим в табличку. Видим, что ближайшее значение 12,54 Вольта.
Скорее всего наш аккумулятор просто разряжен. Если бы это напряжение оказалось ниже 12,2 Вольта, то мы бы имели дело с сильно разряженным аккумулятором. А пока у нас обычная рабочая ситуация.
Это хорошая новость, и мы можем смело приступать к замеру напряжения под нагрузкой.
Напряжение под нагрузкой измеряется 5-7 секунд. В течение времени замера оно меняется – сначала падает, а потом растет.
Как видно из таблицы, для аккумулятора в нормальном рабочем состоянии напряжение в конце замера должно быть не менее 10,5 Вольт.
Подключаем нагрузку, делаем замер. Обратите внимание, чем удобна такая нагрузочная вилка – мы точно знаем, на какой секунде замера какое напряжение выдавала батарея.
Мы видим, что напряжение в конце замера 10,05 Вольта, что на 45 сотых ниже ожидаемого нормального. Вывод простой – аккумулятор разряжен.
Однако, окончательный вердикт выносить рано: это можно сделать, только замерив плотность электролита по каждому элементу или, как говорят специалисты, по каждой банке.
Для замера плотности электролита используется прибор ареометр.
Наш ареометр – серьёзный, профессиональный прибор повышенной точности.
Но для такого теста вполне подойдет обычный стеклянный ареометр с резиновой грушей, который совсем недорого можно купить в автомагазине.
ОЧЕНЬ ВАЖНАЯ ИНФОРМАЦИЯ !!!
- Электролит – это слабая кислота, и работа с ним требует осторожности!
- Исключите присутствие детей при работе с аккумулятором.
- Обязательно защитите глаза, наденьте резиновые перчатки и фартук.
- Ни в коем случае не подносите близко к лицу ареометр и не приближайте лицо к аккумулятору.
- Держите под рукой запас воды и мыла. В случае попадания кислоты немедленно промойте место мылом с обильным количеством воды.
- Не пользуйтесь открытым огнем, электроприборами, не курите!
- Не работайте в нетрезвом виде!
Замеряем плотность электролита по всем шести элементам. Допустимое отличие плотности в разных банках не более, чем 0,2 г/см³.
Как видим, во всех шести банках плотность одинаковая и равна 1,25 г/см³.Это полностью согласуется с таблицей, о которой мы уже говорили.
Значит, аккумулятор нужно зарядить и можно эксплуатировать дальше.
А ведь он был сдан в утиль!
Помните, о чем мы говорили в самом начале?
Это тот самый случай, когда хозяин выбросил вполне рабочую батарею, которая всего лишь требовала небольшого внимания – подзаряда.
Что очень удобно для человека, не сильно искушенного в технике, то, что на этом простом ареометре можно ориентироваться даже не по цифрам, а по цвету зон. Зелёная зона означает, что плотность электролита в рабочей норме. Белая зона – батарее требуется заряд. И красная зона – состояние аккумулятора, когда скорее всего нужна помощь профессионала или уже всё же придется менять аккумулятор.
Значит, аккумулятор нужно зарядить и можно эксплуатировать дальше.А ведь он был сдан в утиль!Помните, о чем мы говорили в самом начале?Это тот самый случай, когда хозяин выбросил вполне рабочую батарею, которая всего лишь требовала небольшого внимания – подзаряда.
Таблица отношения напряжения и степени заряда аккумулятора к плотности электролита
| Плотность электролитапри +15°С (г/см²) | Напряжениебез нагрузки (В) | Напряжениепри подключенной нагрузке 100А (В) | Степень заряженности батареи (%) | Температура замерзанияэлектролита (°С) |
| 1,27 | 12,66 | 10,08 | 100,0 | -60 |
| 1,26 | 12,60 | 10,66 | 94,0 | -55 |
| 1,25 | 12,54 | 10,50 | 87,5 | -50 |
| 1,24 | 12,48 | 10,34 | 81,0 | -46 |
| 1,23 | 12,42 | 10,02 | 75,0 | -42 |
| 1,22 | 12,36 | 10,06 | 69,0 | -37 |
| 1,21 | 12,30 | 9,90 | 62,5 | -32 |
| 1,20 | 12,24 | 9,74 | 56,0 | -27 |
| 1,19 | 12,18 | 9,60 | 50,0 | -24 |
| 1,18 | 12,12 | 9,46 | 44,0 | -18 |
| 1,17 | 12,06 | 9,30 | 37,5 | -16 |
| 1,16 | 12,00 | 9,14 | 31,0 | -14 |
| 1,15 | 11,94 | 9,00 | 25,0 | -13 |
| 1,14 | 11,88 | 8,84 | 19,0 | -11 |
| 1,13 | 11,82 | 8,68 | 12,56 | -9 |
| 1,12 | 11,76 | 8,54 | 6,0 | -8 |
| 1,11 | 12,70 | 8,40 | 0,0 | -7 |
Корректировка плотности и замена электролита
Специалисты АКБ-Сервиса в Ижевске напоминают о том, что проверку плотности электролита в аккумуляторе необходимо выполнять не реже одного раза в год. Почему изменяется плотность электролитической жидкости?
Во время скоростного движения аккумулятор получает необходимое электричество для полного заряда. Однако если вы часто двигаетесь в пробках, львиная доля электроснабжения уходит на обслуживание других электроприборов, а батарея заряжается не полностью.
В результате происходит сульфатация – частицы серы оседают, образуя плотный слой, а в самой жидкости концентрация серы уменьшается. Если ситуация не критична, поможет полная зарядка аккумулятора. Если же выпало в твердый осадок большое количество серы, необходима помощь специалистов из АКБ-Сервиса в Ижевске. Другое дело – когда плотность электролита снизилась из-за его пролива. Выяснить в чем проблема и решить ее вы можете, приехав к нам в любое удобное время.
- Мы проведем тщательную диагностику батареи, чтобы определить причину снижения плотности электролитической жидкости.
- Мы приведем плотность к нормальному состоянию (при 25 градусах 1,28+-0,01г/см3), используя технологию, которая будет эффективной и безопасной в конкретной ситуации.
- Если аккумуляторная батарея нуждается в замене электролита, мы используем качественные составы проверенных производителей.
- Если в процессе диагностики выяснится, что причиной снижения плотности является выработка батареи, корректировка плотности электролита или его доливка – не выполняются, так как это лишние расходы для наших клиентов. В таком случае мы проконсультируем по поводу покупки новой АКБ для автомобиля.
Чтобы вы могли самостоятельно контролировать плотность электролитической жидкости в аккумуляторе машины, вы можете использовать недорогой современный ареометр. Прибор прост в использовании и имеет доступную цену. Купить ареометр для электролита в Ижевске вы можете как на нашем сайте, так и непосредственно в АКБ-Сервисе.
какая она должна быть в норме (зимой и летом)
Все, кто имел дело с аккумуляторными батареями, знают, что их основными характеристиками являются номинальное напряжение и емкость заряда. Но для поддержания работоспособности АКБ не менее важным является такой параметр как плотность аккумулятора. Конечно, на самом деле речь идет о плотности электролита, находящегося в аккумуляторной батарее. Но зачастую используется именно это жаргонное выражение. Контролировать концентрированность электролита так же необходимо, как и регулярно заряжать источник тока.
На что влияет плотность электролита
В большинстве аккумуляторных батарей применяются свинцовые пластины, а рабочая среда – серная кислота, разбавленная водой. Насыщенность раствора, измеряемая в грамм/см3, и является той характеристикой, которая влияет на способность аккумулятора накапливать заряд для последующей работы.
Схема устройства свинцово-кислотной АКБ
Концентрация кислоты в растворе электролита и работоспособность аккумуляторной батареи напрямую связаны между собой.
- При малой плотности падает и способность источника тока накапливать ту емкость заряда, которая обеспечивает его рабочие характеристики. При малой плотности батарея быстрее разряжается и не выдает положенный максимальный ток.
- Если величина этого параметра опустится ниже определенного значения, то в мороз вода в электролите может замерзнуть, и аккумулятор полностью выйдет из строя.
- Но при высокой плотности резко ускоряется процесс сульфатации свинцовых пластин. Это означает, что при слабом заряде АКБ на них образуется свинцовый сульфат, который уже не преобразуется при заряде обратно в свинец. Это также приводит к уменьшению способности накапливать необходимый заряд, а с течением времени – к полному выходу батареи из строя.
Поэтому важно поддерживать значение этого параметра в соответствии с установленными и проверенными нормами. Значительное уменьшение или превышение нормативных значений не способствует продуктивной работе аккумуляторной батареи.
Холод, при котором возможно замерзание содержимого батареи, показаны на рисунке.
Точка замерзания водно-кислотного раствора в зависимости от его плотности
Нормативные показатели электролитической плотности
Наверняка многие автолюбители, знакомые с проблемами поддержания работоспособности аккумуляторов, знают цифру 1,27 г/см3. Именно такой считается оптимальная плотность, при которой кислотные аккумуляторы способны максимально реализовывать свои возможности.
Но это значение справедливо не для всех типов аккумуляторов и их рабочих назначений. К тому же оптимальная плотность меняется для разных температур, при которых приходится работать батарее. Поэтому оптимальные значения зимой и летом будут несколько отличаться.
Назначение свинцово-кислотных аккумуляторов
- Стартерные АКБ предназначены для выдачи максимально возможного тока при запуске различных двигателей. Это, в первую очередь, автомобильные АКБ. Нормативное значение плотности для них 1,26 – 1,28 г/см3.
- Тяговые АКБ должны обеспечивать работу электродвигателей постоянным током в течение длительного времени. Одно из их применений – электрокары и другие движущие средства на электрической тяге. Наилучшее значение плотности электролита для этих АКБ тоже находится в пределах 1,26 – 1,28 г/см3.
- Стационарные АКБ применяют для питания любых электрических схем и приборов. Обычно находятся на одном месте в помещении. Для них рекомендована пониженное значение 1,22 – 1,24 г/см3.
Зависимость от температуры работы
Изменяется окружающая температура – изменяются и значения плотности водно-кислотного раствора. При возрастании температуры способность аккумуляторной батареи накапливать заряд увеличивается примерно на 1% с каждым градусом. С понижением температуры, естественно, эта способность уменьшается. Поэтому рекомендуется в холодную погоду держать АКБ при повышенных плотностных значениях, а для жаркой погоды – снижать эти показатели.
Работоспособность АКБ при различных температурах в зависимости от плотности
Конечно, никто не будет заниматься изменением при каждом скачке погоды. Просто перед наступлением холодов полезно немного увеличить аккумуляторную плотность, а перед летним сезоном – понизить ее. Кроме того, существуют нормы оптимальной плотности для районов с различным климатом. Этих нормативных значений полагается придерживаться круглый год, за редкими исключениями. Для разных регионов считается нормальной:
- В холодном климате 1,27 – 1,30 г/см3
- В средней полосе 1,25 – 1,28 г/см3
- В теплых районах 1,22 – 1,25 г/см3
Более подробно эти нормативы указаны в таблице.
Нормативные значения плотности электролита АКБ для различных температурных условий
Как проверить плотность электролита в кислотном аккумуляторе
Для проверки этой характеристики выпускаются простые измерители, называемые автомобильными ареометрами или денсиметрами. Их работа основана применении закона Архимеда, то есть способности груза погружаться на разную глубину в зависимости от плотности жидкости. Конструктивно ареометр содержит:
- Стеклянную или пластиковую колбу.
- Стеклянный поплавок с грузом и нанесенными на нем делениями, соответствующими измеряемым значениям.
- С одной стороны колбы одевается резиновая груша, предназначенная для засасывания электролита внутрь колбы.
- С противоположной стороны – резиновый носик, через который происходит забор жидкости из заливного отверстия АКБ.
Измеряемое значение определяется по той черте на поплавке, до которой доходит жидкость, набранная в ареометр.
Автомобильный ареометр с одним поплавком
Существуют более простые ареометры, в которых в колбе находятся несколько грузиков-палочек с разным весом у каждой. На каждом грузике (или на самой колбе напротив него) нанесено соответствующее значение плотности. Результат измерения определяется по максимальному значению всплывших грузиков. Такой ареометр более дешевый, но не обладает достаточной точностью.
Автомобильный ареометр с несколькими поплавками
Само измерение ареометром проводится так:
- Носик ареометра опускается в аккумулятор через заливное отверстие. Есть приборы не с резиновым, а с пластиковым носиком. В этом случае нужно погружать его в электролит осторожно, чтобы не повредить свинцовые пластины.
- С помощью груши в колбу набирается электролит. Для ареометров с одним поплавком нужно контролировать количество набираемой жидкости. Ее должно быть столько, чтобы поплавок свободно плавал внутри колбы. Но нельзя набирать и много жидкости. Тогда поплавок может упереться в верхний край колбы. Показания ареометра в этом случае будут недостоверны.
- После забора жидкости смотрим – напротив какой риски на поплавке находится ее уровень. Цифры рядом с риской покажут значение плотности.
Для ареометров с несколькими поплавками значение плотности определяется по всплывшим поплавочкам. Плавающий грузик с максимальным числом на нем как раз и показывает результат измерения.
Получение показаний с помощью ареометра
Для аккумуляторных батарей из нескольких элементов проверка проводится отдельно в каждой банке.
Обычная цена деления в аккумуляторных ареометрах составляет 0,01 г/см3. Но выпускаются ареометры и с более точной шкалой.
После окончания измерений необходимо тщательно промыть ареометр дистиллированной водой.
Условия, при которых следует проводить измерения
Прежде чем начать замеры концентрированности электролита, необходимо придерживаться несложных правил. А в некоторых случаях придется корректировать показания ареометра в зависимости от условий, при которых они были получены.
Самым необходимым условием является поддержание требуемого уровня жидкости в самой АКБ. Плотность будет замерена правильно, но для безопасной работы батареи необходимо будет довести уровень до нормы. А это приведет к изменению плотности.
Степень заряженности АКБ
Плотность электролита меняется при заряде/разряде аккумулятора. При разряде она уменьшается, при заряде – увеличивается. В зависимости от степени разряда аккумуляторной батареи значения меняются следующим образом.
Зависимость показаний ареометра от степени заряда батареи
Вряд ли можно точно определить уровень разряда. Поэтому сначала необходимо полностью зарядить аккумулятор, подождать несколько часов, и только потом проводить измерения.
Если с водно-кислотным раствором проводились какие-либо действия – долив дистиллированной воды или самой кислоты, то не стоит замерять плотность сразу после них. Необходимо подождать, пока долитая жидкость полностью перемешается в аккумуляторе.
Температура при проведении измерений
Калибровка стандартных ареометров ориентируется на температуру +25 °С. Для получения наиболее точных показаний замеры плотности электролита нужно проводить при такой же температуре. Зимой тестируемую АКБ надо занести в теплое место и дать ей прогреться до нужной температуры. Но не стоит проводить измерения буквально в домашних условиях. Раствор кислоты может случайно испортить мебель или одежду. Лучше воспользоваться отапливаемым помещением, приспособленным для таких работ.
Если же нет возможности проводить измерения при рекомендованной температуре в 20 – 25 °С, то можно сделать замеры при любой температуре, а затем воспользоваться корректировочной таблицей:
Корректировочные значения для измерений при разных температурах
Регулярные проверки плотности электролита в аккумуляторе позволят не только поддерживать его в оптимальных условиях для работы, но и своевременно выявить возможные проблемы и неисправности.
Зарядка аккумулятора, приготовление электролита, его плотность
Аккумулятор автомобиля необходимо периодически осматривать, содержать в чистоте и в заряженном состоянии. Наличие окислов или грязи на клеммах аккумулятора значительно ухудшает пуск двигателя стартером из-за значительного падения напряжения в соединениях. Полноценная зарядка аккумулятора должна производится по мере необходимости или периодически, особенно при постоянной эксплуатации автомобиля в районах с холодным климатом.
Необходимость полноценной зарядки аккумулятора.
Если аккумулятор часто и длительное время находится в разряженном или даже полуразряженном состоянии, то возникает сульфатация — покрытие пластин крупнокристаллическим сернокислым свинцом. Это приводит к снижению емкости аккумулятора и увеличению его внутреннего сопротивления.
Длительное пребывание в разряженном состоянии — одна из причин отказа аккумуляторное батареи. Большой вред аккумулятору также приносят длительные пуски двигателя стартером, особенно в холодное время, когда стартер потребляет большой ток, который может вызвать коробление пластин и выпадание из них активной массы.
В районах с холодным климатом, при переходе с зимней эксплуатации на летнюю и наоборот, обязательно необходимо проверять плотность электролита в аккумуляторе. Если батарея во время работы по каким-либо причинам разрядилась свыше допустимого предела, ее следует снять с автомобиля и зарядить. Полностью разряженную аккумуляторную батарею необходимо ставить на зарядку не позднее чем через 24 часа после разрядки.
Уровень электролита в аккумуляторе.
Уровень электролита должен быть на 10-15 мм выше пластин. Измеряется он стеклянной трубкой с внутренним диаметром 3-5 мм, имеющей соответствующую метку. Чтобы измерить уровень электролита в аккумуляторе, надо опустить трубку, держа ее вертикально, в наливную горловину крышки до упора в предохранительную сетку, закрыть ее сверху большим пальцем и затем вынуть. Высота столбика электролита в трубке будет соответствовать высоте уровня электролита над предохранительной сеткой.
При необходимости нужно долить в аккумулятор дистиллированной воды до уровня, отмеченного знаками MAX и MIN на прозрачном моноблоке, а если моноблок не прозрачен, то в наливных отверстиях имеется пластина, до начала которой необходимо доливать дистиллированную воду. Применять водопроводную воду категорически запрещается, так как в ней имеются примеси железа, хлора и тому подобное, разрушающие батарею.
Плотность электролита в аккумуляторе.
Плотность электролита зависит от степени зарядки аккумулятора. Измеряется она специальным прибором — ареометром. Чтобы измерить плотность электролита после доливки в него воды или после пуска двигателя стартером, предварительно надо батарею зарядить током 2-3 А в течение 20-30 мин или дать ей постоять 1-2 часа без зарядки для того, чтобы выровнялась плотность электролита.
Плотность электролита в аккумуляторе для различных климатических районов.
Плотность электролита при температуре 15 градусов в зависимости от степени разрядки батареи, г/см3.
Если температура электролита выше или ниже 15 градусов, следует вводить соответствующую поправку, то есть приводить плотность электролита к 15 градусам. При повышении температуры на каждые 15 градусов плотность электролита уменьшается приблизительно на 0.01 г/см3, а при понижении температуры на каждые 15 градусов плотность увеличивается на 0.01 г/см3.
Температурные поправки к показаниям ареометра.
Таким образом, при температуре электролита в элементах аккумулятора выше 15 градусов, поправку следует прибавить к показаниям ареометра, а при температуре электролита ниже 15 градусов – вычесть. Если плотность электролита в банках аккумулятора неодинакова и разница получается более 0.01 г/см3, то ее следует выровнять, доливая электролит плотностью 1.40 г/см3 или дистиллированную воду.
Доливать электролит плотностью 1,40 г/см3 можно только в том случае, когда батарея плотностью заряжена, то есть когда плотность электролита достигла постоянства и благодаря «кипению» обеспечивается быстрое и надежное перемешивание электролита.
Степень разряда аккумулятора по плотности электролита.
Перед проверкой плотности, если производилась доливка, нужно запустить двигатель и дать ему поработать, чтобы при подзарядке аккумулятора электролит перемешался. При определении степени разрядки батареи следует вносить соответствующие поправки на температуру. Если при проверке окажется, что батарея разряжена более чем на 50% летом и 25% зимой, ее следует поставить на зарядку.
Зарядка аккумулятора.
Современные стационарные устройства для зарядки аккумуляторной батареи автомобиля особого внимания не требуют и работают в автоматическом режиме. Все, что требуется от владельца автомобиля, это правильно подключить батарею и дождаться, пока устройство не просигнализирует об окончании зарядки.
Не стоит надеяться нормально зарядить аккумулятор штатным генератором автомобиля. Тем более это не удастся сделать в условиях движения в городе. К тому же будет сказываться и большое количество включенных потребителей тока : климатическая и аудиосистема, обогрев стекол, зеркал, сидений, включенные фары и тому подобное. Энергии вырабатываемой штатным генератором в таких условиях хватает для питания всех этих устройств, но для нормального заряда аккумулятора вряд ли.
Приготовление электролита, рецепт электролита.
Для приготовления электролита применяется стойкая к действию серной кислоты посуда (керамическая, эбонитовая, свинцовая), в которую заливается сначала вода, а затем при непрерывном перемешивании кислота. Обратный порядок заливки кислоты не допускается, это может привести к химическому ожогу. Для получения одного литра электролита соответствующей плотности, надо руководствоваться следующими данными.
Заправка электролитом сухих аккумуляторных батарей.
Температура электролита заливаемого в новый, не залитые электролитом аккумулятор, должна быть 15-25 градусов. Приготовленный электролит заливают до уровня на 10-15 мм выше сепараторов или по меткам на прозрачном корпусе. Допускается установка на автомобиль аккумуляторной батареи без подзаряда при условии, что плотность электролита после выдержки 3 часа с момента заливки понизилась не более чем на 0.04 г/см3.
Зарядка нового аккумулятора, с только что залитым электролитом.
Первоначальная зарядка нового аккумулятора производится после его выдержки с электролитом в течении 3 часов. Положительную клемму аккумуляторной батареи присоединяют к положительному полюсу источника постоянного тока, а отрицательную — к отрицательному. Величина тока заряда должна составлять 10% от величины емкости аккумулятора.
В случае необходимости допускается ускоренная зарядка аккумулятора двухступенчатым режимом. Вначале применяется ток в 1.5 раза больше 10% по величине. Зарядка аккумулятора ведется до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет 14.4 Вольт. Далее ток снижают до 10%. Батарею включают на зарядку, если температура электролита в элементах не выше 30 градусов.
Зарядка аккумулятора должна происходить до тех пор, пока не наступит обильное газовыделение – кипение во всех элементах аккумулятора, а напряжение и плотность электролита останутся постоянными в течение 3 часов подряд, что служит признаком конца зарядки. Во время зарядки периодически проверяют температуру электролита и следят, чтобы она не поднималась выше 45 градусов. В противном случае ток зарядки уменьшают наполовину или прерывают заряд на время, необходимое для снижения температуры до 30 градусов.
Продолжительность первой зарядки может колебаться от 5 до 8 часов. При этом плотность электролита может несколько повыситься в конце зарядки. Если конечная плотность электролита отличается от нормы, производят доводку путем доливки дистиллированной воды в случаях, когда плотность выше, и доливки электролита плотностью 1.40 г/см3, когда она ниже нормы.
Перед доливкой воды или электролита плотностью 1.40 г/см3 часть электролита из аккумулятора отбирают с помощью резиновой груши. Промежуток между доливками воды или электролита должен быть не менее 30-40 минут. Плотность электролита доводят обязательно в конце зарядки, когда она достигает постоянной величины и когда благодаря «кипению» обеспечивается быстрое и полное перемешивание электролита.
Похожие статьи:
- Причины неполного заряда, недозаряд автомобильного аккумулятора, их устранение, измерение величины тока утечки аккумулятора при неработающем двигателе.
- Характеристики разряда автомобильных аккумуляторных батарей в различных режимах, методика определения стартерных характеристик по МЭК, IEC, DIN, ГОСТ, SAE, EN, испытание током холодной прокрутки.
- Приведение сухозаряженных батарей в рабочее состояние, приготовление и заливка электролита, срочный ввод в эксплуатацию сухозаряженных батарей.
- Когда делать капитальный ремонт двигателя, признаки естественного износа двигателя, методы капитального ремонта классических двигателей внутреннего сгорания.
- Проверка свечей зажигания, регулировка зазоров между электродами, восстановление работоспособности свечей, извлечение обломавшейся свечи, восстановление резьбы.
- Антикоррозионная обработка внутренних полостей, кузова и днища УАЗ, герметизация кузова УАЗ.
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 важен 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, является репрезентативной 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 аккумуляторной технологии. При низкой C -скорости емкость максимальна и постоянна. При C -скорости 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 переходы при заряде (соответственно, при разряде). Как отмечают авторы, типичным примером такого материала является LiFePO -4- с двухфазным механизмом.
Здесь, во-первых, для сокращения времени, требуемого для проверки мощности батареи в зависимости от всех параметров, была использована процедура циклирования, аналогичная той, что описана 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 (SPE) 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 низкой плотности тока ( Дж 0 ) одинаковых по заряду и разряду так, 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 постоянного заряда 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 шаге площадь заряда ( Q n ) рассчитывалась 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 от 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 аккумулятора при постоянной плотности тока Дж N .
Для обеих процедур циклирования емкость, рассчитанная для каждой репликации 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 ) ) 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, включающая сопротивления ячеек ( R c , R el , R int ), индуктивность кабеля ( L 90 при 90) элемент постоянной фазы для интерфейса ( CPE int ) и короткий элемент Варбурга ( W d ) для диффузионной петли на низких частотах позволяют моделировать 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 EL связаны с катионным количеством переноса ( T + ), а τ R связаны с коэффициентом диффузии AmbiPipolar ( D AMB ) и Толщина ТПС 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 как функцию 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 разрядного тока. 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 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 циклов, потенциал E в зависимости от доли δ Li, введенного в Li δ FePO 4 , в обычном тесте 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) разрядные емкости были извлечены с использованием уравнений (1) и (2) соответственно. Затем каждое значение Q n было нормализовано по пропускной способности 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 для низких значений J n ниже 0,3 мА·см −2 , Q n остается близким к Q 0 на 3%. Для обеих процедур и для высоких значений Дж n , превышающих 0,3 мА·см −2 , отношение Q n / Q 0 2 Дж Дж быстро падает линейно. n до значений ниже 0.2 когда Дж 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. Более того, точка данных, зарегистрированная при максимальном значении Дж 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 — и ). 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) с x значениями 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 0 d 900 уже подробно описана на рисунке 2. .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 10. 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 отношение Q n / Q 0 как функция J n для LMP ( x x — -36) и LMP5 ) 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 —), LMP ) и LMP(60- и ).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) аккумуляторы 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 0 n 9009 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 Дж 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 метода управляемого тока (Sand, 1901; Rosso et al., 2006). По определению, для плотности тока выше Дж lim время Санда (τ с ) 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 количество 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 + число катионного 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 с 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 помощью 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 сопоставления 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 .с −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 Дж > Дж 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
2 против