Как поднять плотность аккумулятора автомобиля: Как правильно повысить плотность электролита в аккумуляторе

Кислотомер погружается в ячейку аккумулятора. Шкала ареометра показывает величину плотности электролита, которую сравнивают с табличными данными, разработанными специалистами. В норме насыщенность аккумулятора, в зависимости от южной или северной климатической зоны, варьирует от 1,25 до 1,29 кг на литр. 

При этом различие в показаниях двух банок не должно превышать 0,01. При выявлении плотности аккумулятора ниже нормы, ее необходимо поднять. Существуют разные методы повышения плотности в зависимости от полученных значений при измерении. Если насыщенность аккумулятора составляет от 1,18 до 1,20 кг на литр, необходимо долить электролит плотностью 1,27. Вначале поднимается плотность одной банки. Грушей кислотомера откачивается как можно большая часть имеющегося электролита, а новый доливается в количестве, составляющем половину объема откачанного. Таким образом, следует довести показатель плотности до нормы. Остаток дополняется дистиллированной водой. Когда насыщенность аккумулятора составляет меньше 1,18, применяется аккумуляторная кислота, так как ее плотность больше, чем у электролита. Процедура осуществляется таким же образом, как и ранее. Но она может повторяться, и столько раз, пока плотность не поднимется до нормы. 

Для повышения насыщенности аккумулятора применяют и третий способ — полностью заменяется старый электролит. Грушей откачивается по возможности наибольшее количество имеющегося электролита. Потом закручиваются заглушки исключительно от данного автоаккумулятора, иначе нарушается герметичность. На днище аккумулятора, который лежит на боковой стороне, сверлом (3-3,5) просверливаются дырочки по одной в банке. Электролит в данном случае сливается. Далее внутренняя часть аккумулятора основательно промывается дистиллированной водой. Проделанные дырочки закрываются заглушками побочного аккумулятора или кислостойкой пластмассой. 

Теперь необходимо приготовить электролит, который заменит старый. Для этого в дистиллированную воду добавляется аккумуляторная кислота (не в обратном порядке!). В целях безопасности при проведении этой процедуры надевают очки и обязательно применение резиновых перчаток. Вновь изготовленный электролит должен иметь плотность больше, чем положено для данного климатического пояса. И последний момент – заливание в аккумулятор свежеприготовленного электролита.

Как увеличить плотность электролита в АКБ? — 130.com.ua

Практически все автовладельцы не обращают внимания на аккумулятор до первых проблем. Именно наша безответственность быстро приводит к моментам поломки, когда машина уже просто отказывается заводиться. Самая частая причина — разрядка аккумулятора.

Кстати, даже новый аккумулятор может помешать вашей поездке. Есть доля вероятности купить не совсем качественный аппарат. Что под этим подразумевается? Чаще всего: не полностью заряженный аккумулятор или недостаток электролита.Такие нюансы не уточняйте во время покупок.

Основные способы

Как только аккумулятор отказывается работать, ставим на зарядку. Но что мы видим: цикл зарядки прошел, а батарея все еще разряжена. Возникла новая проблема-аккумулятор просто не держит заряд. Здесь нужно выяснить причины, по которым это происходит.

Чаще всего это происходит с батареями, которые были посажены на 0. Здесь появляется новая задача — проверить на сколько разряжена батарея.Сначала проверьте плотность электролита с помощью специального прибора — кислотометра.

Делаем так:

• Установите измеритель кислоты в любой аккумуляторный блок.
• Шкала ареометра покажет плотность электролита.
• Сравните полученные значения с табличными параметрами плотности.

Если вы живете в регионе с суровым климатом, то значение будет примерно 1,25 кг / литр. Здесь имейте в виду, что разница в плотности между двумя банками не должна быть больше 0.01.

Как поднять плотность?

Способ решения этой проблемы зависит от того, какие значения вы получите.

Плотность 1,18-1,20 кг / литр

Грушей откачиваем старый электролит: максимально. Наполните новый наполовину откачанным вами объемом. Условно, например: закачивают 1 кг., Наливают 0,5 кг. Здесь нам нужно добиться нормы плотности электролита, а остальное долить дистиллированной водой.

Плотность менее 1.18 кг / литр

В этом случае нужно использовать аккумуляторную кислоту. Делаем все так же, как и в первом случае, но есть вероятность, что процедуру придется повторить. Ваша главная задача остается прежней — получить значение нормы.

Плотность очень низкая

К сожалению, здесь придется полностью менять электролит для экономии аккумулятора. С помощью груши нужно будет максимально откачать старый электролит, а банки закрыть пробками.И дальше этого плана придерживаются:

• После закручивания заглушек положить аккумулятор на бок. Берем сверло 3 мм. или 3,5 мм. и проделайте одно отверстие на дне банки. Итак, мы можем полностью слить электролит.
• Промойте все банки дистиллированной водой. Отверстия закрыты кислотостойким пластиком. Итак, мы сделали все необходимое, чтобы подготовить емкость для нового электролита.
• Приготовьте электролит самостоятельно. Возьмите дистиллированную воду и налейте в нее аккумуляторную кислоту.Обратите внимание, обратный порядок недопустим, то есть в кислоту нельзя заливать воду. Не забудьте надеть резиновые перчатки.

В результате вы должны получить значения электролита, необходимые для вашего региона. Если по каким-то причинам не удалось увеличить плотность электролита, придется выбрать новый аккумулятор. Купить аккумулятор с доставкой по Украине в Харьков, Киев, Одессу можно на 130.com.ua.

Материалы по теме

Хотите революционизировать энергию? Улучшить аккумулятор | Наука

Батарейки везде.Они находятся в наших телефонах, самолетах, автомобилях с бензиновым двигателем и даже — в случае людей с кардиостимуляторами или другими имплантированными медицинскими устройствами — в наших телах.

Однако аккумуляторы, которые действительно будут иметь значение в будущем, — это не те, которые помогут вам играть в Angry Birds на телефоне 12 часов подряд или заводить автомобиль холодным зимним утром. Батареи, способные изменить мировую энергетическую перспективу, будут питать электромобили и обеспечивать хранилище для энергосистемы.

«Если бы вы могли взмахнуть волшебной палочкой и решить мировые энергетические проблемы, вам нужно было бы изменить только одно: батареи», — говорит Ральф Идс, вице-председатель инвестиционно-банковской фирмы Jeffries LLC, инвестирующей в новые энергетические технологии.

Проблема с энергией не в том, что нам ее не хватает; Новые технологии, такие как горизонтальное бурение и гидроразрыв пласта, или «гидроразрыв», недавно открыли доступ к количеству ископаемого топлива, которое невозможно было представить всего десять лет назад.Проблема в том, что наша зависимость от этих ископаемых видов топлива для получения большей части нашей энергии крайне вредна для здоровья, вызывая миллионы преждевременных смертей ежегодно и изменяя климат как радикальными, так и непредсказуемыми способами.

Но ископаемое топливо не является популярным источником энергии только потому, что его так много. Они популярны, потому что могут хранить много энергии в небольшом пространстве. Батареи также накапливают энергию, но при сравнении фунта за фунт они просто не могут конкурировать.Проще всего продемонстрировать эту разницу в автомобиле:

Аккумулятор в гибридной Toyota Prius имеет около 225 ватт-часов энергии на фунт. Это плотность энергии автомобильного аккумулятора — количество энергии, которое может храниться на единицу объема или веса. Бензин в этом Prius содержит 6000 ватт-часов на фунт. Разница в плотности энергии между жидким нефтяным топливом и даже самыми продвинутыми аккумуляторами создает сценарий, в котором Chevrolet Suburban весом 7200 фунтов может проехать 650 миль на баке с бензином, а полностью электрический Nissan Leaf, который весит меньше половины. , имеет радиус действия всего около 100 миль.

И хотя около 80 процентов автомобильных поездок американцев составляют менее 40 миль, исследования потребителей показали, что водители страдают от «беспокойства по поводу дальности». Им нужны машины, которые могут совершать длительные поездки, а также ездить на работу и выполнять поручения по городу.

Плотность энергии остается на уровне bête noire батарей в течение 100 лет. Всякий раз, когда появляется новая технология или конструкция, увеличивающая удельную энергию, страдает другой важный аспект производительности батареи — например, стабильность при высокой температуре или количество раз, когда она может быть разряжена и перезаряжена.И когда один из этих аспектов улучшается, страдает плотность энергии.

Литий-железо-фосфатная технология — хороший тому пример. Эти аккумуляторы от китайского производителя BYD широко используются как в электрических, так и в гибридных транспортных средствах на юге Китая. Они заряжаются быстрее, чем литий-ионные батареи, которые распространены в других электромобилях, таких как Leaf, но они менее энергоемкие.

Еще одним важным аспектом в конструкции батарей является то, сколько раз батареи можно заряжать и разряжать без потери их способности накапливать энергию.Никель-металлогидридные или NiMH аккумуляторы, которые уже более десяти лет являются «рабочей лошадкой» для гибридных автомобилей, включая гибрид Prius и Ford Escape, преуспевают в этой категории. Тед Дж. Миллер, который работает над передовыми аккумуляторными технологиями для Ford Motor Company, говорит, что Ford вытащил аккумуляторы из гибридов Escape, которые использовались на протяжении 260 000 миль службы такси в Сан-Франциско, и обнаружил, что у них все еще есть 85 процентов их первоначальной мощности. . Такая долговечность является преимуществом, но для чисто электрических транспортных средств никель-металлгидридные батареи намного тяжелее при том же количестве энергии, которое хранит литий-ионная батарея; дополнительный вес снижает запас хода автомобиля.Никель-металл-гидридные батареи также токсичны, поэтому не выбрасывайте их в мусорное ведро, когда у них заканчивается сок — они должны быть переработаны. А поскольку в будущем никель может оказаться более дефицитным, чем литий, эти батареи могут стать более дорогими.

имеют немного более высокую плотность энергии, чем обычные литий-ионные версии — прототип автомобиля Audi прошел 372 мили на одной зарядке — но их нельзя заряжать и разряжать столько раз, что у них меньший срок службы.

Стоит помнить, что, несмотря на эти ограничения, аккумуляторы, предназначенные для питания автомобилей, прошли долгий путь за относительно короткий период времени — всего 40 лет назад аккумулятор с плотностью энергии менее половины тех, что используются в современных гибридах и электромобилях. считалось экзотической мечтой — и они обязательно улучшатся.«Мы видим четкий путь к удвоению емкости аккумуляторов», — говорит Миллер из Ford. «Это без кардинального изменения технологии, но улучшения процесса, чтобы у нас были высококачественные автомобильные аккумуляторы с таким же энергосодержанием, как сегодня в портативных устройствах».

Такой аккумулятор для полностью электрических транспортных средств изменит транспорт, сделав его более безопасным для климата. На транспорт приходится около 27 процентов выбросов парниковых газов в США и около 14 процентов мировых выбросов.Девяносто пять процентов легковых автомобилей в США работают на бензине. Если бы эти легковые и грузовые автомобили можно было заменить электромобилями, это значительно уменьшило бы загрязнение, даже если электричество по-прежнему будет поступать в основном из угля, как выяснило министерство энергетики. Это связано с тем, что двигатели внутреннего сгорания настолько неэффективны, что они теряют до 80 процентов энергии своего топлива на тепло, в то время как электродвигатели тратят почти всю свою энергию на движение транспортного средства.

Батареи также могут сыграть роль в изменении источника нашей электроэнергии, сохраняя энергию, произведенную из возобновляемых источников, таких как ветер и солнце.Поскольку коммунальные предприятия увеличили процент электроэнергии, производимой из этих источников, руководящим принципом было то, что электростанции, работающие на природном газе, были бы необходимы для удовлетворения спроса, когда ветряные турбины и фотоэлектрические элементы не производят. Если бы избыточная возобновляемая энергия, производимая при низком спросе, могла быть передана в батарею, сохранена без значительных потерь и быстро истощена при повышении спроса — и если бы система была достаточно дешевой — это избавило бы от необходимости использовать возобновляемые источники энергии как для угольных электростанций заменить, и газовые установки, которые считаются необходимыми для использования энергии ветра и солнца.

«Аккумуляторы большого объема, способные сдвигать энергию во времени, меняют правила игры», — говорит Питер Ротштейн, президент Совета по чистой энергии Новой Англии.

Батареи, накапливающие энергию для сети, имеют другие требования, чем те, которые используются в автомобилях, потому что для транспортных средств требуются относительно компактные батареи, которые могут передавать свою энергию почти мгновенно. Таким образом, технологии, которые не подходят для питания электромобилей, могут отлично хранить энергию для сети.

— относительно новая технология, которая вызвала большой интерес, — могут иметь большую плотность энергии, чем существующие литиевые батареи, но они обеспечивают гораздо меньше энергии, необходимой для разгона автомобиля, — говорит Миллер из Ford. «Если вам требуется мощность в 120 киловатт, при использовании литиево-воздушной батареи вам может потребоваться от 80 до 100 киловатт-часов энергии батареи, чтобы удовлетворить это требование», — объясняет Миллер. «Это очень громоздкая, очень большая батарея». Это не будет хорошо работать в автомобиле — для сравнения, Ford Focus EV потребляет чуть более 100 киловатт энергии с батареей на 23 киловатт-часа — но это может быть, когда он находится рядом с ветряной электростанцией.

Ванадиевые проточные батареи, еще одна многообещающая разработка, также обладают высокой плотностью энергии и малым временем разряда, что делает их идеальными для хранения. Это приложение, которое им предлагает Рон Макдональд, генеральный директор American Vanadium. «Есть много хороших вариантов хранения, но у каждого есть проблема», — признает Макдональд. «Нашей проблемой всегда была начальная стоимость, потому что мы дороже». Однако батарея с потоком ванадия может прослужить 20 лет, «поэтому мы уступаем большинству других, если смотреть на стоимость в течение срока службы батареи», — говорит он.

Но развитие так называемой «интеллектуальной» сети, в которой будут использоваться передовые алгоритмы и коммуникационные технологии для быстрого реагирования на приливы и отливы энергоснабжения и потребительского спроса, и распределенное хранилище, возможно, сделали более энергоемкие батареи менее востребованными. чем думали эксперты в прошлом. Имея десятки тысяч маленьких батарей в автомобилях, на светофорах и в других местах по всему городу, электроэнергетическая компания теоретически могла бы потреблять энергию от этих батарей в периоды высокого спроса и возвращать энергию потребителям через несколько часов.

Коммунальные предприятия также могут пытаться изменить, когда и как люди используют энергию, взимая непомерную плату за покупку электроэнергии сверх определенного уровня в периоды высокого спроса. Клиенты не будут поощрять установку высоких нагрузок на систему, например, при эксплуатации крупной бытовой техники или зарядке электромобилей в это время. Подобно батареям, такая практика сгладит кривую потребностей в производстве электроэнергии, возложенных на коммунальное предприятие.

«Реагирование на спрос будет играть такую ​​же важную роль, как и хранение», — говорит Рэнди Ховард, директор по планированию и развитию энергосистем Департамента водоснабжения и энергетики Лос-Анджелеса.

Тем не менее, Ховард хотел бы, чтобы батарея принесла коммунальным предприятиям такой же прогресс, который наблюдали производители нефти и газа. «Мы все надеемся, что в какой-то момент произойдет технологический скачок в производстве аккумуляторов, но этого еще не произошло», — говорит Ховард. «Мы ищем наш гидроразрыв в мире аккумуляторов».

Как мы добираемся до следующего большого прорыва в области аккумуляторных батарей — Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени.Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение.По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два столетия тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи снова действительно изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность — это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удерживать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия батарей, которая у нас есть, — это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав еще по крайней мере еще десять или более лет. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка — это электрод: левый — катод, а правый — анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) — одного из лучших в своем классе — и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, буханка NMC содержит ионы лития, расположенные между каждым ломтиком. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной буханке батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда и нужно снова зарядить аккумулятор.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей — заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), который имеет структуру «оливина» в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль стыкуется, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил аккумулятор, достаточно мощный, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — накатом.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, — говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям в Университете Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle

Энергетическая проблема

Tesla Model 3, самая доступная модель компании, стоит от 35 000 долларов. Он работает от батареи на 50 кВтч, что стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это все еще удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составляла около 175 долларов за киловатт-час, что ниже почти 1200 долларов за киловатт-час в 2010 году.

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость батарей упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение и эксплуатация электромобиля будет дешевле, чем газовый автомобиль в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят автомобили с бензиновым двигателем во всех нишах и сферах — например, для грузовиков дальнего следования еще нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут отдавать предпочтение электромобилям просто потому, что в большинстве случаев они будут иметь более экономичный смысл.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию батарей — втиснуть в аккумуляторную батарею больше киловатт-часов без снижения ее цены. Теоретически это может сделать специалист по производству аккумуляторов, увеличив удельную энергию катода или анода, либо того и другого.

Катод с наибольшей энергоемкостью на пути к коммерческой доступности — это NMC 811 (каждая цифра в номере представляет собой соотношение никеля, марганца и кобальта, соответственно, в смеси). Это еще не идеально. Самая большая проблема заключается в том, что он может выдержать только относительно небольшое количество жизненных циклов заряда-разряда, прежде чем он перестанет работать.Но эксперты прогнозируют, что отраслевые исследования и разработки должны решить проблемы NMC 811 в течение следующих пяти лет. Когда это произойдет, батареи, использующие NMC 811, будут иметь более высокую плотность энергии на 10% или более.

Однако увеличение на 10% — это не так уж и много в общей картине.
И хотя ряд инноваций за последние несколько десятилетий поднял плотность энергии катодов еще выше, аноды — это то, где открываются самые большие возможности в области плотности энергии.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом.Он дешевый, надежный и относительно энергоемкий, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слаб, если сравнивать его с другими потенциальными анодными материалами, такими как кремний и литий.

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд производителей аккумуляторов пытаются добавить кремний вместе с графитом в свои конструкции анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск сказал, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Большим шагом была бы разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью сделанного из кремния. Но у этого элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем не сильно меняется. Однако кремниевый анод по тому же сценарию набухает в четыре раза по сравнению с исходным объемом.

К сожалению, вы не можете просто увеличить корпус, чтобы приспособиться к этому набуханию, потому что расширение разрушает то, что называется «межфазной границей твердого электролита», или SEI, кремниевого анода.

SEI можно рассматривать как своего рода защитный слой, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, для защиты от элементов: когда вы оставляете кусок недавно кованое железо снаружи, оно медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, образуя ржавчину. Под слоем ржавчины остальная часть железа не постигает та же участь и, таким образом, сохраняет структурную целостность.

В конце первого заряда батареи электрод образует собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неэродированную часть электрода от электролита.SEI предотвращает потребление электрода дополнительными химическими реакциями, гарантируя, что ионы лития могут течь как можно более плавно.

Но с кремниевым анодом SEI ломается каждый раз, когда батарея используется для питания чего-либо, и восстанавливается каждый раз, когда батарея заряжается. И во время каждого цикла зарядки расходуется немного кремния. В конце концов, кремний рассеивается до такой степени, что батарея перестает работать.

За последнее десятилетие несколько стартапов Кремниевой долины работали над решением этой проблемы.Например, подход Sila Nano состоит в том, чтобы заключить атомы кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого места внутри. Таким образом, SEI формируется снаружи оболочки, и расширение атомов кремния происходит внутри нее, не разрушая SEI после каждого цикла заряда-разряда. Компания, оцениваемая в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться в устройствах уже в 2020 году.

Enovix, с другой стороны, применяет особую технологию производства, чтобы подвергнуть 100% кремний анод огромному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ион лития и, таким образом, ограничивает расширение анода и предотвращает разрушение SEI.У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и она также ожидает, что к 2020 году ее батареи будут в устройствах.

Эти компромиссы означают, что кремниевый анод не может достичь своей теоретической высокой плотности энергии. Однако обе компании заявляют, что их аноды работают лучше, чем графитовые. Третьи стороны в настоящее время тестируют аккумуляторы обеих фирм.

Tesla

Проблема безопасности

Все молекулярные переделки, предпринятые для накопления большего количества энергии в батареях, могут происходить за счет безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головные боли из-за того, как часто он воспламеняется. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy начала продавать литий-металлические батареи для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали воспламеняться, и Moli был вынужден отозвать свой заказ и, в конечном итоге, объявить о банкротстве. (Некоторые из его активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны на современных литий-ионных батареях, начали взрываться в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Современные литий-ионные батареи по-прежнему сопряжены с рисками, поскольку в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости в качестве электролита. Одна из прискорбных (для нас, людей) причуд природы заключается в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, также имеют более низкий порог воспламенения.Одно из решений — использовать твердые электролиты. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, который контактирует с каждым битом электродов, что позволяет эффективно переносить ионы. С твердыми телами намного сложнее. Представьте, что вы бросаете пару кубиков в чашку с водой. А теперь представьте, что те же самые кости бросают в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей площади поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных батарей с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, такими как датчики, подключенные к Интернету.Усилия по расширению масштабов твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкий электролит, можно в общих чертах разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, связанных вместе. Они очень распространены в повседневном использовании — например, одноразовые полиэтиленовые пакеты делают из полимеров. Когда некоторые типы полимеров нагреваются, они ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве батарей.Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью, как жидкий электролит, без каких-либо рисков.

Но у них есть ограничения. Они могут работать только при температуре выше 105 ° C (220 ° F), что означает, что они не подходят, например, для смартфонов. Но их можно использовать, например, для хранения энергии от сети в домашних батареях. По крайней мере, две компании — SEEO (США) и Bolloré (Франция) — разрабатывают твердотельные батареи, в которых в качестве электролита используются высокотемпературные полимеры.

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (оксид лития, лантана и циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такие же хорошие проводящие ионы при комнатной температуре. как жидкости.

Toyota, а также стартап из Кремниевой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек 100 млн долларов от Volkswagen) работают над внедрением керамики в литий-ионные батареи. Включение крупных игроков в пространство указывает на то, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

«Мы очень близки к тому, чтобы увидеть что-то реальное [с использованием керамики] через два или три года», — говорит Вишванатан из Карнеги-Меллона.

Закон о балансе

Аккумуляторы — это уже большой бизнес, и их рынок продолжает расти.Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартап с аккумуляторными батареями — сложная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в области материаловедения — это сложно.

На данный момент химики, занимающиеся аккумуляторными батареями, обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (например, плотность энергии), им приходится идти на компромисс в отношении другой характеристики (например, безопасности). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но если внимательнее присмотреться к проблеме — Йет-Мин Чан из Массачусетского технологического института считает, что сегодня в США в три раза больше ученых, занимающихся аккумуляторными батареями, чем всего 10 лет назад — шансы на успех возрастают. Потенциал батарей остается огромным, но, учитывая предстоящие задачи, лучше относиться к каждому заявлению о новых батареях с хорошей долей скептицизма.

Достижение высокой плотности энергии за счет увеличения выходного напряжения: полностью обратимый аккумулятор на 5,3 В

Основные особенности

•

Стабильный 5.Электролиты 5 В позволяют использовать литий-металлический аккумулятор 5,3 В и литий-ионный аккумулятор 5,2 В

•

Изучить механизм лития-делитирования 5,3 В LiCoMnO ₄ катодов

•

Выявить корреляцию между электролитами и CEI или SEI на электродах

Большая картина

Сегодня более высокая плотность энергии аккумуляторных батарей становится все более желательной из-за растущих требований со стороны будущих электромобилей.Современные литий-ионные батареи, основанные на химии интеркаляционного катода, оставляют относительно мало места для дальнейшего повышения плотности энергии, поскольку удельная емкость этих катодов приближается к теоретическим уровням. Увеличение выходного напряжения элемента — это возможное направление значительного увеличения плотности энергии батарей. Обширные исследования были посвящены изучению элементов питания> 5,0 В, но были достигнуты лишь ограниченные успехи из-за узкого окна электрохимической стабильности традиционных электролитов (<5.0 В). Здесь мы разрабатываем электролит 5,5 В (1 M LiPF ₆ в FEC / FDEC / HFE с добавкой LiDFOB), который позволяет катодам LiCoMnO ₄ 5,3 В обеспечивать плотность энергии 720 Втч кг ⁻¹ на 1000 циклов и 5,2 В графита || LiCoMnO ₄ полных элементов, чтобы обеспечить плотность энергии 480 Вт · ч · кг ^-1 на 100 циклов.

Сводка

Плотность энергии нынешних литий-ионных аккумуляторов ограничена низкой емкостью интеркаляционного катода, что оставляет относительно мало возможностей для дальнейшего улучшения, поскольку удельная емкость этих катодов приближается к теоретическим уровням.Увеличение выходного напряжения элемента — это возможное направление значительного увеличения плотности энергии батарей. Обширные исследования были посвящены изучению элементов питания> 5,0 В, но были достигнуты лишь ограниченные успехи из-за узкого окна электрохимической стабильности электролитов (<5,0 В). Здесь мы сообщаем о 5,5 В электролите (1 M LiPF ₆ в фторэтиленкарбонате, бис (2,2,2-трифторэтил) карбонате и гидрофторэфире [FEC / FDEC / HFE] с дифтор (оксалат) боратом Li [LiDFOB ] аддитив), что позволяет 5.3 В LiCoMnO _{4 катода} для обеспечения плотности энергии 720 Втч кг ^-1 на 1000 циклов и графит 5,2 В || LiCoMnO _{4 полных элемента} для обеспечения плотности энергии 480 Втч кг ^-1 на 100 циклы. Электролиты на 5,5 В представляют собой большой шаг в развитии литиевых батарей высокой энергии.

Цели устойчивого развития ООН

ЦУР 7: Доступная и чистая энергия

Ключевые слова

высокое напряжение

Литий-металлический аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор

высокая плотность энергии

Литий-металлический анод

стабильный электролит

стабильный электролит Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2019 Elsevier Inc.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Автомобильный аккумулятор — обзор

Сильноточная схема

Сильноточная постоянная подача +12 В подается от автомобильного аккумулятора на P1 блока раздельного заряда. Реле RL1 и RL2 переключают питание на выходы вспомогательной батареи и холодильника, P2 и P3 соответственно — присутствие RL3 можно игнорировать, по крайней мере, на время. RL1 и RL2 переключаются посредством простой диодной матрицы, состоящей из D4, D5, D7 и D11.Эти диоды позволяют переключать реле по отдельности или оба вместе. D8 и D12 служат для остановки потенциально опасных скачков высокого напряжения, создаваемых катушками реле при их обесточивании.

Обычно управляющий вход TB1–2 подключается к выходу индикатора заряда автомобильного генератора. Этот выходной сигнал повышается от почти 0 В при неработающем двигателе до (номинально) +13,8 В, когда двигатель работает и генератор подает питание на электрическую систему автомобиля.

Если доступ к выходу предупреждения о заряде затруднен, вход управления может быть запитан от цепи, которая становится под напряжением при включении цепи зажигания.

Когда на управляющем входе высокий уровень, диоды D5 и D7 проводят ток, каждый из которых подает питание на катушки RL1 и RL2, вызывая их включение. Затем +12 В подается на выход вспомогательной батареи через FS1 и D1, а на выход холодильника через FS2. D1, сильноточный двойной выпрямительный диод Шоттки, гарантирует, что вспомогательная батарея не может разрядиться за счет обратного питания электрической системы автомобиля .

Может потребоваться подавать питание на выходы вспомогательной батареи или холодильника в то время, когда двигатель не работает. Это было бы желательно при кратковременной остановке автомобиля (на СТО и т. Д.) Для поддержания подачи в холодильник. В качестве альтернативы, выходы могут использоваться для питания других аксессуаров 12 В (переносной прожектор +12 В и т. Д.). Такому использованию способствуют входы блокировки A и B, TB1-1 и TB1-3 соответственно. Вход коррекции A, когда он установлен на +12 В, включает RL1 через D4 и подает питание на выход вспомогательной батареи.Аналогичным образом, вход блокировки B при переключении на +12 В включает RL2 через D11 и подает питание на выход холодильника. Следует следить за тем, чтобы аккумулятор автомобиля не разряжался до такого уровня, чтобы не было достаточного заряда для перезапуска двигателя. Время для этого зависит от потребляемого тока и емкости аккумулятора.

Индикация того, что мощность достигает желаемого значения, отображается с помощью зеленых светодиодов, подключенных к TB3-1 (выход состояния питания вспомогательной батареи) и TB4-1 (выход состояния питания холодильника).TB3-2 и TB4-2 обеспечивают обратные соединения 0 В / шасси для светодиодов. R1 и R2 служат для ограничения тока светодиода примерно до 20 мА.

RL3, который до сих пор игнорировался, позволяет подавать питание от вспомогательной батареи на выход холодильника, когда двигатель не работает. Это может быть использовано по тем же причинам, что и упомянутые выше, но без разряда автомобильного аккумулятора (потребляемый ток необходим только для работы RL3). Такая операция активируется переводом входа коррекции C на 0 В / шасси.D2 выполняет ту же функцию, что и D8 и D12.

На пути к недорогим литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии и высокой плотностью энергии (Журнальная статья)

Ли, Цзяньлинь, Ду, Чжицзя, Рутер, Роуз Э., Ан, Сон Джин, Дэвид, Ламюэль Абрахам, Хейс, Кевин, Вуд, Марисса, Филипп, Натан Д., Шэн, Янпин, Мао, Чэнью, Калнаус, Сергей, Дэниел, Клаус и Вуд, III, Дэвид Л. К недорогим литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии и высокой плотностью энергии.США: Н. П., 2017. Интернет. DOI: 10.1007 / s11837-017-2404-9.

Ли, Цзяньлинь, Ду, Чжицзя, Рутер, Роуз Э., Ан, Сон Джин, Дэвид, Ламуэль Абрахам, Хейс, Кевин, Вуд, Марисса, Филипп, Натан Д., Шэн, Янпин, Мао, Чэнью, Калнаус, Сергей, Дэниел, Клаус и Вуд, III, Дэвид Л. К недорогим литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии и высокой плотностью энергии.Соединенные Штаты. DOI: https: //doi.org/10.1007/s11837-017-2404-9

Ли, Цзяньлинь, Ду, Чжицзя, Рутер, Роуз Э., Ан, Сон Джин, Дэвид, Ламюэль Абрахам, Хейс, Кевин, Вуд, Марисса, Филипп, Натан Д., Шэн, Янпин, Мао, Чэнью, Калнаус, Сергей, Дэниел, Клаус и Вуд, III, Дэвид Л. Мон. «К недорогим литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии и высокой плотностью энергии».Соединенные Штаты. DOI: https: //doi.org/10.1007/s11837-017-2404-9. https://www.osti.gov/servlets/purl/1400215.

@article {osti_1400215,
title = {К недорогим литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии и высокой плотностью энергии},
автор = {Ли, Цзяньлинь и Ду, Чжицзя и Рутер, Роуз Э. и Ан, Сон Джин и Дэвид, Ламуэль Абрахам и Хейс, Кевин и Вуд, Марисса и Филип, Натан Д.and Sheng, Yangping and Mao, Chengyu and Kalnaus, Sergiy and Daniel, Claus and Wood, III, David L.},
abstractNote = {Снижение стоимости и увеличение плотности энергии - два препятствия для широкого применения литий-ионных батарей в электромобилях. Хотя стоимость аккумуляторов для электромобилей с 2008 по 2015 год снизилась примерно на 70%, текущая стоимость аккумуляторных батарей (268 / кВтч в 2015 году) все еще в 2 раза больше, чем запланировано USABC (125 / кВтч). Несмотря на то, что многие достижения в химии элементов были реализованы с тех пор, как литий-ионная батарея была впервые коммерциализирована в 1991 году, за последнее десятилетие произошло несколько крупных прорывов.Таким образом, будущее снижение затрат будет зависеть от производства ячеек и более широкого признания на рынке. В этой статье обсуждаются три основных аспекта снижения затрат: (1) контроль качества для минимизации брака при производстве элементов; (2) новая обработка электродов и инженерия для снижения затрат на обработку и увеличения плотности энергии и производительности; и (3) разработка и оптимизация материалов для литий-ионных батарей с высокой плотностью энергии. Также рассматриваются идеи по увеличению энергии и удельной мощности литий-ионных батарей.},
doi = {10.1007 / s11837-017-2404-9},
журнал = {JOM. Журнал Общества минералов, металлов и материалов},
число = 9,
объем = 69,
place = {United States},
год = {2017},
месяц = ​​{6}
}

Улучшенная технология аккумуляторов может увеличить запас хода электромобиля и ускорить зарядку

Форд Мустанг Mach-E