Аккумулятор плотность электролита: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Содержание

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.

  1. Снимите АКБ с автомобиля.
  2. Снимите защиту аккумулятора, открутите пробки с банок.
  3. С помощью клизмы выкачайте старый электролит из аккумулятора через отверстие одной из банок.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.

Обязательно обратите внимание на ЦВЕТ электролита! Он должен быть прозрачный, чистый, без какого-либо оттенка и мусора.

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 −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

26

9J 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 ограничивающее явление, рассматриваемое здесь, одинаково 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, чтобы лучше понять распределение 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 Дж lim / Дж n для (❡1MP), 8(❡1MP) ) батареи LMP(33–36), (∇) LMP(48–36) и (△) LMP(60–54).

На рис. 5 представлены средние значения Дж lim для различных батарей LMP ( x y ) в зависимости от толщины положительного электрода x . Для заданной толщины положительного электрода Дж 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, поскольку y увеличивается до значения плато для самых высоких зарегистрированных толщин ТФЭ 216 мкм. Таким образом, наилучшие энергетические характеристики ожидаются от батареи, содержащей тонкий положительный электрод и тонкий слой ТФЭ. Однако, глядя на взаимодействие между значениями x и y , можно собрать батарею с более высокой удельной энергией без значительного ухудшения характеристик мощности.Действительно, J lim является показателем начала снижения емкости батареи от ее номинального значения, т. е. Q 0 . На рисунке 5 батарея LMP(60-18) показывает значение Дж 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 путем 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 рисунке 6, которая приводит к следующему уравнению:

Jlim=K(α·x+y)    (8)

с K = 13,2 мА·см −1 по методу 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 -8 см 2 -1 на основе параметра K . 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. Методология J lim менее точна, чем методика песочного времени, но ее гораздо 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, быстрый тест 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 Панди, 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 и приложения электрохимических методов, 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/ma3h

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дерффель, Д., и Шарк, 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. Дж. Заявл. 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. Дж. Заявл. 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 диффузии и измерений 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 литий-ионных аккумуляторов высокой энергии. 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. наук. Респ. 6:32639. дои: 10.1038/srep32639

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Kim, J.G., Son, B., Mukherjee, S., Schuppert, N., Bates, A., Kwon, O., et al. (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. наук. 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. дои: 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

Tian, ​​R., Park, S.-H., King, P.J., Cunningham, G., Coelho, J., Nicolosi, V., et al. (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. Фронт. 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. Фронт. 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. 9:11. doi: 10.1002/aenm.2011

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

Помимо концентрированного электролита: дальнейшее истощение молекул растворителя в сольватной оболочке Li+ для стабилизации литий-металлических аккумуляторов с высокой плотностью энергии

Пагубное разложение электролитов, в частности дегидрирование растворителей, может ускорить разрушение аккумуляторов и затруднить разработку литий-металлических аккумуляторов (LMB) с высокой плотностью энергии.Целью создания классических концентрированных электролитов является уменьшение доли растворителей, чтобы можно было подавить паразитные реакции, связанные с растворителями. Однако, сопровождаясь восстановлением растворителей, процессы концентрирования электролита достигли бы своего предела при достижении насыщенных состояний. Здесь, помимо концентрированных электролитов (состояние, определяемое растворителем), электролит с более агрегативной конфигурацией был получен после дальнейшего истощения молекул растворителя в сольватной оболочке Li + .Приготовленный электролит продемонстрировал значительно расширенное окно электрохимической стабильности (увеличено с 4,5 В до 5,4 В по сравнению с Li/Li + ), повышенную стабильность по отношению к катоду NCM-811 с ​​высоким содержанием никеля и тонкой прослойке электролита катода (CEI). фильмы. Собран с высоковольтными катодами (NCM-811 и LiCoMnO класса 5,0 В 4 (LCMO)) и ограниченным избытком металлического лития, полными элементами LMB с высокой плотностью энергии (более 630 Вт·ч кг −1 ) со сверхстабильными циклическими характеристиками.Мы ожидаем, что эта стратегия разработки электролитов расширит семейство электролитов и устранит присущие обычным электролитам дефекты для LMB с высокой плотностью энергии.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?

Ученые открыли новый электролит для твердотельных литий-ионных аккумуляторов

В поисках идеального аккумулятора ученые преследуют две основные цели: создать устройство, способное хранить большое количество энергии и делать это безопасно.Многие батареи содержат жидкие электролиты, которые потенциально легко воспламеняются.

В результате твердотельные литий-ионные батареи, состоящие из полностью твердых компонентов, становятся все более привлекательными для ученых, поскольку они предлагают заманчивое сочетание более высокой безопасности и повышенной плотности энергии — именно столько энергии батарея может хранить в течение заданный объем.

Исследователи из Университета Ватерлоо, Канада, которые являются членами Объединенного центра исследований в области хранения энергии (JCESR) со штаб-квартирой в Университете США.В Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) был открыт новый твердый электролит, обладающий рядом важных преимуществ.

Этот электролит, состоящий из лития, скандия, индия и хлора, хорошо проводит ионы лития, но плохо проводит электроны. Эта комбинация необходима для создания полностью твердотельной батареи, которая работает без существенной потери емкости в течение более ста циклов при высоком напряжении (выше 4 вольт) и тысяч циклов при промежуточном напряжении.Хлоридная природа электролита является ключом к его стабильности при рабочих условиях выше 4 вольт, что означает, что он подходит для типичных катодных материалов, которые составляют основу современных литий-ионных элементов.

«Главная привлекательность твердотельного электролита заключается в том, что он не может загореться и позволяет эффективно размещать его в аккумуляторной ячейке; мы были рады продемонстрировать стабильную работу при высоком напряжении», — сказала Линда Назар, заслуженный профессор химии Университета Ватерлоо и давний член JCESR.

Текущие версии твердотельных электролитов в значительной степени сосредоточены на сульфидах, которые окисляются и разлагаются при напряжении выше 2,5 вольт. Следовательно, они требуют включения изолирующего покрытия вокруг материала катода, которое работает при напряжении выше 4 вольт, что ухудшает способность электронов и ионов лития перемещаться из электролита в катод.

«С сульфидными электролитами у вас есть своего рода головоломка — вы хотите изолировать электролит от катода электронным способом, чтобы он не окислялся, но вам все еще требуется электронная проводимость в материале катода», — сказал Назар.

Хотя группа Назара не была первой, кто изобрел хлоридный электролит, решение заменить половину индия на скандий, основанное на их предыдущей работе, оказалось выигрышным с точки зрения более низкой электронной и более высокой ионной проводимости. «Хлоридные электролиты становятся все более привлекательными, потому что они окисляются только при высоких напряжениях, а некоторые из них химически совместимы с лучшими катодами, которые у нас есть», — сказал Назар. «Недавно сообщалось о нескольких из них, но мы разработали один с явными преимуществами.

Одним из химических ключей к ионной проводимости является пересекающаяся трехмерная структура материала, называемая шпинелью. Исследователи должны были сбалансировать два конкурирующих желания — загрузить шпинель как можно большим количеством ионов, несущих заряд, но также оставить участки открытыми для движения ионов. «Вы можете думать об этом, как о попытке устроить танец — вы хотите, чтобы люди пришли, но вы не хотите, чтобы было слишком много людей», — сказал Назар.

По словам Назар, идеальной ситуацией было бы, если бы половина мест в структуре шпинели была занята литием, а другая половина оставалась бы открытой, но она объяснила, что создать такую ​​ситуацию сложно.

В дополнение к хорошей ионной проводимости лития, Назар и ее коллеги должны были убедиться, что электроны не могут легко перемещаться через электролит, чтобы вызвать его разложение при высоком напряжении. «Представьте себе игру в классики», — сказала она. «Даже если вы просто пытаетесь перепрыгнуть с первого квадрата на второй, если вы можете создать стену, которая затрудняет перепрыгивание электронов, в нашем случае, это еще одно преимущество этого твердого электролита. ».

Назар сказал, что пока неясно, почему электронная проводимость ниже, чем у многих хлоридных электролитов, о которых сообщалось ранее, но это помогает установить чистую поверхность раздела между материалом катода и твердым электролитом, факт, который в значительной степени отвечает за стабильную работу даже при высоких температурах. количества активного вещества на катоде.

В онлайн-издании Nature Energy от 3 января появилась статья, основанная на исследовании «Высокая емкость, длительный срок службы 4-вольтовых керамических полностью твердотельных литий-ионных аккумуляторов на основе хлоридных твердых электролитов».

Другие авторы документа включают аспиранта Назара, Лайдонга Чжоу, члена JCESR, который отвечал за большую часть работы, а также Се Ён Ким, Чун Юэн Квок и Абдельджалил Ассуд, все из Университета Ватерлоо. Среди других авторов были Тонг-Тонг Зуо и профессор Юрген Янек из Университета Юстуса Либиха, Германия, и Цян Чжан из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики.

Исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики, Управлением фундаментальных энергетических наук при некоторой поддержке Канадского национального совета по науке и инженерным исследованиям.

Аккумуляторный электролит следующего поколения, изготовленный из дерева, обеспечивает рекордную проводимость

В современных литиевых батареях обычно используется жидкий электролит для переноса ионов между двумя электродами, но ученые, рассматривающие твердые альтернативы, видят в будущем некоторые захватывающие возможности. Среди них авторы нового исследования, которые использовали целлюлозу, полученную из древесины, в качестве основы для одного из этих твердых электролитов, который имеет толщину бумаги и может изгибаться и изгибаться, чтобы поглощать нагрузку во время цикла работы батареи.

Одним из недостатков электролитов, используемых в современных литиевых батареях, является то, что они содержат летучие жидкости, которые несут риск возгорания в случае короткого замыкания устройства и могут способствовать образованию щупальцеобразных наростов, называемых дендритами, которые снижают производительность. Между тем, твердые электролиты могут быть изготовлены из негорючих материалов, что делает устройство менее склонным к образованию дендритов и может открыть совершенно новые возможности в архитектуре батареи.

Одна из этих возможностей связана с анодом, одним из двух электродов, который в современных батареях сделан из смеси графита и меди.Некоторые ученые рассматривают твердые электролиты как ключевой шаг к тому, чтобы заставить батареи работать с анодом, изготовленным из чистого металлического лития, что может помочь преодолеть узкое место в плотности энергии и позволить электромобилям и самолетам путешествовать намного дальше без подзарядки.

Многие твердые электролиты, разработанные до сих пор, были сделаны из керамических материалов, которые очень эффективно проводят ионы, но не так хорошо противостоят нагрузкам во время зарядки и разрядки из-за своей хрупкой природы.Ученые из Университета Брауна и Университета Мэриленда искали альтернативу этому и использовали в качестве отправной точки нанофибриллы целлюлозы, обнаруженные в древесине.

Эти полимерные трубки из древесины были объединены с медью для образования твердого ионного проводника с проводимостью, аналогичной керамике, и в 10-100 раз лучше, чем у других полимерных ионных проводников. По словам команды, это связано с тем, что добавление меди создает пространство между цепями полимера целлюлозы для образования «ионных супермагистралей», позволяя ионам лития путешествовать с рекордной эффективностью.

«Включив медь в одномерные нанофибриллы целлюлозы, мы продемонстрировали, что целлюлоза, обычно изолирующая ионы, обеспечивает более быстрый транспорт ионов лития в полимерных цепях», — сказал автор исследования Лянбинг Ху. «Фактически мы обнаружили, что этот ионный проводник достиг рекордно высокой ионной проводимости среди всех твердых полимерных электролитов».

А поскольку материал тонкий и гибкий, как бумага, ученые считают, что он лучше переносит нагрузки, возникающие при циклировании батареи.Они также говорят, что он обладает электрохимической стабильностью, необходимой для размещения литий-металлического анода и высоковольтных катодов, или может выступать в качестве связующего материала, покрывающего сверхтолстые катоды в батареях высокой плотности.

«Ионы лития перемещаются в этом органическом твердом электролите с помощью механизмов, которые мы обычно обнаруживаем в неорганической керамике, обеспечивая рекордно высокую ионную проводимость», — говорит автор исследования Юэ Ци. «Использование материалов, предоставленных природой, уменьшит общее воздействие производства аккумуляторов на окружающую среду.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

Источник: Университет Брауна

Новый аккумуляторный электролит, разработанный в Стэнфорде, может повысить производительность электромобилей

22 июня 2020 г.

Исследователи из Стэнфорда разработали новый электролит для литий-металлических аккумуляторов, который может увеличить запас хода электромобилей.Посмотрите видео здесь.

Марк Шварц

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

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

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

«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 аккумуляторы очень перспективны для электромобилей, где вес и объем имеют большое значение», — сказал соавтор исследования Женан Бао, представитель 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 экзотичными, — 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 потрясающими.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.

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.

Улучшая аноды, электролиты и другие компоненты, Battery500 стремится почти втрое увеличить количество электроэнергии, которую 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».

В дополнение к более длительному сроку службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее горюч, чем обычные электролиты, как продемонстрировали исследователи в этом 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 for Energy . Цуй также является главным исследователем в Стэнфордском институте материаловедения и энергетики , совместной исследовательской программы SLAC/Стэнфорд.

Эта работа также была поддержана Программой исследования материалов для аккумуляторов Управления автомобильных технологий Министерства энергетики США. Оборудование, используемое в Стэнфорде, поддерживается Национальным научным фондом.

Чтобы прочитать все новости о науке Стэнфорда, подпишитесь на выходящий раз в две недели Стэнфордский научный дайджест.

-30-

Оптимизация производительности и качества электролита батареи с помощью настольного ЯМР — магнитно-резонансный анализ

В этом интервью мы поговорим с доктором Джеймсом Сагаром, нашим менеджером по стратегическим продуктам и приложениям, о том, как можно использовать настольный ЯМР для оптимизации производительности и качества электролита батареи.

Не могли бы вы рассказать нам об услугах, которые Oxford Instruments предоставляет производителям аккумуляторов?

Компания Oxford Instruments уделяет большое внимание аккумуляторным батареям.Аккумуляторы, которые мы поставляем для аккумуляторной промышленности, включают в себя ряд аналитических решений, от контроля качества до производства компонентов и от обработки сырья до первоначальных исследований. Oxford Instruments — ведущий поставщик решений для анализа на основе электронной микроскопии. Наши решения используются нашими клиентами для целого ряда приложений, включая высокотехнологичные исследования в области разработки новых материалов для твердотельных аккумуляторов и оценки качества исходных порошков для аккумуляторов и материалов для аккумуляторных электродов.

Мы используем наноразмерные характеристики поверхности в наших атомно-силовых микроскопах, чтобы наши клиенты могли понять, как характеристики материалов батареи могут влиять на электрохимические процессы. Тем не менее, в центре внимания этого интервью находятся наши спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Они используются при разработке продуктов для токопроводящих жидких электролитов и для контроля качества.

В чем разница между широкополосной настольной системой ЯМР и традиционной установкой ЯМР?

При мысли о ЯМР часто вспоминается большой цилиндр в специализированном помещении, требующий опытно обученных операторов и использование жидких криогенов.Мы сократили эту технологию до инструмента, который можно разместить на столе в типичной лаборатории с настольным ЯМР, хотя он имеет уменьшенную напряженность магнитного поля. Теперь мы можем эффективно проводить большинство тех же экспериментов, для которых когда-то требовалась традиционная система сильнопольного ЯМР, благодаря этим недорогим и компактным системам.

При разработке батарей следующего поколения широкополосный настольный ЯМР является невероятно мощным методом. Всего один прибор необходим для анализа широкого спектра интересующих элементов в аккумуляторных электролитах благодаря широкополосности.

Это новая технология, которую можно использовать для прогнозирования характеристик электролита в конечных аккумуляторных системах и для разработки новых составов.

Какие характеристики прибора и другие факторы влияют на выбор настольной системы ЯМР?

Одна из наших настольных ЯМР-систем должна работать без жидких криогенов в любой стандартной лаборатории при комнатной температуре. Высококвалифицированный, опытный или преданный своему делу оператор не требуется.Это позволяет пользователям вмешиваться и получать данные по мере необходимости. Наконец, размеры машины должны позволять размещать ее в инертном перчаточном ящике, чтобы можно было охарактеризовать чувствительные к воздуху материалы батареи, перевозить ее на тележке или устанавливать на верстаке.

Все представляющие интерес пики в ваших спектрах должны различаться по спектральному разрешению прибора. Для обнаружения ключевых видов в ваших материалах необходима достаточная чувствительность. Для многократного проведения точных измерений также необходима стабильность.Настоящая «широкополосная» система необходима, чтобы иметь возможность анализировать все соответствующие химические ядра в рецептуре для определения характеристик электролита. Это выгодно для обеспечения наилучшего понимания материалов.

В некоторых продвинутых экспериментах важно иметь возможность использовать градиенты импульсного поля. Использование этих градиентов позволяет количественно определить перенос (как переносящие ток ионы мигрируют в зависимости от их заряда), ионную проводимость и коэффициенты диффузии.Наконец, также может быть важно иметь возможность использовать переменный контроль температуры для исследования электролитов в обычных рабочих диапазонах батарей.

Как настольный ЯМР-спектрометр X-Pulse помогает удовлетворить эти потребности?

Наш новейший настольный ЯМР-спектрометр X-Pulse. Он может разрешать сложные спектры протонов при напряженности поля 60 МГц благодаря спектральному разрешению выше 0,35 Гц на половине высоты пика.

X-Pulse уникален тем, что это единственный настольный ЯМР-прибор со встроенной возможностью широкополосного многоядерного анализа.Эта возможность позволяет пользователям собирать спектры широкого спектра ядер, присутствующих в электролитах, включая углерод, водород, натрий, бор, фосфор, фтор и литий. Температуру образца можно поддерживать в типичных рабочих условиях для большинства батарей, которая составляет от 20°C до 60°C.

Спектры ЯМР 1H, 19F, 31P и 7Li, собранные на одном приборе, показывают все компоненты типичного состава электролита батареи.

Стандартные градиенты импульсного поля позволяют понять ключевые физические свойства путем измерения самодиффузии катионов и анионов.X-Pulse потенциально может быть встроен в перчаточный ящик, транспортирован на тележке или установлен в любой лаборатории из-за его физических размеров. Требуемая точная воспроизводимость данных, особенно при контроле качества, обеспечивается благодаря высокой стабильности, обеспечиваемой магнитом.

Как настольный ЯМР используется для анализа электролитов аккумуляторов?

Компоненты литий-ионного аккумулятора

Большинство аккумуляторов содержат катод и анод с электролитами и встроенным пористым сепаратором между ними.Электролит внутри батареи будет содержать литиевую соль; наиболее распространенными солями лития являются TFSI лития ((бис(трифторметансульфонил)имид)), тетрафторборат лития и гексафторфосфат лития.

Соль растворяется в органическом растворителе – например, в диметилкарбонате и этиленкарбонате. Иногда они могут включать добавки, используемые для улучшения характеристик этого электролита.

Целью этих добавок является улучшение формирования поверхностного слоя твердого электролита на электродах или повышение стабильности для предотвращения разложения.Создаваемый при этом пассивирующий слой может привести к потере емкости батареи, но защищает электроды, сохраняя при этом возможность передачи тока.

При рассмотрении того, как выглядит хорошая батарея, мы часто разбиваем ее на пять ключевых аспектов:

  • Количество циклов зарядки, в течение которых батарея будет удерживать заряд, также известное как срок службы плотность)

Мы можем измерить концентрацию солей в электролитах, чтобы лучше понять плотность энергии и разработать рецептуры с более высокой удельной мощностью.Мы можем количественно определить числа переноса этих электролитов и ионную проводимость, определив коэффициенты диффузии различных частиц в электролитах. На плотность энергии и мощность элемента, а также на срок службы батареи влияют вышеуказанные параметры, а также поведение, зависящее от температуры и времени. Проверка чистоты сырья позволяет нам сравнивать электролиты, что позволяет нам быстро получать отзывы о влиянии новых составов на разработку более стабильных электролитов и новых добавок.Чтобы конкретно определить срок службы, мы можем отслеживать реакции распада электролитов, чтобы лучше понять их процессы.

Следовые количества воды можно использовать, например, для ускорения образования нежелательных продуктов разложения на основе фтористоводородной кислоты (HF). Используя эти знания о процессах, мы можем использовать новую информацию для разработки присадок, специально предназначенных для предотвращения разрушения. Быстрый ЯМР-анализ новых составов электролитов может снизить накладные расходы и ускорить разработку, сделав батареи более рентабельными.Кроме того, количество бракованных аккумуляторов значительно снижается, а срок службы аккумуляторов увеличивается благодаря быстрому тестированию, позволяющему количественно оценить качество конечного продукта с электролитом.

Можете ли вы привести практический пример использования настольного ЯМР в контроле качества?

Спектры ЯМР 19F двух разных партий одного и того же состава электролита с разными электрохимическими свойствами. Зеленый спектр ясно показывает, что один образец разложился.

Клиент хотел узнать, может ли настольный ЯМР точно определить состав их растворителей, чтобы помочь улучшить их процессы контроля качества. Он особенно хотел знать, можно ли отличить материалы хорошего качества от материалов низкого качества. Если можно, то следующий вопрос: что является причиной выхода из строя некачественного материала? Образцы заказчика в этом примере можно описать как комбинацию этилметилкарбоната и этиленкарбоната, а также гексафторфосфата лития.Нам предоставили два образца, предположительно имеющих одинаковую химию.

Однако эти два бесцветных жидких электролита показали разные характеристики при помещении в ячейку. Сначала мы взяли быстрый спектр водорода и подошли к этому случаю с большинством ЯМР-спектроскопистов. Мы идентифицировали небольшой пик, который мы связали с виниленкарбонатом (типичным стабилизирующим агентом), а также с этилметилкарбонатом и этиленкарбонатом.

После того, как мы поняли, какие пики связаны с какими растворителями, мы смогли точно измерить вклад обоих растворителей в процентах по массе.Растворители оказались химически идентичными, как только они обнаружили, что между этими спектрами нет разницы. Это указывало на то, что, вероятно, была другая причина проблем с производительностью.

После этого мы попытались понять анион электролита, происходящий из литиевой соли гексафторфосфата. Для этого мы сняли спектр ЯМР фтора. Сразу было видно, что есть разница в спектре. Связь фтора с фосфором в гексафторфосфате вызывала появление дублета в связанном спектре.

На другой частоте мы тоже видели другой дублет. Это было вызвано продуктом разложения, что позволило предположить, что разница в характеристиках была вызвана распадом соли. В результате наших наблюдений мы установили, что расщепление соли лития по общему пути реакции гидролиза, скорее всего, является причиной разницы в производительности. спектакль.

Наш анализ позволил заказчику решить эти проблемы с производительностью электролита, что демонстрирует, насколько полезным может быть настольный ЯМР в приложениях контроля качества.

Насколько распространенной проблемой является разложение при работе с электролитами в батареях и как можно решить эту проблему с помощью настольного ЯМР?

Существует множество различных путей разложения обычных электролитов, таких как газированные растворители, тетраборатные соли и гексафторфосфат лития. настольного ЯМР. Полезно взглянуть на пример пути гидролиза, чтобы лучше понять это.Добавление одной капли воды к типичному коммерческому электролиту гексафторфосфата в диметилкарбонате приводит к реакции гидролиза, которая включает расщепление гексафторфосфата на комбинацию пентафторфосфата и фторида лития, при этом первый расщепляется далее с образованием как фторфосфорной кислоты, так и плавиковой кислоты. . Фосфорная кислота также будет образовываться, если присутствует достаточное количество воды. Мы отслеживаем ход реакции, снимая спектры каждые 30 минут. Реакция довольно резкая и протекает быстро даже при относительно небольшом количестве воды.

Мы можем наблюдать за количеством образующихся продуктов разложения и скоростью реакции на разных стадиях разложения, записывая и сравнивая эту серию спектров. В конечном итоге это позволяет лучше управлять и устранять эти риски.

Как можно использовать ЯМР с градиентом импульсного поля для разработки новых жидких электролитов?

Графики Стейскала-Таннера для 3 различных составов электролита литий-ионных аккумуляторов, позволяющие измерять коэффициенты самодиффузии, проводимость и перенос ключевых компонентов.

Возможно, измеряются только вязкость и ионная проводимость, а также использование этих новых составов электролитов. Рекомендуется измерять количество заряда, переносимого отдельными видами ионов (также известное как число переноса), а также коэффициент диффузии различных видов ионов. Это обеспечивает более точное прогнозирование характеристик электролита при его помещении в ячейку. Мы можем использовать последовательности ЯМР спинового эха с градиентом импульсного поля для записи всех этих параметров, которые отслеживают изменение амплитуды сигнала, пропорциональное коэффициенту самодиффузии молекулы.

Мы возбуждаем образец типичным 90-градусным импульсом, а затем применяем градиентный импульс к этому образцу, чтобы вызвать изменение фазы в образце, чтобы исследовать это. Если бы диффузии не было, применение второго 180-градусного импульса и дополнительного градиентного импульса позволило бы нам увидеть тот же сигнал, что и раньше.

Следует отметить, что мы бы увидели уменьшение интенсивности сигнала в зависимости от коэффициентов молекулярной диффузии и силы этого импульса градиента, а также если бы молекулы в нашем растворе диффундировали в течение времени между этими двумя импульсами градиента.Мы интегрировали пики в наших спектрах после получения серии спектров с разной силой градиента, после чего мы должны увидеть уменьшение сигнала.

Эти данные соответствовали уравнению Стейскала-Таннера, поэтому мы могли рассчитать коэффициент диффузии для конкретных видов в растворе. Мы могли бы измерить коэффициенты диффузии для молекул растворителя, используя водород с помощью широкополосного ЯМР, а также провести измерения для каждого ионного соединения, используя фосфор, бор, фтор или литий.

Затем мы можем рассчитать ионную проводимость переноса катионов и электролита, когда у нас есть эти коэффициенты диффузии. Это очень полезные параметры при разработке новых электролитов. Мы также можем понять, как процесс пробоя влияет на диффузию, используя измерения электролитов на разных стадиях разложения. Это также позволяет нам лучше понять физические свойства электролита.

Наконец, не могли бы вы кратко изложить причины, по которым настольные ЯМР-приборы, такие как X-Pulse, идеально подходят для работы с аккумуляторными материалами?

Настольный ЯМР

идеально подходит для относительно простых спектров, которые мы получаем от материалов батареи, и наоборот.Мы можем за считанные минуты количественно определить концентрацию основных материалов, а также измерить сырье и его качество. Это означает, что мы получаем почти мгновенную обратную связь о новых составах в исследованиях и разработках, гарантируя, что мы понимаем ключевые факторы, влияющие на производительность, и делаем то, что ожидали. Мы можем раскрыть физические свойства электролитов с помощью экспериментов по диффузии. При контроле качества мы можем определить, происходит ли какое-либо разложение или присутствуют какие-либо загрязнения, путем очень быстрых измерений.В конечном счете, благодаря этим экспериментам и исследованиям улучшаются качество, производительность и стоимость конечного продукта.

За дополнительной информацией
О докторе Джеймсе Сагаре

Джеймс Сагар является менеджером по стратегическим продуктам и приложениям в области настольного ЯМР в Oxford Instruments с января 2019 года. обнаружение рентгеновских лучей Li.До этого Джеймс проводил постдокторские исследования в Университетском колледже Лондона.


литий-ионных и свинцово-кислотных аккумуляторов: как они сравниваются?

Если вы рассматриваете вариант домашнего накопителя энергии, есть несколько типов аккумуляторов на выбор. В этой статье мы сравним два наиболее распространенных варианта аккумуляторов в паре с солнечными установками: литий-ионный и свинцово-кислотный.

Узнайте, сколько стоит солнечная батарея + аккумулятор в вашем регионе в 2022 году

Литий-ионные по сравнению собзор свинцово-кислотных аккумуляторов

Аккумуляторы становятся все более популярным дополнением к системам солнечной энергии. Двумя наиболее распространенными химическими типами батарей являются литий-ионные и свинцово-кислотные. Как следует из их названия, литий-ионные батареи сделаны из металлического лития, а свинцово-кислотные батареи сделаны из свинца.

Эти различия в химическом составе приводят к различиям в производительности и стоимости. Несмотря на то, что как литий-ионные, так и свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть эффективными решениями для хранения данных, вот как они складываются при прямом сравнении в ключевых категориях:

Литий-ионный против.свинцово-кислотные аккумуляторы: кто победит?
  Литий-ионный Свинцово-кислотный
Стоимость X
Емкость X
Глубина выброса X
Эффективность X
Срок службы X

В большинстве случаев технология литий-ионных аккумуляторов превосходит свинцово-кислотные благодаря своей надежности и эффективности, а также другим характеристикам.Однако в случае небольших автономных систем хранения, которые не используются регулярно, могут быть предпочтительнее менее дорогие варианты свинцово-кислотных аккумуляторов.

Подробно: чем отличаются литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторы?

Литий-ионные и свинцово-кислотные батареи могут эффективно накапливать энергию, но каждая из них имеет уникальные преимущества и недостатки. Вот несколько важных моментов сравнения, которые следует учитывать при выборе типа батареи:

Стоимость

Единственная категория, в которой свинцово-кислотные батареи явно превосходят литий-ионные, — это их стоимость.Свинцово-кислотная аккумуляторная система может стоить на сотни или тысячи долларов меньше, чем литий-ионная установка аналогичного размера — литий-ионные батареи в настоящее время стоят от 5000 до 15000 долларов, включая установку, и этот диапазон может быть выше или ниже в зависимости от размера. нужная вам система.

Несмотря на то, что свинцово-кислотные аккумуляторы обычно имеют более низкие затраты на покупку и установку по сравнению с литий-ионными вариантами, срок службы литий-ионных аккумуляторов уравновешивает чашу весов. Ниже мы расскажем о других важных характеристиках каждого типа аккумуляторов, которые следует учитывать, и объясним, почему эти факторы способствуют повышению общей ценности систем с литий-ионными аккумуляторами.

Емкость

Tesla Powerwall 2 — одна из самых популярных литий-ионных солнечных батарей

Емкость аккумулятора — это мера того, сколько энергии может быть сохранено (и в конечном итоге разряжено) аккумулятором. Несмотря на то, что показатели емкости варьируются в зависимости от моделей аккумуляторов и производителей, было доказано, что технология литий-ионных аккумуляторов имеет значительно более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные аккумуляторы. Это означает, что в литий-ионной батарее можно хранить больше энергии, используя то же физическое пространство.Поскольку вы можете хранить больше энергии с помощью литий-ионной технологии, вы можете разряжать больше энергии, таким образом питая больше приборов в течение более длительных периодов времени.

Глубина выброса

Глубина разряда батареи — это процент батареи, который можно безопасно разрядить без повреждения батареи. В то время как использование 85 или более процентов от общей емкости литий-ионного аккумулятора за один цикл является нормальным, свинцово-кислотные аккумуляторы не следует разряжать примерно на 50 процентов, так как это негативно влияет на срок службы аккумулятора.Превосходная глубина разряда, возможная с литий-ионной технологией, означает, что литий-ионные батареи имеют даже более высокую эффективную емкость , чем свинцово-кислотные варианты, особенно с учетом более высокой плотности энергии в литий-ионной технологии, упомянутой выше.

Эффективность

Как и эффективность солнечной панели, эффективность батареи является важным показателем, который следует учитывать при сравнении различных вариантов. Большинство литий-ионных аккумуляторов имеют КПД 95% или более, а это означает, что 95% или более энергии, хранящейся в литий-ионном аккумуляторе, фактически могут быть использованы.И наоборот, эффективность свинцово-кислотных аккумуляторов составляет от 80 до 85 процентов. Аккумуляторы с более высоким КПД заряжаются быстрее, и, как и в случае с глубиной разряда, повышенный КПД означает более высокую эффективную емкость аккумулятора.

Срок службы

Батареи

также похожи на солнечные батареи в том, что они со временем изнашиваются и становятся менее эффективными по мере старения. Разрядка аккумулятора для питания вашего дома или электроприборов, а затем его подзарядка солнечной энергией или сетью считается одним «циклом».Цифры варьируются от исследования к исследованию, но литий-ионные батареи обычно работают в несколько раз дольше, чем свинцово-кислотные батареи, что приводит к более длительному сроку службы литий-ионных продуктов.

Когда следует устанавливать свинцово-кислотную батарею, а не литий-ионную?

Если вам нужна система резервного питания от батарей, эффективными вариантами могут быть как свинцово-кислотные, так и литий-ионные батареи. Однако, как правило, правильным решением является установка литий-ионной батареи, учитывая множество преимуществ этой технологии — более длительный срок службы, более высокую эффективность и более высокую плотность энергии.Несмотря на более высокие первоначальные затраты, литий-ионные батареи обычно более ценны, чем свинцово-кислотные варианты.

Одним из случаев, когда свинцово-кислотные батареи могут быть лучшим решением, является сценарий с автономной солнечной установкой, которая не используется очень часто. Например, хранение свинцово-кислотного аккумулятора на лодке или в доме на колесах в качестве резервного источника питания, который используется только раз в месяц или около того, является менее дорогим вариантом, чем литий-ионный, и из-за более низкой интенсивности использования вы избежите многих недостатков свинцово-кислотных технологий, таких как их более короткий срок службы.

Аккумуляторы и солнечная энергия хорошо сочетаются друг с другом – сравните котировки сегодня

При любой крупной покупке, такой как солнечная батарея и батареи (в паре или по отдельности), вы должны рассмотреть свои варианты.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.