Как поднять плотность электролита в акб: Как повысить плотность электролита в АКБ

Содержание

Как самостоятельно поднять плотность электролита в автомобильном аккумуляторе — что делать если упала плотность в АКБ

Любой автомобильный аккумулятор является кислотным элементом. В нем содержится раствор серной кислоты определенной плотности. Он выполняет роль катализатора процесса преобразования чистого свинца, его оксида и кислоты в воду и сульфат свинца в процессе разряда и зарядки. Если концентрация кислоты окажется меньше, батарея будет выдавать меньше мощности. В этой статье мы рассмотрим, как поднять плотность электролита и на что она влияет.

Особенности химического процесса в аккумуляторе

В аккумуляторе свинцово-кислотного типа химический процесс стоит в основе его работы. Его интенсивность, в свою очередь, напрямую зависит от конструкции АКБ. В ранних моделях использовался чистый свинец для изготовления электродных решеток и токовых выводов, но это делало их очень мягкими и недолговечными. Для повышения надежности решеток производители стали добавлять в сплав сурьму. Ее массовая доля составляет не более 6%, что очень важно. Введение данного металла несколько снизило эффективность работы аккумулятора, но сделало решетки долговечнее.

Окисляется свинцово-сурьмянистый сплав исключительно из-за состава электролита. С одной стороны, он играет роль катализатора, обеспечивающего работоспособность реакции. А с другой, при несоблюдении концентрации она приносит вред источнику питания в целом. И на многое влияет именно плотность электролита в аккумуляторе, которая в зависимости от состояния заряда постоянно меняется.

Итак, что мы имеем. Свинцовые отрицательные пластины из сплава на 6% из сурьмы, которые погружены в раствор из воды и серной кислоты, также есть положительные пластины с пастой из оксида свинца. В одном 12-вольтовом аккумуляторе 6 банок, в каждой из которых находится комплект отрицательных и положительных пластин. Банки разделены между собой для исключения короткого замыкания между ячейками. Контактная пара взаимодействует между собой через электролит, который обеспечивает перемещение от одного электрода к другому заряженных частиц при подключении нагрузки. Соответственно, при разряде выделяются вода и сульфат свинца, а при заряде происходит восстановление электродов до своего исходного состояния.

Почему меняется плотность?

Плотность электролита АКБ напрямую зависит от состояния заряда, и она измеряется в количестве чистой серной кислоты в 1 см³ дистиллированной воды. Постепенно, по мере разрядов и неполной зарядки происходит двойное преобразование химического вещества из одной формы в другую. И обратно реакция протекает не так чисто, как в прямом. Частично сульфат свинца остается и постепенно накапливается на решетках, что приводит к сульфатации пластин. Соответственно, количество чистой восстановленной серной кислоты в аккумуляторе становится меньше на единицу объема воды. Изменяющаяся плотность электролита — это обычный химический процесс, который протекает регулярно во время работы источника питания, но в нем могут возникать определенные нарушения.

Снизить интенсивность изменения плотности электролита в аккумуляторе можно только снижением интенсивности разряда батареи. Но в автомобиле это предусмотреть тяжело, поэтому остается только правильно эксплуатировать источник питания и в нужный момент производить его нормальную дозарядку. Стоит отметить, что в нормальной АКБ в процессе разряда и заряда плотность изменяется несущественно, но в измеряемых диапазонах. Например, если оставить фары включенными на ночь, то нормальная плотность 1,4 г/см³ снизится до 1,12 г/см³. А это значение практически равно плотности обычной воды, так как в нормальном растворе количество серной кислоты не превышает 35% от общего объема электролита.

Срок службы

Первые несколько лет в аккумуляторе не наблюдается резкого падения плотности, он заряжается каждый раз после разрядки практически полностью. По разным причинам он начинает недозаряжаться или длительное время стоит без зарядки. Вот тут речь идет уже не просто о падении плотности. Произошла реакция выделения осадка, который уже не способен вступить в химическую реакцию восстановления электрода. Постепенно раствор засоряется этим осадком. Как правило, такое состояние, если в автомобиле с электрикой все в порядке, наступает только после 4-5 лет службы. Если же недозаряд происходит регулярно, то увеличить плотность придется раньше. И делать это можно только с обслуживаемым аккумулятором.

Как измерить плотность АКБ?

Чтобы узнать, насколько следует повысить плотность АКБ, необходимо ее измерить. В домашних условиях сделать это самостоятельно без специального прибора невозможно. Для проделывания всей этой процедуры потребуется:

ареометр;
мерный стакан;
груша для забора раствора из батареи;
емкость для приготовления нового раствора;
кислота или специальный корректирующий электролит.

Наберите раствора в грушу, к которой присоединена стеклянная трубка, а внутри находится прибор. Располагать его нужно так, чтобы ареометр не касался стенок трубки. Со шкалы списывается значение. Если плотность оказывается ниже 1,4/см³, то ее нужно повысить. Сделать это можно добавлением корректирующего электролита. Повторное измерение плотности выполняется после получасовой зарядки и 2-часового простоя в покое.

Как восстановить плотность?

Поднять плотность АКБ можно тремя способами:

залить новый электролит;
добавить серную кислоту;
воспользоваться корректирующим электролитом.

Важно учесть, что серная кислота не испаряется. На это при низких температурах до 140 градусов способна только вода, поэтому при низком уровне следует все же доливать воду, а при недостаточной плотности по прибору — кислоту в чистом виде. Ее количество определяется как доля в %. Например, плотность АКБ составляет 1,12 г/см³. Не хватает буквально 0,28 г/см³. Получается, что в недостающем количестве дистиллированной воды нужно разбавить 25-28% от всего нужного объема кислоты и залить в батарею.

Как устроен автомобильный аккумулятор >

Как увеличить плотность электролита в аккумуляторе

Почему падает плотность электролита?

Основные причины, по которым может упасть показатель уровня электролита в банках автомобильной аккумуляторной батареи (АКБ):

— Разряд устройства.

Как правило, разряжение в аккумуляторе автомобиля происходит в холодное время года, поэтому зимой используют специальные методы, позволяющие восстановить и поднимать уровень заряда. Проблема может проявляться в автомобильном аккумуляторе, который близок к естественному износу. При быстром разряде можно сделать вывод о падении пропорции рабочего раствора до критически низкого уровня. Проблема разряжения может быть связана с механическим повреждением устройства или неисправностью генераторной установки, в результате чего электросеть автомобиля питается от АКБ.

— Выкипание рабочей жидкости в результате перезарядки аккумулятора. Если на устройство поступает постоянное напряжение, это приводит к разделению воды на кислород и водород. В результате при зарядке жидкость выкипает и уровень электролита снижается.

— Постоянное добавление дистиллированной воды вместо химического раствора. Если долить жидкость единожды, то уровень плотности АКБ в машине упасть не должен, но постоянные доливания будут этому способствовать.

Как подготовить аккумулятор к восстановлению?

Перед тем, как восстановить на обслуживаемом аккумуляторе плотность электролита, необходимо выполнить ряд действий:

— Производится демонтаж батареи с авто, для этого предварительно ослабляются клеммные зажимы устройства.

— При наличии защиты выполняется ее снятие. Для этого потребуется гаечный ключ соответствующего размера.

— С помощью отвертки или другого приспособления с плоским наконечником производится откручивание пробок на банках. Рекомендуется использовать защитные очки и перчатки, чтобы не допустить появления ожогов.

— Пользователь выполняет диагностику объема рабочей жидкости в устройстве. Для легковых транспортных средств данный параметр должен составить около 1,5 сантиметров выше пластин. Диагностика плотности электролита должна производиться через 3 часа после подзарядки устройства либо примерно через 10 ч после остановки двигателя. Если уровень жидкости соответствует норме, то ареометр опускается в банки и с помощью груши производится набор небольшого объема воды.

— В зависимости от температуры воздуха производится оценка полученных параметров. Проверка выполняется для каждой банки отдельно. В идеале данный показатель должен составить в диапазоне от 1.25 до 1.29 г/см3.

Как самостоятельно увеличить плотность электролита?

Для правильного проведения процедуры необходимо учитывать следующие нюансы:

— При приготовлении нового рабочего раствора в дистиллированную воду добавляется кислота, а не наоборот. В противном случае начнется кипение жидкости.

— Пользователю понадобятся точные расчеты нужного объема кислоты, так как в процессе заряда уровень плотности электролита увеличивается.

Что понадобится?

Чтобы правильно повысить плотность аккумуляторной батареи перед зимним периодом, нужно подготовить следующие материалы и инструменты:

— ареометр;

— мерный стакан или другая аналогичная емкость;

— отдельная емкость для разведения нового рабочего раствора;

— клизма-груша;

— корректирующий раствор либо кислота;

— дистиллированная вода.

Пошаговая инструкция по повышению плотности электролита добавлением жидкости

Правильный способ для увеличения параметра плотности электролита батареи:

— Перед тем, как в аккумуляторе поднять плотность, производится снятие аккумуляторной батареи с автомобиля. Для этого отключаются клеммные зажимы и производится демонтаж фиксирующей пластины. Действия по выполнению задачи осуществляются с применением гаечного ключа.

— С банки аккумуляторной батареи отбирается небольшой объем рабочего раствора. Для этого используется ареометр.

— Вместо изъятого объема жидкости в банку добавляется корректирующий раствор вещества при необходимости увеличения плотности. В случае, если требуется понизить этот параметр, используется дистиллированная вода с плотностью 1,00 г/см3.

— Затем аккумулятор ставится на подзарядку. На протяжении последующих 30 минут производится подзарядка устройства номинальным током. Такие действия позволят залитому корректирующему раствору смешаться с рабочей жидкостью.

— Аккумуляторная батарея отключается от зарядного прибора на один-два часа. Это позволит плотности в банках «выровняться» и снизиться уровню температуры. Также за два часа из банок выйдут все пузырьки, благодаря чему исключается вероятность погрешности при контрольном замере.

— Повторно производится диагностика уровня плотности электролита, при необходимости процедура повторяется заново. Также при необходимости в банки добавляется жидкость для увеличения или уменьшения параметра, а затем заново производится замер.

ВАЖНО ЗНАТЬ

Надо учитывать, что разница параметра плотности между банками должна составить не более 0,01 г/см3. Если при выполнении задачи не удалось достигнуть такого результата, то требуется выполнить дополнительную, «выравнивающую» зарядку на протяжении 1-2 часов. При этом параметр тока должен составить в 2-3 раза меньше номинального.

Как поднять зарядным устройством?

Для повышения плотности зарядным оборудованием выполняются следующие действия:

— Аккумуляторная батарея доводится до полной зарядки. Предварительно нужно снять устройство с автомобиля и подключиться к оборудованию, которое будет заряжать АКБ, с соблюдением полярности. Сначала выполняется соединение с прибором, а затем его подключение к сети.

— В процессе восстановления заряда пользователю нужно следить за состоянием электролита. После того, как жидкость начала кипеть, необходимо снизить параметр силы тока до 1-2 ампер. При кипении воды происходит ее испарение, это приводит к тому, что плотность концентрации электролита начинает повышаться.

— Время испарения жидкости определяется конкретной ситуацией, в некоторых случаях на это может потребоваться более 24 часов.

— После снижения уровня воды в банках производится добавление электролита и замер плотности.

— При необходимости производится повторение данной операции.

Как увеличить плотность, если она ниже 1,18

Если рабочее значение плотности составил менее 1,18 г/см3, описанные способы не позволят решить проблему и пользователю потребуется полностью сливать кислоту из банок.

Алгоритм действий при этом будет такой:

— Электролит откачивается из аккумуляторной батареи, насколько это возможно (для откачки можно использовать грушу с клизмой).

— Аккумулятор осторожно переворачивается без резких движений. Это позволит предотвратить возможное осыпание пластин. В дне устройства надо просверлить отверстия в каждой банке с помощью дрели. Эти действия рекомендуется выполнять в емкости, к примеру, миске или тазике.

— Затем аккумулятор устанавливается в вертикальное положение и из него сливаются остатки рабочего раствора.

— Производится промывка батареи с помощью дистиллята.

— Отверстия в дне аккумулятора запаиваются, на этом этапе важно убедиться в герметичности устройства, чтобы не допустить дальнейшей утечки жидкости. Производится заливка нового раствора в батарею.

Добавка приводит к защитному поверхностному слою для богатых никелем катодов, улучшая характеристики батареи при высоких напряжениях — ScienceDaily

Группа исследователей под руководством химиков из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) выяснила, что добавка к электролиту позволяет стабильное высоковольтное циклирование слоистых катодов с высоким содержанием никеля. Их работа может привести к улучшению плотности энергии литиевых батарей, питающих электромобили.

Выводы, опубликованные 9 маяв Nature Energy, предлагают решение печально известных проблем деградации, которые возникают для богатых никелем катодных материалов, особенно при высоких напряжениях. Это исследование было проведено в рамках спонсируемого Министерством энергетики консорциума Battery500, который возглавляет Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США (PNNL) и работает над значительным увеличением плотности энергии литиевых батарей для электромобилей.

Ша Тан, соавтор и доктор философии. Кандидат в Университете Стоуни-Брук, проводивший исследования с группой электрохимического накопления энергии в Брукхейвенской лаборатории, первоначально изучал, как можно использовать добавку дифторфосфат лития (LiPO2F2) для улучшения низкотемпературных характеристик батарей. Из любопытства она попробовала использовать добавку для циклирования высокого напряжения при комнатной температуре.

«Я обнаружил, что если поднять напряжение до 4,8 вольта (В), эта добавка действительно обеспечивает отличную защиту катода, и батарея достигает отличных характеристик при циклировании», — сказал Тан.

Защитные электроды батареи

Батареи состоят из двух электрических выводов — электродов, называемых катодом и анодом, — которые разделены другим компонентом батареи — электролитом. Электроны проходят через внешнюю цепь, соединяющую два электрода, а ионы проходят через электролит. Оба переключаются между электродами во время циклов зарядки-разрядки.

Многослойные катодные материалы с высоким содержанием никеля обещают высокую плотность энергии для аккумуляторов следующего поколения в сочетании с литий-металлическими анодами. Но эти материалы склонны к потере емкости. Одной из основных проблем является растрескивание частиц во время циклов заряда-разряда высокого напряжения. Работа при высоком напряжении важна, потому что общая энергия, хранящаяся в аккумуляторе, которая важна для запаса хода автомобиля, увеличивается по мере увеличения полезного рабочего напряжения.

Другой проблемой является растворение переходного металла с катода и его последующее осаждение на аноде. По словам химика из Брукхейвена Эньюана Ху, руководившего исследованием, это известно как «перекрестные помехи» в сообществе аккумуляторных батарей. Во время высоковольтной зарядки небольшое количество переходных металлов в кристаллической решетке катода растворяется, затем проходит через электролит и осаждается на стороне анода. Когда это происходит, и катод, и анод разрушаются. Результат: плохое сохранение емкости аккумулятора.

Исследователи обнаружили, что введение небольшого количества добавки в электролит подавляет перекрестные помехи.

По мере разложения добавки образуются фосфат лития (Li3PO4) и фторид лития (LiF), образующие высокозащитную межфазную фазу катод-электролит — твердый тонкий слой, который образуется на катоде батареи во время циклирования.

«Формируя очень стабильную межфазную границу на катоде, этот защитный слой значительно снижает потери переходного металла на поверхности катода», — сказал Ху. «Уменьшение потерь переходных металлов помогает уменьшить осаждение этих переходных металлов на аноде. В этом смысле анод также в определенной степени защищен. Мы считаем, что подавление растворения переходных металлов является одним из ключевых факторов, которые приводят к значительному улучшение показателей езды на велосипеде».

Добавка к электролиту позволяет циклически использовать слоистый катод с высоким содержанием никеля при высоких напряжениях для увеличения плотности энергии и сохранения 97 процентов его первоначальной емкости после 200 циклов, как обнаружили исследователи.

Сохранение поликристаллического раствора

Но повышение производительности было не единственным впечатляющим результатом для исследователей, сказал Ху.

Самый распространенный катод, богатый никелем, имеет форму поликристаллов — агрегатов многих кристаллов нанометрового размера, также известных как первичные частицы, слипшихся вместе, чтобы сформировать более крупную вторичную частицу. Хотя это обещает относительно простой путь синтеза, поликристаллическую природу обычно обвиняют в том, что она вызывает растрескивание частиц и, в конечном итоге, снижение емкости.

Недавние исследования показали, что катоды на основе монокристаллов могут иметь преимущества перед поликристаллическими аналогами в подавлении образования трещин в частицах. Однако это исследование предполагает, что использование аддитивной инженерии также может эффективно решить проблему растрескивания поликристаллических материалов.

«Наша работа говорит о том, что поликристаллические материалы нельзя исключать из рассмотрения, особенно потому, что их легче изготовить, что может привести к более низкой стоимости». — сказал Ху.

Тан добавил: «В нашей стратегии используется очень небольшое количество добавки для достижения такого значительного улучшения электрохимических характеристик. С практической точки зрения, это может быть недорогим и простым в применении решением».

Забегая вперед, исследователи хотят протестировать добавку в более сложных условиях, чтобы выяснить, смогут ли катодные материалы выдержать еще большее количество циклов для практического использования батареи.

Расширенный анализ

Чтобы понять, как добавка разлагает и защищает поверхность катода, исследователи провели серию синхротронных экспериментов, сказал Тан.

Четыре линии пучка в Национальном источнике синхротронного света-II (NSLS-II), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в Брукхейвене, который генерирует сверхяркие рентгеновские лучи для изучения свойств материалов в атомном масштабе, сыграли разные роли в исследовании.

Ученые использовали канал быстрого рентгеновского поглощения и рассеяния (QAS), чтобы понять процесс растворения переходных металлов — как переходные металлы попадают на сторону анода.

Они использовали луч рентгеновской спектроскопии субмикронного разрешения (SRX) для изучения эффективности новой межфазной фазы в подавлении растворения переходного металла путем картирования количества переходного металла, осажденного на поверхности анода. Эти эксперименты показали, что граница раздела катод-электролит значительно препятствовала миграции переходных металлов к аноду, когда действовала добавка.

Исследователи также использовали линию пучка In Situ и Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS), чтобы охарактеризовать поверхность катода при введении добавки и обеспечить формирование надежной межфазной границы.

И они использовали рентгеновскую порошковую дифракцию (XPD), чтобы изучить кристаллическую структуру катода, чтобы увидеть, изменилась ли она за несколько циклов.

Кроме того, группа координировала свои действия в разных часовых поясах с учеными из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Франция. Там сотрудники использовали рентгеновские лучи, чтобы изучить морфологию и химический состав тысяч электродных частиц, что позволило ученым визуализировать дефекты и плотность энергии.

Для визуализации эволюции структуры поверхности катода во время циклирования и для компьютерного анализа исследователи обратились к возможностям Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории. По словам Ху, эти визуальные и вычислительные исследования помогли команде определить механизм действия добавки.

«Этот проект требовал идеального сочетания передовых технологий и расширенного анализа на всех объектах, чтобы обеспечить решающее понимание воздействия этой добавки на различных уровнях, от частиц до электродов», — сказал Ху. «Анализ в исследовании предлагает статистически надежные и убедительные доказательства того, как это работает».

Помимо Тан, соавторами этого исследования также являются Зулипия Шадике из химического отдела Брукхейвенской лаборатории и Цзижоу Ли, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Исследователи также сотрудничали с экспертами из Исследовательской лаборатории армии США, PNNL, Стэнфордского источника синхротронного излучения, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Вашингтонского университета в Сиэтле.

«С отличной платформой, которую предоставляет Battery 500, у нас есть большой опыт, с которым мы можем работать», — сказал Сяо-Цин Ян, руководитель исследовательской группы электрохимического хранения в Брукхейвене. «Это действительно удивительная работа со многими другими учреждениями внутри и за пределами консорциума Battery500».

Это исследование было поддержано Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии (EERE) Министерства энергетики США, Управлением автомобильных технологий и Управлением науки Министерства энергетики США. Операции на NSLS-II поддерживаются Управлением науки. Исследовательская лаборатория армии США была поддержана Объединенным центром исследований в области накопления энергии, программой Energy Innovation Hub Министерства энергетики США по основным энергетическим наукам (BES). Вклад SLAC был поддержан фондами лабораторных исследований и разработок.

Новый электролит, повышающий стабильность высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов

Ингрид Фаделли, Tech Xplore

Исследователи представили новые принципы дизайна электролита для подавления растворения SEI для высокостабильных высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов.

а, В обычном электролите растворение SEI приводит к непрерывным побочным реакциям и необратимой потере емкости. б. В электролите с низкой сольватацией растворение SEI подавляется, и срок службы батарей может быть увеличен. Кредит: Джин и др.

В ближайшие годы натрий-ионные батареи (NIB) потенциально могут стать отличной альтернативой существующим системам хранения энергии. Несмотря на свои преимущества, в том числе обилие натрия и потенциально длительный срок службы, эти батареи на основе натрия часто менее стабильны, чем батареи на основе лития, из-за нестабильности межфазной фазы твердого электролита (SEI), пассивирующего слоя, который образует на поверхности электродов после многократных циклов работы батареи.

Предыдущие исследования показали, что в НИБ с высоковольтным катодом растворение ТЭИ происходит быстрее, чем в литий-ионных батареях (ЛИА). Это вызывает ряд побочных реакций, а также быстрое истощение электролита и необратимую потерю емкости, что резко снижает стабильность и производительность NIB.

Исследователи Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории недавно разработали новый электролит, который снижает сольватирующую способность SEI на аноде батарей NIB, а также образует стабильный защитный слой для защиты катода. Этот электролит, представленный в статье, опубликованной в Nature Energy , может позволить разработать высоковольтные натрий-ионные батареи, которые будут одновременно стабильными и надежными.

«Наша недавняя статья посвящена новому электролиту, который может стабилизировать анод в высоковольтной (4,2 В) натрий-ионной батарее и увеличить срок ее службы», — сказал Цзи-Гуан Чжан, один из исследователей, проводивших исследование. TechXplore. «Существующие электролиты обычно имеют короткий срок службы при напряжении более 4 В. Основная цель нашей работы состояла в том, чтобы позволить ионно-натриевым батареям работать при более высоком напряжении и увеличить их плотность энергии».

Чтобы NIB сохранял свою стабильность с течением времени, для анода (то есть отрицательно заряженного электрода в батарее) внутри него требуется защитный слой, известный как SEI, с длительным жизненным циклом. Если этот слой растворится во время работы батареи, как это наблюдалось в прошлых исследованиях, производительность батареи резко снизится. Таким образом, чтобы преодолеть ограничения ранее разработанных NIB, Чжан и его коллеги решили разработать новый электролит, который продлит жизненный цикл SEI.

«Наш новый электролит подавляет растворение защитного слоя анода, — объяснил Чжан. «Электролит изготовлен из более стабильной соли (бис(фторсульфонил)имида натрия (NaFSI)) и растворителя с более низкой диэлектрической проницаемостью. В отличие от обычных электролитов, образующих защитный слой, богатый органическими компонентами и легко растворяющийся, новый электролит приводит к образованию защитного слоя, богатого неорганическими компонентами, поэтому он более стабилен при циклировании и хранении».

Исследователи протестировали свой электролит в полной ячейке HC||NaNMC и обнаружили, что он достиг замечательных результатов. В частности, элемент может сохранять более 90% своей емкости после 300 циклов при зарядке до 4,2 В. Эти результаты показывают, что электролит потенциально может позволить производить более стабильные и более эффективные решения для хранения энергии на основе натрия.

«Мы успешно уменьшили растворимость анодного защитного слоя и, таким образом, обеспечили долгосрочную работу высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов», — добавил Чжан. «В наших следующих исследованиях мы планируем еще больше увеличить рабочее напряжение батарей на основе натрия и увеличить срок их службы».

Дополнительная информация: Ян Джин и др., Электролиты с низкой сольватацией для высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов, Nature Energy (2022). DOI: 10.1038/s41560-022-01055-0

Информация журнала: Энергия природы

Цитата : Новый электролит, повышающий стабильность высоковольтных натрий-ионных аккумуляторов (2022, 8 июля) получено 21 ноября 2022 г.