Электролит повышенной плотности: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Повышенная плотность — электролит — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Cтраница 1

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

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

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

Интенсивное сульфатирование происходит также при повышенной плотности электролита

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

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

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

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

Сульфатация — образование на поверхности электродов крупных малорастворимых кристаллов сернокислого свинца — происходит при повышенной плотности электролита

, длительном хранении батарей без подзаряда, систематическом недозаряде, наличии контакта электродов с воздухом вследствие пониженного уровня электролита. Батареи с сульфатированными электродами быстро теряют емкость при разряде.  [8]

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

В процесе эксплуатации необходимо следить, чтобы на заряд не отправлялись заряженные аккумуляторы, так как систематические перезаряды последних приводят к быстрому нарастанию плотности электролита за счет разложения воды в результате электролиза. Эксплуатация аккумуляторов с

повышенной плотностью электролита является, как известно, причиной резкого сокращения срока службы аккумуляторов. Поэтому не следует также допускать эксплуатацию аккумуляторов в условиях положительной температуры окружающей среды с электролитом повышенной плотности, предусмотренным для зимних условий эксплуатации.  [10]

Изменение плотности электролига аккумуляторной батареи в зависимости от длительности ее хранения при различной температуре.  [11]

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

Страницы:      1

Пониженная или повышенная плотность электролита

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

Плотность электролита в аккумуляторах батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см3. В противном случае батарею необходимо зарядить и произвести корректирование плотности электролита доливкой в аккумуляторы воды или электролита. Если плотность выше нормы. – доливают воду, если ниже – электролит плотностью 1,4 г/см3. Доливку производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25–30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность. Плотность электролита в аккумуляторах батареи указывает на степень разряженное™ аккумуляторов. Снижение плотности электролита на 0,01 г/см3 соответствует разрядке аккумулятора на 6 %.

Сульфатаиия электродов заключается в образовании крупных трудно растворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата) на поверхности электродов и на стенках пор активного вещества. Кристаллы сульфата забивают поры активного вещества электродов, что препятствует проникновению электролита в глубь активного вещества.

В результате не все активное вещество участвует в работе, что снижает емкость аккумуляторной батареи. Сульфатация электродов ускоряется при длительном хранении аккумуляторной батареи без подзарядки, повышенной плотности электролита, большом разряжении, взаимодействии электродов с воздухом при пониженном уровне электролита. Сульфатированная аккумуляторная батарея из–за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера. При зарядке сульфатированной аккумуляторной батареи быстро повышаются напряжение и температура электролита, и начинается интенсивное газовыделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в сульфате. Сульфатацию электродов определяют методом сравнения ЭДС подсчитанной по плотности электролита с величиной напряжения, измеряемого с помощью вольтметра без нагрузки. Если напряжение больше ЭДС, подсчитанной по плотности, электроды аккумулятора сульфатированы. Сульфатацию устраняют, несколько раз разряжая и заряжая батарею при малой плотности электролита (1,11 – 1,12 г/см3).

При зарядке электрический заряд не должен превышать 5 % номинальной емкости аккумуляторной батареи. Затем проводят контрольную разрядку, равную 10 % номинальной емкости батареи. Силу тока в цепи регулируют реостатом. Когда на зажимах наихудшего аккумулятора напряжение понизится до 1,7 В, разрядку заканчивают. Аккумуляторная батарея считается исправной, если время разрядки не менее 7,5 ч для батареи с электролитом плотностью 1,29 г/см3, 6,5 ч при плотности электролита 1,27 г/см3 и 5,5 ч при плотности электролита 1,25 г/см3.Если время разрядки аккумуляторной батареи меньше указанных величин, то ее подвергают нескольким циклам зарядки – разрядки, контролируя время разрядки. Если при повторных разрядках не увеличивается время разрядки, то такая аккумуляторная батарея требует ремонта. Контрольную разрядку также производят для определения пригодности аккумуляторных батарей к дальнейшей эксплуатации и перед их длительным хранением.

h) Преждевременное разрушение электродов

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

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

Электролиты нового поколения для литий-металлических аккумуляторов с высокой плотностью энергии

Высокая реакционная способность металлического лития снижает содержание электролита на его поверхности, что приводит к ухудшению характеристик литий-металлических аккумуляторов. Чтобы решить эту проблему, ученые разработали функциональные электролиты и добавки к электролитам для формирования поверхностной защитной пленки, которая влияет на безопасность и эффективность литиевых батарей, но это все еще не было эффективным для предотвращения некоторых серьезных побочных реакций. В текущем исследовании исследователи стабилизировали металлический литий и электролит, разработав электролит так, чтобы он обеспечивал повышенный окислительно-восстановительный потенциал металлического лития, тем самым преуспев в термодинамическом ослаблении реакционной активности металлического лития, что может помочь улучшить характеристики батареи. Авторы и права: Лаборатория Ямада и Китада, факультет инженерии химических систем, Токийский университет

Полученные данные позволяют значительно повысить плотность энергии литиевых батарей.

Группа исследователей обнаружила новый механизм стабилизации литий-металлического электрода и электролита в литий-металлических батареях. Этот новый механизм не зависит от традиционного кинетического подхода. Он может существенно улучшить плотность энергии батареи — количество хранимой энергии по отношению к весу или объему.

Команда опубликовала свои выводы сегодня (27 октября) в журнале Энергия природы .

Литий-металлические батареи представляют собой многообещающую технологию, способную удовлетворить потребности в системах хранения с высокой плотностью энергии. Однако из-за непрекращающегося разложения электролита в этих батареях их кулоновская эффективность мала. Кулоновский КПД, также называемый КПД по току, описывает КПД, с которым электроны передаются в батарее. Таким образом, батарея с высокой кулоновской эффективностью имеет более длительный срок службы батареи.

Повышенная кулоновская эффективность (CE, вертикальная ось) может быть получена при смещении вверх окислительно-восстановительного потенциала металлического лития (ELi/Li+, горизонтальная ось), что снижает термодинамическую движущую силу для восстановления электролита на поверхности металлического лития. На вставке представлены окислительно-восстановительные кривые соединения ферроцена (Fc/Fc+), введенного для оценки изменения окислительно-восстановительного потенциала металлического лития в данных электролитах. Сравнивая окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в 74 различных электролитах, исследователи обнаружили корреляцию между окислительно-восстановительным потенциалом и кулоновской эффективностью. Основываясь на этих выводах, несколько электролитов, обеспечивающих высокую кулоновскую эффективность (до 99,4 %), легко развивались. Предоставлено: Лаборатория Ямада и Китада, Департамент инженерии химических систем, Токийский университет,

. «Это первая статья, предлагающая электродный потенциал и связанные с ним структурные особенности в качестве показателей для проектирования электролитов литий-металлических батарей, которые извлекаются путем ввода данных. наука в сочетании с вычислительными расчетами. На основании наших выводов было легко разработано несколько электролитов, обеспечивающих высокую кулоновскую эффективность», — сказал Ацуо Ямада, профессор кафедры инженерии химических систем Токийского университета. Работа команды может открыть новые возможности в разработке электролитов следующего поколения для литий-металлических аккумуляторов.

В литий-ионных батареях ион лития перемещается от положительного электрода к отрицательному через электролит во время зарядки и обратно при разрядке. Внедряя электроды с высокой плотностью энергии, можно улучшить плотность энергии батареи. В этом контексте за последние десятилетия было проведено множество исследований по замене графитового отрицательного электрода на металлический литий. Однако металлический литий обладает высокой реакционной способностью, что восстанавливает электролит на его поверхности. Из-за этого литий-металлический электрод имеет низкую кулоновскую эффективность.

Относительная важность дескрипторов для окислительно-восстановительного потенциала металлического лития была получена с помощью частичного регрессионного анализа методом наименьших квадратов (PLS). Корреляция между предсказанными и наблюдаемыми истинными значениями окислительно-восстановительного потенциала металлического лития хорошо соответствует, что показано на вставке вместе со среднеквадратичной ошибкой (RMSE). Многочисленные данные, относящиеся к структуре раствора и физико-химическим свойствам электролитов, были собраны с помощью вычислительных расчетов MD и DFT, а их влияние на окислительно-восстановительный потенциал металлического лития было количественно проанализировано с помощью регрессионного анализа на основе машинного обучения. Определенный фактор, состояние координации Li+ и аниона FSI-, был выявлен как наиболее важный дескриптор для определения окислительно-восстановительного потенциала металлического лития. Авторы и права: Лаборатория Ямада и Китада, факультет инженерии химических систем, Токийский университет

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали функциональные электролиты и добавки к электролитам, образующие защитную пленку на поверхности. Эта межфазная фаза твердого электролита влияет на безопасность и эффективность литиевых батарей. Поверхностная защитная пленка предотвращает прямой контакт между электролитом и литий-металлическим электродом, тем самым кинетически замедляя восстановление электролита. Однако до сих пор ученые не до конца понимали корреляцию между межфазной границей твердого электролита и кулоновской эффективностью.

Ученые знают, что если они улучшат стабильность межфазной фазы твердого электролита, то смогут замедлить разложение электролита и повысить кулоновскую эффективность батареи. Но даже с передовыми технологиями ученым трудно напрямую анализировать межфазную химию твердого электролита. Большинство исследований межфазной границы твердого электролита было проведено с помощью косвенных методологий. Эти исследования предоставляют косвенные доказательства, что затрудняет разработку металлического лития, стабилизирующего электролит, который приводит к высокой кулоновской эффективности.

Исследовательская группа определила, что если бы им удалось увеличить окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в определенной электролитной системе, они могли бы уменьшить термодинамическую движущую силу для восстановления электролита и, таким образом, достичь более высокой кулоновской эффективности. Эта стратегия редко применялась при разработке аккумуляторов с металлическим литием. «Термодинамический окислительно-восстановительный потенциал металлического лития, который значительно варьируется в зависимости от электролитов, является простым, но упускаемым из виду фактором, влияющим на характеристики литий-металлического аккумулятора», — сказал Ацуо Ямада.

Команда изучила окислительно-восстановительный потенциал металлического лития в 74 типах электролитов. Исследователи ввели соединение под названием ферроцен во все электролиты в качестве внутреннего стандарта, рекомендованного IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии) для электродных потенциалов. Команда доказала, что существует корреляция между окислительно-восстановительным потенциалом металлического лития и кулоновской эффективностью. Они получили высокую кулоновскую эффективность с повышенным окислительно-восстановительным потенциалом металлического лития.

Глядя в будущее, цель исследовательской группы — более подробно раскрыть рациональный механизм изменения окислительно-восстановительного потенциала. «Мы разработаем электролит, гарантирующий кулоновскую эффективность более 99,95%. Кулоновский КПД металлического лития составляет менее 99% даже при использовании усовершенствованных электролитов. Однако для коммерциализации аккумуляторов на основе металлического лития требуется не менее 99,95%», — сказал Ацуо Ямада.

Ссылка: «Электродный потенциал влияет на обратимость литий-металлических анодов» Сонджэ Ко, Томохиро Обуката, Татау Шимада, Норио Такенака, Масанобу Накаяма, Ацуо Ямада и Юки Ямада, 27 октября 2022 г., Энергия природы .
DOI: 10.1038/s41560-022-01144-0

Это исследование было проведено в сотрудничестве с Нагойским технологическим институтом.

Финансирование: Программа исследований и разработок передовых низкоуглеродных технологий; Специально продвигаемые исследования для инновационных аккумуляторов следующего поколения Японского агентства по науке и технологиям; Специально продвигаемые исследования JSPS KAKENHI; и Программа Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий: Проект исследования и разработки материалов типа создания и использования данных финансировали это исследование.

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

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

Сяофэй Ян, ‡

и Киган Р. Адэр, ‡ ^и Сюэцзе Гао ^и а также Сюэлян Солнце * ^и

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Департамент машиностроения и материаловедения, Университет Западного Онтарио, 1151 Ричмонд-стрит, Лондон, Онтарио, Канада
Электронная почта: xsun9@uwo. ca

Аннотация

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