Как приготовить электролит для аккумулятора пропорция: Как приготовить электролит

Содержание

Приготовление электролита для аккумуляторов своими руками

В настоящее время выбор аккумуляторных батарей огромен — в продаже можно найти уже готовые к использованию источники питания, а также сухозаряженные батареи, которые требуют осуществить приготовление электролита и его заливку до начала эксплуатации. Дальнейшее обслуживание аккумуляторов многие часто осуществляют в сервисах. По разным причинам может возникнуть необходимость самостоятельно приготовить раствор. Чтобы это мероприятие увенчалось успехом, следует знать, как сделать электролит в домашних условиях.

Что такое электролит?

Электролит — электропроводящий раствор, содержащий в своём составе дистиллированную воду и серную кислоту, едкий калий или натрий в зависимости от типа источника питания.

Концентрация серной кислоты в АКБ

Этот показатель кислотности напрямую зависит от необходимой плотности электролита. Изначально средняя концентрация этого раствора в автомобильном аккумуляторе — около 40% в зависимости от температуры и климата, в которых используется источник питания. Во время эксплуатации концентрация кислоты падает до 10–20%, что сказывается на работоспособности АКБ.

Вместе с тем стоит понимать, что аккумуляторная серная составляющая — наичистейшая жидкость, которая на 93% состоит непосредственно из кислоты остальные 7% — примеси. На территории России производство этого химиката строго регламентировано — продукция должна соответствовать требованиям ГОСТ.

Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов

Несмотря на то что принцип работы раствора одинаков для разных источников питания, следует знать о некоторых различиях составов. В зависимости от состава принято выделять щелочной и кислотный электролиты.

Щелочные АКБ

Этот вид источников питания характеризуется наличием гидроокиси никеля, окиси бария и графита. Электролит в этом виде аккумуляторов представляет собой 20% раствор едкого калия. Традиционно используется добавка моногидрата лития, которая позволяет продлить срок эксплуатации АКБ.

Щелочные источники питания отличаются отсутствием взаимодействия калийного раствора с веществами, образуемыми во время работы аккумулятора, что способствует аксимальному уменьшению расхода.

Кислотные АКБ

Этот вид источников питания является одним из самых традиционных, поэтому и раствор в них знаком многим — смесь дистиллированной воды и серного раствора. Концентрат электролита для свинцово-кислотных аккумуляторов дешёво стоит и характеризуется способностью проводить ток большой величины. Плотность жидкости должна соответствовать климатическим показателям.

Таблица 1. Рекомендуемая плотность электролита

Другие виды АКБ: можно ли приготовить электролит для них самостоятельно?

Отдельно хотелось бы обратить внимание на современные свинцово-кислотные источники питания — гелевые и AGM. Они также могут быть заправлены собственноручно приготовленным раствором, который в них находится в специфической форме — в виде геля или внутри сепараторов. Для заправки гелевых аккумуляторов понадобится ещё один химический компонент — силикагель, который загустит кислотный раствор.

Кадмиевоникелевые и железоникелевые аккумуляторы

В отличие от свинцовых источников питания, кадмиево- и железоникелевые заливаются щелочным растовром, который является смесью дистиллированной воды и едкого калия или натрия. Гидроксид лития, входящий в состав этого раствора для определённых температурных режимов, позволяет увеличить срок службы АКБ.

Таблица 2. Состав и плотность электролита для кадмиево- и железоникелевых и аккумуляторов.

Железоникелевые источники питания рекомендуется эксплуатировать в тех же условиях, что и кадмиево-никелевые. Однако стоит отметить, что они более восприимчивы к низким температурам. Поэтому их следует использовать до минус 20 градусов.

Как правильно приготовить электролит в домашних условиях: техника безопасности

Приготовление раствора — работа с кислотами и щелочами, поэтому соблюдение мер предосторожности необходимо для самых опытных людей. Перед началом действия подготовьте средства защиты:

  • резиновые перчатки
  • одежду и фартук, устойчивый химическим веществам;
  • защитные очки;
  • нашатырный спирт, кальцинированную соду или борный раствор, чтобы нейтрализовать кислоту и щёлочь.

 Оборудование

Для приготовления аккумуляторного электролита помимо самого источника питания потребуются следующие предметы:

  • ёмкость и палочка, устойчивые к воздействию кислот и щелочей;
  • дистиллированная вода;
  • инструменты для измерения уровня, плотности и температуры раствора;
  • аккумуляторная серная жидкость — для кислотной АКБ, твёрдые или жидкие щелочи, литий — для соответствующих видов АКБ, силикагель — для гелевых аккумуляторов.

 Последовательность процесса: делаем электролит для кислотно-свинцового источника питания

Перед началом работ ознакомьтесь с информацией, приведённой в таблице 3. Она позволит выбрать необходимый объем жидкостей. В аккумуляторах залито от 2,6 до 3,7 литра кислотного раствора. Мы рекомендуем разводить примерно 4л электролита.

Таблица 3. Пропорции воды и серной кислоты.

  • В ёмкость, устойчивую к едким веществам, налейте нужный объем воды.
  • Разбавлять воду кислотой следует постепенно.
  • По окончании процесса вливания замеряйте плотность получившегося электролита с помощью ареометра.
  • Дайте составу отстояться около 12 часов.

Таблица 4. Плотность электролита для разных климатов.

Концентрация кислотного раствора должна соотноситься с минимальной температурой, при которой эксплуатируется аккумулятор. Если жидкость получилась слишком концентрированной, её необходимо разбавить дистиллированной водой.

Смотрите видео, как измерить плотность электролита.

Внимание! Вливать воду в кислоту нельзя! В результате этой химической реакции может возникнуть закипание состава, что приведёт к его расплескиванию и возможности получить кислотные ожоги!

Обращаем ваше внимание, что во время смешивания компонентов выделяется тепло. В подготовленный аккумулятор следует заливать остывший раствор.

Способ развести электролит для щелочного источника питания

Плотность и количество электролита в таких аккумуляторах указана в инструкции по эксплуатации источника питания или на сайте компании-производителя.

Необходимая плотность раствора

Количество твёрдой щелочи равняется количеству электролита, разделенному на

1,17–1,19 г/см³

5

1,19–1,21 г/см³

3

1,25–1,27 г/см³

2

  • Влейте в посуду дистиллированную воду.
  • Добавьте щелочь.
  • Смешайте раствор, герметично его закройте и дайте настояться в течение 6 часов.
  • По истечении времени слейте образовавшийся светлый раствор — электролит готов.

При появлении осадка следует его перемешивать. Если к концу отстаивания он остаётся, слейте электролит так, чтобы осадок не попал в аккумулятор — это приведёт к уменьшению срока его эксплуатации.

Внимание! Во время работ температура щелочного раствора не должна превышать 25 градусов по Цельсию. Если жидкость чрезмерно нагревается, охладите её.

После приведения раствора к комнатной температуре и его заливке в аккумулятор, источник питания необходимо полностью зарядить током, составляющим 10% от ёмкости АКБ (60Ач — 6А).

Как видите, приготовление раствора электролита не такое сложное дело. Главное, следует чётко определиться с необходимым количеством ингредиентов и помнить о безопасности. Вы пробовали развести электролит своими руками? Поделитесь опытом с нашими читателями в комментариях.

Приготовление электролита | Аккумуляторные батареи

Страница 14 из 26

4.3. Приготовление электролита для свинцовых аккумуляторов

Электролит для свинцовых аккумуляторов приготовляется путем разбавления чистой серной кислоты чистой водой. Кислота продается обычно концентрированной, удельного веса от 1,835 до 1,840. При разбавлении концентрированной кислоты раствор сильно нагревается. Во избежание опасности для лица, производящего смешивание, всегда необходимо наливать кислоту в воду, но не наоборот.
Хотя количество теплоты, развиваемой в обоих случаях, одно и то же, однако удельные теплоты воды и концентрированной кислоты совершенно различны. Струя воды, попадая в концентрированную кислоту, освобождает большое количество теплоты, которая благодаря низкой удельной теплоте кислоты вызывает сильное местное повышение температуры. Кислота, приливаемая к воде, не может вызвать столь же большого повышения температуры в силу того, что удельная теплота воды очень высока. Необходимо непрерывно перемешивать раствор все время, пока кислота подливается в воду, для того, чтобы помешать более тяжелой кислоте опуститься на дно сосуда, не смешавшись с водой.

Для смешивания и хранения небольших количеств электролита наиболее подходят сосуды фарфоровые, гончарные или стеклянные; но так как они легко дают трещины, то им следует предпочесть чаны, выложенные свинцом, особенно для более значительных количеств.
Никакие другие металлические сосуды, кроме свинцовых, непригодны.
После разбавления кислоты, до заливки ее в батарею, необходимо подождать, пока она остынет, для того чтобы избежать повреждений пластин и сепараторов.
Охлаждение можно ускорить, пользуясь струей сжатого воздуха, но воздух при этом должен быть чистым.
Избежать сильного повышения температуры при смешивании кислоты с водой можно, применяя вместо воды лед, приготовленный из дистиллированной воды. Понижение температуры происходит вследствие того, что скрытая теплота плавления льда приблизительно равна количеству теплоты, освобождающемуся при растворении серной кислоты. Лед, свободный от воды, можно прибавлять к кислоте непосредственно. Избыток поглощенной теплоты показывает, что раствор должен получить температуру ниже нуля, что и наблюдалось в действительности.
Чтобы облегчить приготовление электролитов любой требуемой концентрации, на рис. 4.1 приведены необходимые пропорции кислоты и воды. Аккумуляторные заводы обычно сообщают сведения о том, какой крепости  кислоту следует применять для каждой данной батареи.

Рис. 4.1. Приготовление электролита любого удельного веса из концентрированной кислоты удельного веса 1,835.
1- содержание серной кислоты, %; 2 – требующаяся добавка воды по объему; 3 – то же по весу.

4.4. Приготовление электролита для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов

Для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов в качестве электролита служит раствор в дистиллированной воде едкого калия (КОН) или едкого натрия (NaOH).

В зависимости от температуры окружающего воздуха в аккумуляторах (табл. 4.1) применяется раствор соответствующей плотности (концентрации) основного компонента электролита в чистом виде или с добавкой едкого лития (LiOH).
Кадмиевоникелевые аккумуляторы рассчитаны на работу на холоде при температуре до – 40°С, причем при температурах +35…–   19°С с составным электролитом, а при более низких температурах, например, – 20…– 40°С с электролитом без добавки едкого лития.
При температурах – 20…– 40°С при отсутствии чистого едкого калия допускается как исключение применять составной электролит из едкого калия и едкого лития повышенной плотности, при этом емкость аккумулятора снижается на 10 – 15%. При отсутствии составного электролита из едкого калия и едкого лития при температуре – 19…+35°С можно воспользоваться составным электролитом из едкого натрия повышенной плотности 1,17 – 1,19 г/см
3
с добавкой на 1 л раствора 20 г едкого лития, но при этом следует учесть, не гарантируется.

Таблица 4.1.
Рекомендуемые состав и плотность электролита для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов при различной температуре окружающего воздуха

Температура воздуха, °С

Рекомендуемый состав электролита

Плотность, г/см3

– 19… +35

Составной раствор едкого калия с добавкой на  1 л   раствора   20 г едкого  лития  аккумуляторного    (моногидрата лития)

1,19 – 1,21

– 20… – 40

Раствор едкого калия

1,25 – 1,27

+10…+50
(в том числе тропики)

Раствор едкого  натрия с добавкой на 1  л раствора  15 – 20 г едкого  лития (моногидрата лития)

1,1 – 1,12

 

Не гарантируется также долговечность аккумуляторов при работе их с электролитом из раствора чистого едкого калия плотностью 1,19 – 1,21 г/см3, т. е. без добавки едкого лития при температуре –19… + 10°С. При работе при температуре + 10…+50°С с рекомендуемым составным электролитом плотностью 1,1–1,12 г/см3 (табл. 5.1) емкость аккумуляторов также снижается по сравнению с номинальной, а долговечность не гарантируется.
Железоникелевые аккумуляторы рассчитаны на работу в тех же условиях и с тем же электролитом, что и кадмиевоникелевые, но они более чувствительны к низким температурам, поэтому могут применяться при температурах не ниже –20° С.
В процессе эксплуатации температурные условия в зависимости от времени года резко изменяются, поэтому для более эффективного использования емкости аккумуляторов их следует заливать электролитом, по составу и плотности соответствующим этим условиям.
Кроме того, необходимо систематически контролировать количество электролита, т. е. следить за уровнем последнего и поддерживать его в установленных пределах.
В аккумуляторах, находящихся в эксплуатации, уровень электролита постепенно снижается вследствие испарения, поэтому его необходимо периодически измерять и при необходимости дополнять до нормы дистиллированной водой. Не реже чем через 10 циклов нужно проверять плотность электролита и также доводить ее до нормы добавлением раствора плотностью 1,41 г/см3 или дистиллированной воды.
Уровень электролита в аккумуляторах должен постоянно находиться выше края пластин не менее чем на 5 мм и не более чем на 12 мм.
Снижение уровня электролита ниже верхнего края пластин или сетки, а также повышение плотности электролита при положительных температурах окружающего воздуха снижают емкость и долговечность последних. Уровень электролита необходимо проверять и доводить до указанной нормы перед каждым зарядом. Он проверяется с помощью стеклянной трубки диаметром 5 – 6 мм с метками на высоте 5 и 12 мм от конца. Для установления уровня электролита в аккумуляторе надо конец трубки с метками ввести через заливное отверстие до упора в пластины или сетку, после чего другой конец трубки закрыть пальцем. Вынув трубку из аккумулятора по высоте столбика электролита в ней, определим уровень электролита над верхним краем пластин или сетки в аккумуляторе. Для снижения уровня электролита в аккумуляторе можно пользоваться пипеткой или резиновой грушей со стеклянным или пластмассовым наконечником длиной около 100 мм. Доливку электролита или дистиллированной воды в аккумуляторы можно производить с помощью пипетки, резиновой груши или кружки через стеклянную воронку, размеры которых подбирают в зависимости от вместимости аккумуляторов. Проверка плотности электролита производится при помощи сифонного ареометра.
Проверку плотности электролита необходимо производить по возможности перед каждым зарядом, в каждом аккумуляторе, хотя и допускается выборочный контроль в 2  – 3 аккумуляторах батареи. В крайнем случае проверка должна проводиться не реже чем через 10 циклов во всех аккумуляторах батареи.
Таким образом, электролит необходим не только для первой заливки аккумуляторов при формировке, но и для замены, поддержания плотности и уровня электролита в действующих аккумуляторах, поэтому его требуется приготовлять и всегда иметь запас.
Для приготовления электролита поставляются следующие исходные материалы:
а)         едкий калий аккумуляторный марки А (твердый) или марки В (жидкий) и едкий литий аккумуляторный;
б)         составная щелочь сорта А – готовая смесь едкого калия и едкого лития в  отношении едкий литий/едкий калий = 0,04…0,045;
в)         едкий натрий аккумуляторный (сода каустическая) сорта А и едкий литий аккумуляторный;
г)         составная щелочь сорта Б – готовая смесь едкого натрия и едкого лития в соотношении едкий литий/едкий натрий = 0,028…0,032.
Перед приготовлением электролита необходимо удостовериться, что имеющиеся в наличии химические ‘компоненты соответствуют приведенным выше требованиям и ГОСТам. Хранить эти материалы необходимо в герметически закрытой таре. Данные материалы могут поставляться как в жидком, так и в твердом состоянии в виде гранул, чешуек, кусков или слитка.
Приготовление электролита следует начинать с определения потребности в нем согласно норме расхода на один аккумулятор при первой заливке, указанной в табл. 4.2.
Определив требуемое количество электролита, приготовим примерно 3/4 этого объема свежей дистиллированной воды. При отсутствии последней допускается применение дождевой воды, собранной с чистой поверхности, или воды, полученной при таянии снега, а также конденсата.

Таблица 4.2
Ориентировочная норма расхода электролита на один аккумулятор при первой заливке


Тип

Норма расхода электролита при первой заливке, л

Тип

Норма расхода электролита при первой заливке, л

АКН-2,25
КН-10
КН-22
ЖН-22
КН-45
ЖН-45

0,04
0,12
0,27
0,27
0,45
0,45

КН-60
ЖН-60
КН-100
ЖН-100
2КН-24
2ФКН-9-I
2ФКН-9-II

0,75
0,75
1,2
1,2
0,47
0,26

Примечание. При приготовлении электролита желательно норму увеличить на 10 – 15 % для создания резерва на отход и другие непредвиденные случаи.
В крайнем случае можно использовать любую сырую чистую питьевую воду  (кроме минеральной).
Затем, пользуясь данными табл. 5.3, определяем необходимое количество химических компонентов: едкого калия или едкого натрия, а также едкого лития для добавки. Расход дистиллированной воды на 1 кг твердой и на 1 л жидкой щелочи для приготовления электролита необходимой плотности приведен в табл. 4.3.

 

Таблица 4.3
Расход дистиллированной воды, необходимой для приготовления электролита для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов

Щелочь

Плотность, г/смз3

Количество воды, л

на 1 кг     твердой щелочи

на 1 кг     жидкой щелочи плотностью 1,41 г/см3

Калиевая или готовая  составная, т. е. с добавкой едкого лития

Калиево-литиевая

Натриевая   или    готовая составная натриево-литиевая

 

1,19 – 1,21

1,25 –  1,27

 

1,17– 1,19

 

3

2

 

5

 

1

0,55

 

1,5

 

Для определения массы твердых щелочей, необходимой по норме, приведенной в табл. 19, достаточно разделить:
на три требуемое количество воды, если необходимо приготовить калиевый или составной калиево-литиевый раствор плотностью 1,19 – 1,21 г/см3;
на два, если необходимо приготовить калиевый электролит для работы при температуре
– 20…– 40° С или составной калиево-литиевый плотностью 1,25 –1,27 г/см3;
на пять, если необходимо приготовить натриевый или составной натриево-литиевый электролит плотностью 1,17 – 1,19 г/см3.
Если составная калиево-литиевая или натриево-литиевая щелочь отсутствуют, а имеется едкий калий, едкий натрий и едкий литий, то расчет потребности в твердых щелочах производится по тому же принципу, как указано выше. Следует иметь в виду, что в частном, полученном в результате деления, учитывается и масса едкого лития.

как сделать для щелочных аккумуляторов

На сегодняшний день рынок аккумуляторных батарей предлагает автолюбителям массу различных вариантов аккумуляторов. Главный критерий, по которому выбираются батареи – долгий срок службы электролита внутри. Можно приобрести сухозаряженные АКБ и потом сделать электролит самостоятельно, либо купить уже готовый вариант, залитый в заводских условиях. После покупки обслуживание можно делать либо своими руками, либо в специальных сервисах. Поэтому важно знать, как готовить электролит своими руками , чтобы в случае необходимости вы были вооружены к самостоятельному обслуживанию АКБ.

Подготовка к процессу

Перед тем как начинать приготовление электролита, нужно подготовить все необходимые для этого вещи. Вам потребуются такие элементы процесса:

  • Специальная эбонитовая или керамическая посуда, объемом не менее 4 литров. Важно, чтобы посуда была стойкая к кислоте.
  • Инструмент для размешивания щелочных материалов. Так как делать это вы будете своими руками, то инструмент также должен тоже быть кислотоустойчивым.
  • Дистиллированная вода.
  • Ареометр.
  • Серная кислота. Обязательно требуется использовать специальную аккумуляторную серную кислоту.

Приготовление сопровождается соблюдением техники безопасности, вам потребуются:

  • Резиновые перчатки.
  • Халат или плотный фартук.
  • Защитные очки для глаз.
  • Нашатырная и борная кислота.

Только имея все необходимое, допускается своими руками готовить электролит.

Приготовление жидкости для АКБ

По правилам техники безопасности, сделать электролит можно будет только после того, как выполняющий все операции человек будет должным образом защищен всеми доступными средствами защиты. Перед тем как приступать к делу, еще раз в голове прокрутите последовательность действий, чтобы ничего не перепутать, проверьте под рукой ли ареометр.

Итак, начинать нужно с промывки всей используемой посуды дистиллированной водой, а после этого посуда обязательно должна высохнуть. Также нужно сказать, что между приготовлением электролита с нуля и доливкой в аккумулятор есть существенная разница. Когда у вас ареометр показал упавшую плотность в АКБ, то вы должны долить внутрь только воды, ни в коем случае не кислоты. Когда же вы готовите электролит с нуля, то в емкость сперва наливается вода, а потом кислота. Эти два момента ни в коем случае нельзя путать – это крайне важно для того, чтобы правильно приготовить электролит своими руками.

Все дело в том, что серная кислота продается концентрированная, из расчета на емкость стандартных видов аккумуляторов. При соприкосновении с водой начинается химическая реакция, при этом если перепутать ингредиенты, то реакция начнет сопровождаться всплесками и значительным увеличением температуры. Во время изготовления жидкость нужно помешивать с помощью кислотоустойчивой палочки.

Критерии изготовления

При готовке электролита для щелочных аккумуляторов, нужно в руководстве по эксплуатации обязательно посмотреть рекомендуемое значение плотности. В большинстве случаев плотность привязывается к +25°С – это позволит исключить вероятность замерзания и повреждения аккумулятора вследствие этого. Если же у вас температура отлична от этого показателя, то используя ареометр, вам своими руками нужно будет увеличить плотность. Это делается в пропорции 0.035 единиц на 5 градусов. Соответственно, если температура ниже, то плотность понижается по такому же принципу. Также обязательно для щелочных аккумуляторов нужно измерить изначальную плотность серной кислоты. В концентрированном варианте она равна 1.83 г/см3, если вы покупаете готовый электролит, то плотность 1.43 г/см3.

Делаем электролит для АКБ собственноручно | Описания, разъяснения | Статьи

Без электролита не возможен процесс накопления энергии. На данный момент технологии стремятся вверх и источники питания уже с завода заправляются электрохимической жидкостью и заряжаются, по сути вам нет нужды что-либо делать, данный аккумуляторные батареи именуют как необслуживаемыми, у них в пластинах имеются части «кальция» и «серебра».

Однако, так было не во а все времен, еще в Советском Союзе огромная популярность была у сурьмянистых аккумуляторных батареях, а вот они в свою очередь, как правило шли сухозаряженные («залить» и «зарядить» необходимо было вам самим). Всем владельцам АКБ необходимо знать, что такое этот электролит? Это токопроводящая жидкость, какая под влиянием своего состава на свинцовые пластины может помогать при накапливанию или отдаче электрического тока.

Как раз, почти все жидкости на Земле могут быть электролитом, в той или другой мерой. В частности, обыкновенная вода! К тому же, в человеческой крови, тоже иметься понятие электролита, наши с вами нервные клетки передают импульсы как раз через нее.

СОСТАВ ЭЛЕКТРОЛИТА

Именно, тут нет ничего трудного. Вам необходимо смешать серную кислоту и дистиллированную воду в необходимой пропорции. Стандартная «водопроводная» вода не подойдет, ибо в ней иметься огромное количество различных примесей солей, примесей хлора и другого, все это пагубно влияет на пластины источника питания! Электролит автомобиля имеет необходимую концентрацию, ее отзеркаливает плотность готового состава, как правило она колеблется от 1,23 до 1,29 г/см3. Различные значения контролирует температурные зоны Украины. Так плотность в 1,23 г/см3 применяется в теплых регионах, а 1,29 (и даже больше) в холодных. Не стоит забывать, что если значения плотность мало, то аккумулятор автомобиля элементарно может замерзнуть при кране сильном холоде.

КАК ПРОИЗВЕСТИ СОБСТВЕННОРУЧНО РУКАМИ

Перед тем как начать это, вам необходимо знать, что всякие операции по изготовлению электролита своими руками очень опасны для вашего здоровья! Ибо нам необходимо будет трудиться с серной кислотой в огромных концентрациях. НА вас непременно должны быть одеты защитные средства, для рук, тела, дыхательных путей.

ЧТО БУДЕТ НЕОБХОДИМО:

  • Серная кислота плотностью более чем 1,83 г/см3
  • Дистиллированная вода
  • Фарфоровая посудина

Процесс производства крайне легок, нам необходимо смешать наши ингредиенты в необходимой пропорции. В частности, в процессе изготовления выделяется обильное количество тепла, вследствие этого не стоит применять стеклянные емкости, они элементарно могут лопнуть. Безупречно для этого вам подойдет фарфор, далее, когда температура состава уменьшиться, можно перелить в стеклянную или пластиковую тару.

Далее, смешиваем ингредиенты и меряем плотность одержанного состава ареометром, после того как дошли до необходимого показателя — электролит готов.

Как бы там ни было, ареометр есть ни у каждого в гараже! Оттого, тут стоит немного помочь, какое количество и что добавлять. Для плотности электролита:

1,23г/см3 – необходимо в литр дистиллированной воды, долить 280грамм серной кислоты

1,25г/см3 – на 1л. воды 310грамм кислоты

1,27г/см3 – на 1л. – 345грамм

1,29г/см3 – на 1л. – 385гр.

Вот так вот, можно собственноручно приготовить электролит, больше ничего не требуется!

ЭЛЕКТРОЛИТ В ЗАРЯЖЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

При разрядах плотность электролита может уменьшаться. Это случается, ибо кислота, объединяясь со свинцом, обосновывается в виде сульфатов на пластинах. Необходимо совершить процесс подзарядки аккумуляторной батареи и сульфаты приниматься распадаться, концентрация возобновляется.

Как бы там ни было, при глубоких разрядах, сульфаты создадут крупные кристаллы, какие тривиально запаковывают пластины, да и плотность критически падает.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Изготовление электролита для аккумуляторной батареи своими руками

Автор Aluarius На чтение 7 мин. Просмотров 559 Опубликовано

Специфика работы аккумуляторных батарей основана на взаимодействии электролита – смеси серной кислоты и дистиллированной воды с поверхностью металла способного к ионизации. Но только ли серная кислота применима для изготовления электролита или существуют другие виды и возможности? В данной статье будет подробно разобран вопрос о типах аккумуляторных батарей и электролитов для акб.

Что из себя представляет электролит и зачем его использовать

С химической точки зрения электролит представляет собой смесь из кислоты или растворенных солей металлов с дистиллированной водой.

Данный раствор обладает следующими свойствами:

  • Плотность должна варьироваться в диапазоне от 1,1 до 1,3 гр/см³. Параметр можно измерить самостоятельно при приготовлении раствора с помощью денсиметра или ареометра.
  • Однородность. Жидкость должна быть прозрачной, без замутнений и инородных вкраплений.

Важно! При эксплуатации электролит нуждается в периодическом пополнении дистиллированной водой. Если использовать простую воду, то устройство может прийти в негодность во время эксплуатации.

Раствор солей металлов или кислоты с дистиллированной водой необходим в аккумуляторной батарее для накопления энергии. Жидкость является токопроводящей, и именно от ее качества зависят эксплуатационные характеристики АКБ. 

Состав 

Электролит для аккумуляторов подразделяется по качественному составу с одним постоянным компонентом – дистиллированной водой. Второй компонент варьируется для щелочных и кислотных аккумуляторов – это щелочной остаток, полученный из растворения металлов или концентрированная серная кислота.

Важно! Также существуют гелиевые аккумуляторы, но они имеют малое распространение из-за дороговизны и трудностей с подзарядкой.

Пропорции дистиллята к щелочи или кислоте зависят от мощности и энергоемкости батареи. Необходимо придерживаться плотности до 1,3 г/см3. В противном случае аккумулятор будет быстро разряжаться и перестанет выполнять свои функции.

Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов

Разные типы АКБ подразделяются не по конструктивным особенностям, а по составу «рабочей» жидкости. В настоящее время максимальное распространение имеют следующие технические разновидности.

Щелочные АКБ

Такое название они получили по составу электролита. За основу применяют едкий калий с химической формулой – КОН и щелочной натрий – NaOH.

Основными преимуществами данных моделей являются:

  • Высокая энергоемкость.
  • Способность долго переносить полную разрядку.
  • Устойчивость к вибрации.

Недостатки:

  • «Память» аккумулятора. Со временем значения максимального заряда снижается.
  • Более опасны для экологии, если в составе используются соли кадмия.

Кислотные АКБ

Второе их название свинцово-кислотные, так как подзарядка и накопление происходит при взаимодействии раствора серной кислоты – h3Sо4 со свинцовыми электродами. Кислота серная для аккумуляторов сама по себе приобретает свойства электропроводности, если в составе появляются примеси металлов.

Такие батареи максимально востребованы из-за следующих преимуществ:

  • Доступная цена, низкая себестоимость.
  • Длительный срок эксплуатации.
  • Простота в обслуживании при самостоятельной подзарядке.

Также есть ряд существенных недостатков:

  • АКБ может храниться только в заряженном виде.
  • Чувствительны к перезарядам, полной разрядке.
  • Электролит кислотный для аккумуляторов выделяет испарения, опасен для экологии.
  • Неправильная подзарядка может привести к воспламенению.
  • Перемерзают и перестают работать в зимний период.

Недостатки свидетельствуют о том, что кислотные акб морально устаревают. Все больше пользователей отдают предпочтение щелочным моделям в следующем исполнении.

Кадмиевоникелевые АКБ

Их основная особенность в том, что электрод имеет пористую структуру, которая покрыта тонким слоем никеля. Это позволило производить рекомбинацию газов, возникающих при зарядке, без их специального отвода.

Данные модели имеют следующие преимущества:

  • Быстрый заряд даже если аккумулятор длительное время был разряжен.
  • Более 1000 циклов зарядки/разрядки.
  • Эксплуатируются при низких температурах.
  • Длительный срок хранения.
  • Низкая стоимость.

Недостатки:

  • Низкий сегмент энергетической емкости.
  • Необходимо периодически выполнять подзаряд даже для рабочей батареи.
  • Токсичность.
  • После длительного хранения требуется подзарядка даже при соблюдении условий хранения.

Железоникелевые АКБ

В качестве основного материала используются положительно и отрицательно заряженные пластины из железоникелевого сплава. Пластины состоят из ряда трубок, которые соединены между собой. При работе аккумуляторной батареи происходит окисление пластин в водном растворе серной кислоты с накоплением заряда. Этот процесс называют гальваническим наполнением энергоемкости.

Необходимое оборудование

Для приготовления электролита необходимо использовать специальное оборудование, которое представляет собой гальваническую ванну.

Она состоит из:

  1. Бортового насоса.
  2. Крышки.
  3. Крана для агрессивных сред.
  4. Уровнемера.

Все конструктивные элементы должны обладать прочностью и герметичностью, которая достигается за счет применения полимерных материалов, инертных к агрессивным средам.

Как самостоятельно приготовить электролит для аккумулятора

Кроме специального заводского оборудования, жидкость для аккумуляторов можно приготовить самостоятельно в домашних условиях.

Оборудование

Для того чтобы приготовить электролит в условиях дома или гаража, необходимо подготовить следующие приспособления и материалы:

  • Сосуд из пластмассы, керамики, свинца или эбонита.
  • Пестик для смешивания из аналогичного материала.
  • Дистиллированная вода.
  • Жидкая щелочь или кислота.
  • Инструменты для измерения уровня и плотности жидкости.

Кроме того, необходимо позаботиться о средствах СИЗ:

  • Резиновых перчатках с нарукавниками.
  • Очках.
  • Респираторе.

Важно! Кислоты и концентрированные щелочи являются крайне опасными для кожных покровов, вызывают сильные ожоги.

Кислотный состав

Сама по себе серная кислота в качестве концентрированного вещества имеет плотность в 1,84 г/см3. Имеет в своем составе водород, который и выделяется при зарядке кислотных аккумуляторов и солевой остаток соединения серы и кислорода. В совокупности получается жидкое активное вещество, которое способно окислять и ионизировать металлы с накоплением электрического заряда.

Важно! Кислота тонкой струйкой вливается в воду, если сделать наоборот, то вода моментально закипит на поверхности кислоты с образованием пара. Это однозначно ситуации, когда на раскаленную сковородку выливается стакан холодной воды.

На щелочной основе

Щелочной электролит для аккумуляторов состав:

  • Активная щелочь на основе водорода и щелочноземельных металлов, типа натрия (Na).
  • Стабилизатор с водородно-кислородным остатком.

В итоге получается вещество, активно воздействующее на металлы вроде кадмия или никеля, ионизируя на поверхности металлических стержней электрический заряд, который накапливается в емкости аккумулятора.

Способ развести электролит для щелочного источника питания

Если электролит готовится под конкретную аккумуляторную батарею, то необходимо ознакомиться с сопутствующей инструкцией по эксплуатации, где будут указаны параметры плотности.

Если для приготовления раствора на щелочной основе используется твердая щелочь, то необходимо придерживаться следующих значений:

Необходимая плотность раствора Количество твёрдой щелочи равняется количеству электролита, разделенному на
1,17–1,19 г/см³ 5
1,19–1,21 г/см³ 3
1,25–1,27 г/см³ 2

Поэтапное приготовление:

  • В тару вливается дистиллированная вода.
  • Добавляется щелочь.
  • Раствор смешивается до однородной полупрозрачной массы и выстаивается в закрытой таре не менее 5 часов.
  • По истечении времени электролит считается готовым.

Важно! Если в таре выпал осадок, то он не должен попасть в аккумулятор. Наличие осадка снизит срок эксплуатации и рабочие характеристики батареи.

Возможные сложности в работе

Сложности могут быть вызваны специфическим поведением щелочей и кислот при смешивании их с водой. Если используется дистиллят с примесью обычной воды, то электролит может вспениться и помутнеть. Использовать такую жидкость категорически не рекомендуется.

Процесс смешивания кислот с водой сопровождается выделением тепла и парением, что также может вызвать сложности при самостоятельном изготовлении.

Безопасность при домашнем приготовлении

Как уже было сказано, кислоты и щелочи являются агрессивными химическими соединениями, которые опасны при попадании на открытую кожу. Какой электролит заливать в аккумулятор – щелочной или кислотный, зависит от конкретной модели, но правила безопасности остаются однотипными:

  • Следует подготовить рабочее место. Закрыть его полимерной пленкой, которая инертна к кислотам.
  • Использовать СИЗ.
  • Производить все работы в проветриваемом помещении.
  • В случае работы с кислотой необходимо держать под рукой флакон с жидким мылом – его легкая щелочная основа позволит нейтрализовать действие кислоты на коже.

Важно! Также можно использовать густой раствор пищевой соды.

В статье были представлены приемы приготовления различных по составу электролитов. Используя полученные сведения, можно не только обезопасить себя при производстве работ, но и получить качественный и энергоемкий раствор для работы аккумуляторной батареи.

Виды, Составы и Как приготовить

В настоящее время выбор аккумуляторных батарей огромен — в продаже можно найти уже готовые к использованию источники питания, а также сухозаряженные батареи, которые требуют осуществить приготовление электролита и его заливку до начала эксплуатации. Дальнейшее обслуживание аккумуляторов многие часто осуществляют в сервисах. По разным причинам может возникнуть необходимость самостоятельно приготовить раствор. Чтобы это мероприятие увенчалось успехом, следует знать, как сделать электролит в домашних условиях.

Что такое электролит и для чего он нужен

Электролит представляет собой кислотный или щелочной раствор, который принимает участие в химической реакции. Во время зарядки батареи, плотность токопроводящей жидкости повышается, поэтому по этому параметру можно довольно точно судить о степени заряженности аккумулятора.

Важно не только наличие токопроводящей жидкости в батарее, но также и качество смеси. Если приготовление раствора серной кислоты или щёлочи с водой производилось с нарушением технологии, то аккумулятор будет работать нестабильно либо полностью выйдет из строя в течение непродолжительного времени.

Срок службы

Сроков годности жидкость в аккумуляторе не имеет. Пока электролит справляется со своими функциями считается годным для употребления. Если раз в три месяца производить осмотр АКБ, делать профилактику, правильно эксплуатировать батарею, то кислота прослужит долго.

В настоящее время владельцы авто переходят на современные аналоги, в которых рабочая жидкость находится в виде геля. Такие устройства не требуют обслуживания. Требуется контролировать уровень заряда.

Помните! Серная кислота и пролитый электролит очень опасны для окружающей среды. Зная какую кислоту добавляют в аккумулятор нельзя выбрасывать АКБ на свалку. Проще и выгоднее сдавать их в пункт приема.

Виды электролита

Электролиты бывают двух основных видов:

  • Кислотный.
  • Щелочной.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в аккумуляторах, применяемых для запуска двигателя автомобиля. Такие вещества можно приобрести в специализированных магазинах либо приготовить самостоятельно. На заводе такие смеси делают по ГОСТу, в домашних условиях также можно довольно точно соблюсти необходимые пропорции при смешивании кислоты с водой.

Щелочная смесь может быть приготовлена с использованием различных активных веществ, но наиболее часто применяется кальциево-литиевая основа, которая разводится необходимым количеством дистиллированной воды.

Кислотный электролит

Кислотную токопроводящую жидкость можно готовить самому из концентрированной серной кислоты.

Состав. В состав кислотного электролита входят два вещества:

  • Кислота.
  • Дистиллированная вода.

В качестве основного вещества чаще используется серная кислота, которая практически не имеет запаха, не испаряется при комнатной температуре. По электропроводимости и другим важнейшим характеристикам этот элемент также наиболее подходит для заливки в свинцовые аккумуляторные батареи.

Особенности химических свойств. Основной характеристикой кислотного аккумулятора является его плотность. Этот параметр может существенно отличаться в зависимости от степени заряженности батареи, но не должен быть ниже 1,26 и выше 1,30 г/мм3.

Температура замерзания аккумуляторной жидкости напрямую зависит от её плотности, но если этот показатель опустится ниже минус 75 градусов Цельсия, то токопроводящая жидкость даже в полностью заряженном аккумуляторе превратится в лёд.

Серная кислота является едким веществом, поэтому при работе с этим веществом, следует использовать индивидуальные средства защиты. Как минимум, следует применять защитные очки и резиновые перчатки.

Применение. Кислотный электролит применяется, в основном, в свинцовых аккумуляторах. Такие источники тока используются в качестве стартерных батарей в легковом и грузовом транспорте.

Как приготовить. Чтобы приготовить самостоятельно потребуется следующие материалы и инструменты:

  • Устойчивую к воздействую кислоты посуду и лопатку для помешивания раствора.
  • Дистиллированную воду.
  • Аккумуляторную серную кислоту.

Перед выполнением работы следует позаботиться о безопасности. Чтобы защититься от возможного негативного воздействия необходимо подготовить:

  • Защитные очки.
  • Устойчивый к кислоте фартук.
  • Резиновые перчатки.
  • Соду для нейтрализации действия кислоты.

Процесс приготовления осуществляется в такой последовательности:

  • В ёмкость наливают необходимое количество воды.
  • Тонкой струйкой добавляют концентрированную кислоту.
  • Перемешать стеклянной или пластиковой лопаткой получившийся раствор.
  • Дать отстояться смеси в течение 12 часов.

Для приготовления 1 литра смеси необходимой плотности потребуется 0,781 л воды и 0,285 л серной кислоты.

Инструкция по приготовлению

После подготовки материалов и защитной экипировки можно приступить к смешиванию компонентов. Процедура приготовления сернокислотного или щелочного электролита не отличается сложностью. Полученные реагенты не рекомендуется хранить в домашних условиях: жидкость заливается в банки аккумулятора, который необходимо зарядить. Хранение батареи в разряженном состоянии не допускается, поскольку происходит разрушение электродов и деградация активной массы.

Кислотный состав

Работы выполняются в проветриваемом помещении при температуре воздуха не более 25°С. Перед смешиванием компонентов следует выяснить объем жидкости, необходимый для заправки аккумулятора. Автомобильные батареи емкостью 50-60 А*ч имеют корпусы, вмещающие до 3,7 л электролита. Рекомендуется изготовить немного больше рабочей жидкости (на 200-300 мл). Также необходимо определиться с плотностью электролита, зависящей от климатической зоны. Чем ниже температура окружающей среды, тем выше должна быть стартовая плотность электролита.


Например, для регионов Крайнего Севера с минимальной температурой зимой до -50°С рекомендуется заливать жидкость плотностью 1,27 г/см³ (после зарядки параметр возрастает до 1,29 г/см³). В средней полосе применяется раствор плотностью 1,28 г/см³. Для получения электролита необходимо взять 1 л дистиллированной воды и 360 мл серной кислоты.

Для получения раствора, рассчитанного на эксплуатацию в южных регионах, требуется 330 мл кислоты (расчетная плотность – 1,24 г/см³).

Краткий алгоритм приготовления раствора:

  1. Налить в емкость дистиллированную воду.
  2. Влить тонкой струйкой необходимый объем серной кислоты, одновременно размешивая раствор стеклянной палочкой. Ускоренное смешивание компонентов запрещается.
  3. Произвести предварительный замер плотности, а затем выдержать жидкость на протяжении 10-12 часов для полноценного перемешивания компонентов.
  4. Повторно измерить плотность ареометром. Если параметр отличается от требуемого значения в меньшую сторону, то в смесь вводится дополнительная кислота. При повышенной плотности электролит необходимо разбавить дистиллированной водой.
  5. Залить раствор в банки аккумулятора, который предварительно очищается от отработавшей жидкости. После проведения зарядки необходим контрольный замер плотности, при этом значение корректируется введением дополнительной серной кислоты или доливкой дистиллированной воды. Следует помнить, что замер плотности будет корректным только при полностью заряженной батарее.

На щелочной основе

При приготовлении щелочного раствора необходимо учитывать агрегатное состояние щелочи, которая поставляется в виде гранул или в жидком состоянии (в смеси с водой). Твердый материал засыпается в воду (дистиллированную) и растворяется размешиванием смеси стеклянной палочкой. Соотношение компонентов раствора указывается на заводской этикетке, наклеенной на боковой части источника питания.


Плотность раствора зависит от климатической зоны, чем ниже температура окружающей среды, тем большую плотность должен иметь электролит. Например, при температуре до -19°С используется электролит плотностью до 1,21 г/см³, для улучшения характеристик практикуется введение 20 г на литр едкого лития.

Аналогичный по составу раствор используется в аккумуляторах, работающих в условиях повышенных температур. При использовании батареи при температуре от -40°С плотность необходимо довести до 1,28 г/см³.

Распространенные пропорции сухой щелочи и воды:

  • для формирования раствора плотностью от 1,17 до 1,19 г/см³ необходимо ввести 1/5 сухого компонента в 4/5 воды;
  • при внесении 1/3 щелочи в 2/3 воды плотность смеси повышается до 1,19-1,21 г/см³;
  • для получения раствора с минимальной температурой застывания необходимо смешать сухую щелочь и воду в равных пропорциях (плотность до 1,27 г/см³).

Полученный реагент необходимо выдержать в помещении на протяжении 6 часов, емкость закрывается герметичной крышкой. При контакте с воздухом происходит деградация электролита, ухудшающая электрохимические свойства раствора. Часть щелочи выпадает в осадок, для заливки в банки батареи используется осветленная фракция (находится в верхней части резервуара) без примесей. Попадание твердых частиц в полость банок вызывает замыкание отрицательных и положительных электродов, приводящее к ускоренному саморазряду источника постоянного тока.

Щелочной электролит

Щелочной электролит имеет свои преимущества и недостатки, но такой состав также широко используется в качестве токопроводящей жидкости в портативных источниках питания.

Состав. В состав аккумуляторного электролита щелочного типа могут использоваться едкий калий или едкий натрий. Для улучшения эксплуатационных характеристик к щелочной основе добавляют также литиевые соединения. Для придания смеси текучести её разбавляют дистиллированной водой.

Особенности химических свойств. Все щелочные аккумуляторные жидкости – это сильные основания, которые активны по отношению к многим металлам и кислотам.

В результате химических реакций с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей также подвергаются гидролизу. Перечисленные химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электроэнергии в аккумуляторе.

Применение. Применение щелочных растворов сводится в основном к заправке аккумуляторных батарей. Такие источники электрического тока используются в различных приборах, электропогрузчиках, а также в качестве стартерных батарей для военных машин.

Как приготовить. Чтобы приготовить щелочной электролит следует придерживаться определённых правил. Прежде всего, необходима вместительная посуда, изготовленная из устойчивого к щелочи материала. Процесс приготовления следующий:

  • В ёмкость заливается необходимое количество дистиллированной воды.
  • В жидкость аккуратно всыпается сухая щёлочь. Затем смесь помешивают с помощью пластмассовой лопатки.
  • Производится анализ плотности. При необходимости добавить сухую смесь или воду.
  • Отстаивается раствор в течение 3 часов.
  • Переливается электролит в другую ёмкость, стараясь не допустить поднятия осадка со дна ёмкости.

Если вся работа была произведена по инструкции, то можно получить качественный электролит, который заливают затем в аккумуляторы подходящего типа.

Меры предосторожности

Как уже было сказано выше использование перчаток и очков является обязательным условием при выполнении работ с щелочными растворами. Игнорирование этого правила может привести к очень серьёзным последствиям. Например, можно получить серьёзные ожоги слизистой оболочки глаз или повредить кожные покровы верхних конечностей.

Если в результате выполнения работ попадания едкого вещества на кожу не удалось избежать, то поражённые участки следует немедленно промыть большим количеством воды, с добавлением уксуса или лимонной кислоты. Про попадании электролита в глаза также необходимо промыть поражённый орган зрения и немедленно обратиться за медицинской помощью.

При работе с элетролитом и зарядке батареи не рекомендуется курить или разводить открытый огонь в помещении. Несоблюдение этого требования может закончиться взрывом горючего газа, который может образоваться в процессе протекания химических реакций.

Корректирующий электролит

В процессе эксплуатации обслуживаемых аккумуляторов в банки может быть случайно добавлено слишком большое количество дистиллированной воды, что приведёт к падению плотности токопроводящей жидкости ниже допустимого уровня.

Решается эта проблема приготовлением и заливкой корректирующего электролита повышенной плотности.

Состав. Состав корректирующего раствора не отличается от основного электролита. Например, дли свинцово кислотных АКБ необходимо также развести серную кислоту в дистиллированной воде, но пропорции будет немного отличаться (для получения 1 литра электролита необходимо придерживаться соотношения 0,650 л воды и 0,423 кислоты).

Особенности химических свойств. Химические свойства корректирующего электролита практически не отличаются от основной токопроводящей жидкости. Физические параметры могут незначительно отличаться (более низкая температура замерзания).

Применение. Единственное применение корректирующего электролита – это восстановление оптимальной концентрации кислоты или щёлочи внутри банок аккумулятора.

Как приготовить. Для приготовления корректирующего состава необходимо разбавить чистое основное вещество в дистиллированной воде, но добавлять его необходимо немного больше, чем при производстве обычного электролита.

Последовательность операции также не отличается от стандартной схемы работы с едкими веществами для приготовления токопроводящей жидкости для аккумулятора.

Какой электролит в какой аккумулятор заливается

Если залить в аккумулятор неподходящий электролит, то АКБ будет полностью выведена из строя. Тип аккумулятора, как правило, указан на корпусе изделия, поэтому совершенно несложно установить принадлежность источника питания к определённой категории.

Если этикетка отсутствует, то можно взять небольшое количество электролита и с помощью тестов определить его состав. В свинцово-кислотные аккумуляторы заливаются электролиты на основе серной кислоты. Для щелочных источников питания можно использовать растворы KOH и NaOH.

При добавлении электролита в щелочные устройства следует также точно определить химическую формулу применяемого основания. Отличить одну щёлочь от другой можно по цвету пламени. Если добавить в костёр KOH то цвет огня изменится на красно-фиолетовый, NaOH – горит жёлтым свечением.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Составляющий компонент строения АКБ

Без наличия в аккумуляторе электролита не будет выполняться его основная функция, так как вещество является активатором заряда и разряда. В емкости устройства жидкости должно быть много, и, соответственно, вес аккумулятора не маленький. Примерное соотношение конструкции представляет до 20 % веса жидкости, до 25 % пластика и свинцовая составляющая достигает до 80 % веса. Плюсовые пластины состоят из диоксида свинца, минусовые монолитные пластины — чистый свинец. Пластины служат для сборки пакетов, способствующих накоплению заряда.

Следует отметить, что АКБ различается по моделям, и, в частности, модель 55 А/ч относится к одной из самых легких, какую можно встретить в легковых автомобилях достаточно часто. Ее вес не превышает 16 кг. Есть более компактные модели с незначительным весом, как, например, 40 А/ч и другие варианты.

Что такое электролит для аккумуляторов и как его приготовить?

Электролит – одна из основных составляющих аккумуляторных батарей, которые дают возможность запуска автомобиля. Он бывает нескольких видов, различающихся по своему составу. Своевременный контроль за количеством и качеством электролита в аккумуляторе позволит избежать преждевременный выход аккумулятора из строя и сэкономить на покупке нового устройства.

Содержание статьи

Виды, состав и особенности

На данный момент различают три вида электролитов для аккумуляторов, для щелочных аккумуляторов — щелочной, а для кислотных — кислотный, но так же выделяют и корректирующий электролит, необходимый при обслуживании батарей.

Как определить кислотный аккумулятор или щелочной? Проще всего это сделать по маркировке корпуса и по материалу, из которого он сделан. Корпус кислотных АКБ всегда изготавливается из специального пластика, тогда как щелочные батареи могут быть сделаны из металла. Так же можно определить протестировав каплю электролита из аккумулятора: кислотный электролит вступит в реакцию с содой или мелом.

Кислотный

Представляет собой смесь серной кислоты, составляющей тридцать пять процентов всего состава, и дистиллированной воды, которая занимает оставшиеся шестьдесят пять. Данный состав в аккумуляторе находится в емкости со свинцовыми пластинами, при контакте этих элементов и происходит выработка тока.

Преимущества кислотного электролита:

  • Высокий уровень КПД
  • Слабая потеря заряда при бездействии
  • Выдача высокого стартового тока
  • Невысокая стоимость

Недостатки:

  • Чувствительность к перепадам температур
  • Неэкологичность
  • Необходимость регулярного контроля плотности состава

Следует отметить, что кислотный электролит используется в большинстве моделей аккумуляторных батарей для автомобилей, так как только он способен давать достаточное количество тока для запуска двигателя. При этом аккумуляторы, изготовленные с использованием данного раствора, делятся на две группы:

  • Обслуживаемые
  • Необслуживаемые

Первый вид обеспечивает легкий доступ к содержимому банок. В них можно замерять плотность электролита, при необходимости заливать дистиллированную воду и электролит, просто открутив крышки с банок.

В случае с необслуживаемыми моделями провести подобные действия также возможно, однако для этого нужно самостоятельно вскрыть устройство, провести нужные действия, а затем герметично их закрыть. В подобных случаях могут быть использованы дрель и сварочный аппарат.

Проводить замену электролита в необслуживаемых моделях стоит только в тех случаях, когда их гарантийный срок истек. Часто это производится исключительно для получения опыта проведения подобных операций.

Щелочной

Щелочной электролит состоит из гидроокиси калия, натрия, лития или всех этих составляющих в комплексе, разведенных в воде.

К достоинствам данного вида относятся:

  • Длительный период службы
  • Способность сохранять свойства при значительных перепадах температуры
  • Гораздо меньшее выделение вредных газов в атмосферу
  • Способность выдерживать встряски
  • Неприхотливость в обслуживании

Недостатки:

  • Меньшая величина электродвижущей силы по сравнению с кислотными
  • Отсутствие способности подачи стартового тока для запуска двигателя
  • Более высокая стоимость

Несмотря на долгий срок службы, неприхотливость и другие преимущества применение данного вида электролита в автомобильной промышленности ограничено. Виной тому неспособность выработки достаточного уровня стартового тока, необходимого для запуска двигателя. К минусам также относятся их внушительные габариты.

Однако устройства на щелочном электролите успешно применяются в обеспечении током тяговых и локомотивных составов.

Важно! Перед осуществлением замены следует убедиться, что аккумулятор именно щелочной. В противном случае АКБ можно полностью вывести из строя.

Корректирующий

Данный электролит является специальным составом с высоким содержанием активных веществ, используемый для повышения плотности электролита аккумулятора. Он предназначен для повышения концентрации активных веществ в батарее. 

В продаже можно встретить следующие виды корректирующего электролита:

  • Твердый калиево-литиевый
  • Жидкий калиево-литиевый с различной плотностью
  • Жидкий кислотный

Корректирующий электролит можно изготовить самостоятельно, имея под рукой необходимые для этого составы, однако зачастую его проще купить, так как стоимость его более чем доступна.

Как пользоваться корректирующим электролитом:

  • Удалить из банок немного электролита
  • Долить в них такое же количество корректирующей жидкости
  • Установить АКБ на заряд номинальным током для запуска процесса смешивания полученного состава на полчаса
  • Оставить батарею на остывание на пару часов
  • Произвести замер плотности и при необходимости отрегулировать его снова

При повторной коррекции количество заменяемого электролита следует уменьшить.

Как приготовить самостоятельно

Перед тем, как самостоятельно заменить электролит для аккумулятора, необходимо принять соответствующие меры безопасности и приготовить предметы индивидуальной защиты:

  • Перчатки
  • Фартук
  • Защитные очки
  • Раствор соды на случай попадания средства на кожу или предметы одежды
  • Уксус или лимонную кислоту – для нейтрализации щелочи

Проводить действия следует в хорошо проветриваемом помещении с температурой воздуха не выше +25 C°. Следует заранее знать, какой объем готового электролита потребуется для заполнения батарей. В среднем, в современных АКБ количество раствора составляет от 2,6 до 3,7 литра. Поэтому стоит сразу ориентироваться на максимальное количество. За основу можно взять 4 литра конечного раствора.

Для приготовления электролита необходимо заранее приготовить следующие предметы:

  • Посуду достаточной емкости, изготовленную из материала, устойчивого к воздействию кислоты и щелочи
  • Небольшую палочку для перемешивания электролита
  • Инструменты для проведения замеров плотности, температуры и уровня раствора
  • Для кислотного электролита – серную жидкость, для щелочного – щелочь в твердом или жидком виде, литий или силикагель

Важно! Все используемые материалы должны быть химически нейтральными для исключения возникновения ненужных реакций при их соприкосновении. В качестве емкости вполне подойдут обычные стеклянные банки.

Процесс приготовления щелочного электролита

Ингредиенты для приготовления данного состава могут быть как в жидком виде, так и в твердом. Если с первым все понятно, то перед тем как залить, щелочной электролит из твердого вещества потребуется развести в дистиллированной воде.

Требуемая плотность указывается на сайте производителя аккумулятора, также информацию можно найти в прилагаемой инструкции по эксплуатации. Твердый электролит берется пропорционально нужному количеству окончательного жидкого раствора и составляет:

  • 1/5 – для получения раствора плотностью 1,17-1,19 г/м³
  • 1/3 – для раствора плотностью 1,19-1,21 г/м³
  • 1/2 — для раствора плотностью 1,25-1,27 г/м³

Процесс приготовления состоит из следующих шагов:

  • Налить в посуду дистиллированную воду
  • Добавить нужное количество щелочи
  • Перемешать раствор
  • Плотно закрыть крышкой
  • Настаивать в течение 6 часов

После того, как процесс настаивания будет завершен, необходимо слить светлый раствор. Если часть состава выпадает в осадок, нужно его регулярно перемешивать. При заливке нужно следить, чтобы он остался на дне, не попав в аккумулятор, в противном случае это грозит выходом АКБ из строя.

Приготовление раствора 

для свинцовых аккумуляторов

Перед тем, как разбавить кислотный электролит, необходимо определить нужные пропорции. Они зависят от климатических условий, в которых планируется эксплуатация устройства.

Для получения электролита плотностью 1,28 г/м³, что приемлемо для средних климатических условий, потребуется в один литр дистиллированной воды влить 0,36 л серной кислоты. Для жарких регионов количество серной кислоты уменьшается до 0,33 л на то же количество воды.

Как разводить аккумуляторную кислоту:

  • Налить в подготовленную емкость дистиллированную воду
  • Аккуратно тонкой струйкой влить в нее кислоту
  • Измерить плотность полученного раствора
  • Оставить раствор настаиваться на 12 часов

Важно! Нельзя вливать воду в кислоту! Правильно — вливать кислоту в воду. Не следует торопиться, вливая кислоту, давайте возможность ей постепенно раствориться в воде.

Инструкция по замене

Замена электролита производится в следующих случаях:

  • Электролит в банках изменил цвет, стал мутным. Причиной тому может быть использование не дистиллированной воды для добавки, а обычно. Она может содержать примеси, вступающие в химическую реакцию с электролитом и образовывая твердые соединения, выпадающие в осадок
  • После зарядки аккумулятора невозможно добиться нужной плотности
  • Электролит вытек по неосторожности
  • Новый аккумулятор быстро разряжается. Причиной тому может быть замерзание раствора

Замена электролита, независимо от того, является он щелочным или кислотным, производится в несколько шагов:

  • Демонтаж аккумулятора из транспортного средства
  • Очистка АКБ от загрязнений
  • Выкачивание имеющейся жидкости с помощью груши или шприца
  • Промывка банок дистиллированной водой
  • Заливка электролита с помощью груши или аналогичных приспособлений

Уровень заливки определяется метками внутри банок. Если они отсутствуют, нужно руководствоваться правилом – электролит должен быть на уровне выше пластин на 5-7 миллиметров. При этом от его уровня до крышек банок должно оставаться не менее двух сантиметров.

Очень важно при сливе электролита не наклонять его в сторону и тем более не переворачивать. На дне сосудов могут оказаться твердые частицы, которые застрянут в пластинах, полностью выведя их из строя. Допускается легкое покачивание воды из стороны в сторону при промывании, такие же действия можно производить после заливки электролита в аккумулятор.

После этого АКБ устанавливается на зарядку, после чего следует проверить получившуюся плотность. Замеры должны производиться не арене, чем через пару часов после снятия устройства с зарядки, так как существует риск получить завышенные показания. Если плотность недостаточно высокая или, напротив, имеет излишние значения, ее следует отрегулировать добавлением кислоты, щелочи или дистиллированной воды.

Полезное видео

Видео инструкция о замене электролита

Заключение

Независимо от типа электролита, используемого в эксплуатируемой АКБ, можно самостоятельно произвести его полную замену, проверку плотности и других показателей. Однако стоит помнить о технике безопасности, так как электролит – опасный химический состав, способный значительно повредить кожные покровы и глаза.

 

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, если вы не решите ввести его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступ к остальной части вашего компьютера, и только сайт, создавший файл cookie, может его прочитать.

Химические реакции в свинцовой аккумуляторной батарее

%PDF-1.4 % 194 0 объект > эндообъект 189 0 объект >поток application/pdf

  • Журнал исследований Национального института стандартов и технологий является публикацией правительства США. Документы находятся в общественном достоянии и не защищены авторским правом в США. Тем не менее, обратите особое внимание на отдельные работы, чтобы убедиться, что не указаны ограничения авторского права.Для отдельных произведений может потребоваться получение других разрешений от первоначального правообладателя.
  • Химические реакции в свинцовой аккумуляторной батарее
  • Винал, г. В.; Крейг, DN
  • Подключаемый модуль Adobe Acrobat 9.13 Paper Capture2011-02-17T12:40:28-05:00Adobe Acrobat 9.02012-06-22T10:06:15-04:002012-06-22T10:06:15-04:00uuid:2284e6a7-0700 -4805-98e2-b630c4037339uuid: 46987e8e-4c3c-443a-9a68-a24f17497c40uuid: 2284e6a7-0700-4805-98e2-b630c4037339default1
  • converteduuid: 9c927f09-26ca-4efe-a8a5-6ef0258d9fe4converted в PDF / A-1bpdfaPilot2012-06-22T10: 06 :10-04:00
  • False1B
  • http://ns.adobe.com/pdf/1.3/pdfAdobe PDF Schema
  • internalОбъект имени, указывающий, был ли документ изменен для включения информации треппингаTrappedText
  • http://ns.adobe.com/xap/1.0/mm/xmpMMXMP Media Management
  • внутренний идентификатор на основе UUID для конкретного воплощения документаInstanceIDURI
  • internalОбщий идентификатор для всех версий и представлений документа.OriginalDocumentIDURI
  • http://www.aiim.org/pdfa/ns/id/pdfaidPDF/A ID Schema
  • internalPart of PDF/A standardpartInteger
  • внутреннее изменение стандарта PDF/AamdText
  • внутренний уровень соответствия стандарту PDF/A, текст
  • конечный поток эндообъект 154 0 объект > эндообъект 190 0 объект [>] эндообъект 186 0 объект > эндообъект 183 0 объект > эндообъект 184 0 объект > эндообъект 185 0 объект > эндообъект 187 0 объект > эндообъект 188 0 объект > эндообъект 27 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 33 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 39 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 46 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 53 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 59 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 66 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 72 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 79 0 объект >/ProcSet[/PDF/Text/ImageB]/XObject>>>/Повернуть 0/Тип/Страница>> эндообъект 80 0 объект [81 0 Р 82 0 Р 83 0 Р] эндообъект 85 0 объект >поток

    Границы | Последние достижения в области электролитов для воздушно-цинковых батарей

    Введение

    Цинк-воздушная батарея

    имеет высокую удельную энергию (1,218 Втч·кг −1 ).Между тем присущие ему особенности, в том числе безопасность и более низкая стоимость, делают его одним из самых перспективных аккумуляторов следующего поколения (Fu et al., 2017; Tan et al., 2017; Han et al., 2019). Роль электролитов упускают из виду по сравнению с горячими исследованиями бифункциональных воздушных электродов для Zn-воздушных батарей. Характеристики электролитов напрямую определяют ионную проводимость и межфазные свойства Zn-воздушной батареи в процессе эксплуатации. Кроме того, это дополнительно влияет на емкость, циклическую стабильность и эффективность зарядки и разрядки элемента (Pei et al., 2014). Цинк-воздушные батареи развиваются в направлении высокой эффективности и долговечности, которые не могут отделяться от поддержки электролита с превосходными характеристиками во всех аспектах (Р. Майнар и др., 2016). Таким образом, крайне важно углубиться в работу электролитов в Zn-воздушных батареях (Mainar et al., 2018).

    В настоящее время щелочной электролит по-прежнему широко используется в батареях на основе цинка, чтобы соответствовать требованиям низкой стоимости и высокой ионной проводимости и обеспечить стабильность цинкового электрода (R.Майнар и др., 2016; Сюй и др., 2020). Однако он чувствителен к CO 2 из окружающей среды и относительной влажности. Zn-воздушная батарея в основном зависит от характеристик воздушного электрода. К сожалению, CO 2 может привести к образованию в электролите K 2 CO 3 , что негативно влияет на пустоту в воздушном электроде (Wang et al., 2014; Fu et al., 2017). Цинк-воздушные батареи должны решать проблему испарения электролита или поглощения воды из внешней среды, чтобы хорошо работать в сложной внешней среде.Первый заставляет аккумулятор расширяться, а второй влияет на перенос OH (Chakkaravarthy et al., 1981; Mainar et al., 2018). Ионные жидкости при комнатной температуре (RTIL) и твердые электролиты являются альтернативными и эффективными решениями для решения вышеуказанной проблемы. Однако их производительность была ограничена их низкой ионной проводимостью и неквалифицированным интерфейсом. Поэтому в следующих частях мы обсудим исследовательский статус щелочных электролитов и неводных электролитов в Zn-воздушных батареях.

    Водный электролит

    LiOH, NaOH и KOH являются обычными электролитами для воздушно-цинковых аккумуляторов. По сравнению с нейтральными и кислыми электролитами щелочные электролиты хорошо сочетаются с цинковыми электродами и каталитическими материалами. Между тем, электролит KOH обладает высокой ионной проводимостью и низкой вязкостью. Когда Zn-воздушная батарея разряжается, внешний кислород поступает в батарею и вступает в реакцию (уравнение 1) (реакция восстановления кислорода) на границе газ-жидкость-твердое тело (кислород, электролит, электрокатализатор).Цинковый электрод переносит электроны к воздушному электроду через внешнюю нагрузку, а OH в месте реакции генерирует Zn(OH)42- (уравнение 2). Когда концентрация Zn(OH)42- достигает максимума, он далее разлагается на ZnO (уравнение 3). Полная реакция цинкового электрода показана в уравнении 4. В процессе зарядки обратная реакция (уравнение 1) (реакция выделения кислорода) осуществляется на границе раздела цинк-электролит, и электрическая энергия накапливается, в то время как цинк откладывается в результате обратной реакции. (Уравнение 3).

    O2+2h3O+4e-↔4OH-E=0,40 В относительно SHE    (1) Zn+4OH-↔Zn(OH)42-+2e-E=1,26 В относительно SHE    (2) Zn(OH)42-↔ZnO+h3O+2OH-    (3) Zn+2OH-↔ZnO+h3O+2e-E=1,26 В относительно SHE    (4)

    При концентрации KOH 6 М текущая обменная плотность Zn/Zn 2+ достигает 0,21 А·см -2 , а растворимость ZnO увеличивается с концентрацией KOH (см. and White, 1997; Dyer и др., 2009). Поэтому мы должны обратить внимание на неблагоприятное влияние электролита КОН высокой концентрации на цинковый электрод.Высокая концентрация ZnO создает избыток Zn(OH)42- и выпадает в осадок после разряда, что увеличивает сопротивление пассивации цинкового электрода. Кроме того, кинетические параметры восстановления цинка кислородом были очень высокими, что приводило к растворению, миграции и переотложению цинка в различных условиях (R. Mainar et al., 2016).

    Есть две основные стратегии решения этой проблемы. Один — изменить состав и структуру цинкового электрода, а другой — найти соответствующие добавки к электролиту.Известные методы, такие как создание трехмерной структуры цинкового электрода (Parker et al., 2014; Chamoun et al., 2015; Yan et al., 2015) или эффективная добавка для цинкового электрода (Fan et al., 2013; Masri and Mohamad, 2013; Huang et al., 2015) оказались эффективной стратегией решения. Актуальной задачей является точное измерение потенциала и концентрации ионов цинка на поверхности цинкового электрода, чтобы обеспечить адекватную теоретическую поддержку для улучшения условий жизни цинкового электрода в щелочном электролите.В таблице 1 мы суммировали последние работы по добавкам щелочных электролитов. Подходящие добавки в электролиты могут улучшить изменение формы цинкового электрода и производительность Zn-воздушной батареи. Если мы сможем максимально снизить концентрацию KOH, не влияя на ионную проводимость электролита, мы полагаем, что производительность Zn-воздушной батареи будет еще больше улучшена. Добавляя K 2 CO 3 в высококонцентрированный раствор KOH и оптимизируя структуру батареи, Schröder et al.(2015) не только получили стабильный электрический потенциал, но и улучшили фактическую плотность энергии и долговременную стабильность Zn-воздушной батареи. Кроме того, об ингибировании роста дендритов и выделения водорода цинковым электродом также сообщается в Zn-воздушной батарее со щелочными электролитами с использованием додецилбензолсульфоната натрия (SDBS) (Yang et al., 2004), полиэтиленгликоля (PEG) (Banik and Akolkar). , 2013), винная/янтарная/лимонная кислота (Lee et al., 2006) и гидроксиды тетраалкиламмония (Lan et al., 2007).

    Таблица 1 . Краткое изложение недавно опубликованной щелочной добавки к электролиту для воздушно-цинковых батарей.

    Цинк-воздушная батарея

    представляет собой полуоткрытую систему, в которой для участия в реакционном процессе требуется богатый кислород из внешней среды. Углекислого газа (CO 2 ) трудно избежать во влажной атмосфере. CO 2 из внешней атмосферы попадает в батарею через воздушный электрод и реагирует с OH в электролите (уравнения 5, 6).

    CO2+OH-→HCO3-    (5) HCO3-+OH-↔CO32-+h3O    (6)

    Ионная проводимость электролита ослабевает из-за образования HCO3- и CO32- и низкой растворимости K 2 CO 3 и KHCO 3 . Когда они оседают на воздушном электроде, перенос кислорода будет до некоторой степени заблокирован, что приведет к снижению производительности Zn-воздушной батареи. Оптимизация структуры Zn-воздушной батареи и состава газопоглощающего слоя для обеспечения беспрепятственного прохождения кислорода, но для предотвращения прохождения углекислого газа и водяного пара является идеальным решением.Для решения вышеуказанных проблем исследователи также выдвинули несколько решений. Педичини и др. (1996) установили систему управления воздухом для рециркуляции воздуха-реагента в металл-воздушной батарее. Гольдштейн и др. (1997) предложили скрубберную систему для удаления углекислого газа из металловоздушной батареи или батареи топливных элементов. Pedicni (2002) предложил ограничить содержание углекислого газа и водяного пара, когда батарея не используется, загрузив чувствительный воздушный клапан для гальванического элемента. Существует много решений для решения этих проблем, но ограничениями являются высокие пороговые значения стоимости и ограниченное использование пространства, что ограничивает разработку воздушно-цинковых батарей для практического применения.

    Система проточного электролита является очень эффективным методом для воздушно-цинковых аккумуляторов. Электролит перекачивается и циркулирует по системе питания внешних труб и насосов. В дополнение к удалению осажденного карбоната и других побочных продуктов через внешние фильтры проточный электролит улучшает перенос OH и уменьшает градиенты концентрации (Iacovangelo and Will, 1985; Cheng et al., 2007). По сравнению со статическим электролитом, Zn-воздушная батарея значительно улучшена, включая срок службы и рабочее напряжение с системой циркуляции электролита.Однако мощность циркуляции электролита должна поддерживаться внешней насосной системой и электроэнергией. Поэтому, если система циркуляции электролита будет введена в практическое применение, необходимо решить проблему, которую трудно применить к крупномасштабной сетевой системе хранения энергии со строгими требованиями к пространству и весу.

    Ионная жидкость при комнатной температуре

    Ионная жидкость комнатной температуры представляет собой расплавленную соль, которая существует в виде жидкости при комнатной температуре или ниже.Он имеет широкое электрохимическое окно и плохо воспламеняется (Балаиш и др., 2014). Поэтому все больше внимания уделялось RTIL как заменителям щелочных электролитов. Присущая RTIL безопасность и стабильность в широком диапазоне электрохимических потенциалов привели к его применению в батареях на основе лития (Chou et al., 2008; Xiang et al., 2010). Использование RTIL в Zn-воздушных батареях может эффективно решить проблемы повреждения цинкового электрода (Simons et al., 2012), повреждения CO 2 и испарения электролита (Harting et al., 2012) в щелочном электролите упомянутой выше водяной системы и позволяют аккумулятору работать при высоких температурах. Более того, для апротонных RTIL отсутствие протонов может эффективно предотвратить коррозию цинкового электрода, вызванную выделением водорода. Поэтому в последние годы RTIL в качестве электролита для Zn-воздушных аккумуляторов были включены в список.

    RTIL, используемые в качестве электролита для Zn-воздушного элемента, цинк окисляется до Zn 2+ во время разряда, а обратимая электрохимическая реакция цинка в RTIL оказалась возможной (Xu et al., 2015). Здесь необходимо отметить, что неподходящие RTIL могут образовывать нерастворимые вещества с Zn 2+ и сделать их неспособными к эффективному восстановлению. Предложен механизм воздушного электрода в электролите RTIL (Kar et al., 2014).

    Когда в электролите RTIL происходит восстановление кислорода, кислород получает электроны и образует супероксид (O2·-) (уравнение 7). Эта реакция считается квазиобратимой (AlNashef et al., 2002). Для апротонных RTIL дальнейший перенос электрона отсутствует из-за присутствия супероксида.Напротив, для протонных RTIL супероксид является сильным нуклеофилом, который может далее реагировать с протонами в RTIL с образованием пергидроксирадикала (HO2·) (уравнение 8). Затем пергидроксирадикал также может реагировать с супероксидом с образованием пероксида (HO2-) (уравнения 9, 10) и, наконец, завершать процесс восстановления (уравнение 11).

    O2+e−→O2⋅−    (7) O2⋅−+H+→HO2⋅    (8) HO2⋅+O2⋅−→HO2−+O2    (9) HO2⋅+e−→HO2−    (10) HO2−+H+→h3O2    (11)

    Что касается того, может ли перекись водорода далее разлагаться на H 2 O, Zeller (2011) указывает, что это определяется используемым электродом.По данным Кар и соавт. (2014) о реакциях восстановления кислорода и осаждения кислорода в RTIL, в реакциях, как упоминалось выше, пути оказались обратимыми и относительно стабильными пероксидными продуктами. Тем не менее, все еще существуют некоторые связанные реакции диспропорционирования. Перекись водорода требует меньше энергии активации для производства кислорода, что делает ее эффективной поддержкой для восстановления кислорода и реакций выделения кислорода в RTIL.

    Разработка RTIL в воздушно-цинковой батарее по-прежнему сталкивается с огромными трудностями.С одной стороны, высокая стоимость RTIL затрудняет их использование в больших масштабах. С другой стороны, механизм двухэлектронной реакции RTIL снижает плотность энергии батареи в сочетании с ее высокой вязкостью и низкой проводимостью, что означает, что воздушно-цинковая батарея может работать только при низком токе. Liu et al. (2017) исследовали воздушно-цинковую батарею, способную заряжаться и разряжаться при 550°C в течение 100 циклов с кулоновской эффективностью 96.9%. Когда Ингейл и соавт. (2017) применили ионную жидкость трифторметансульфонат диэтилметиламмония (DEATfO) к воздушно-цинковой батарее, они обнаружили, что, хотя образование дендритов цинка не происходит, слабое поверхностное натяжение DEATfO приводит к неудовлетворительной плотности энергии (Pozo-Gonzalo et al., 2014). Кроме того, Ghazvini et al. (2018) указали на положительное влияние добавления воды на ионное взаимодействие при использовании электролита RTIL в Zn-воздушных батареях. Вышеупомянутая работа представляет собой хорошую стратегию для улучшения характеристик Zn-воздушной батареи с RTIL в качестве электролита.

    Кроме того, следует изучить применение большего количества типов RTIL в воздушно-цинковых батареях, включая положительное влияние добавок в RTIL. Также необходимо разработать специальные бифункциональные катализаторы для снижения энергетического барьера реакции восстановления кислорода и реакции выделения кислорода. Хотя электролит RTIL нуждается в дальнейшем изучении с точки зрения свойств интерфейса, механизма электрохимической реакции кислорода и пути миграции активных веществ, различные свидетельства указывают на то, что RTIL являются перспективными электролитами для Zn-воздушных батарей.

    Квазитвердый гибкий электролит

    В связи с растущим спросом на гибкие носимые электронные устройства исследования гибких аккумуляторов, особенно квазитвердых электролитов, выдвинули более высокие требования. По сравнению с другими металло-воздушными батареями, Zn-воздушные батареи с высокой объемной плотностью энергии имеют характеристики низкой стоимости и высокой безопасности. Напротив, цинк в качестве электрода обладает более высокими механическими свойствами и производительностью в гибких батареях. Например, Zn–MnO 2 аккумуляторы с полимерными электролитами производились серийно по технологии печати (MacKenzie and Ho, 2015).Следовательно, необходимо проводить научные исследования конструкции и характеристик гибкой воздушно-цинковой батареи, а производство батареи этого типа и соответствующего квазитвердого электролита необходимо постоянно оптимизировать.

    Квазитвердый гибкий электролит обычно готовят из щелочного водного раствора и полимеров, таких как поливиниловый спирт (ПВС) (Fan et al., 2019), полиакриловая кислота (PAA) (Wu et al., 2006; Zhu et al., 2018), желатин (Park et al., 2015) и родственный привитой сополимер (Yu et al., 2017), которые необходимы для обеспечения стабильной конфигурации, разделения катода и анода и квалифицированной ионной проводимости. В процессе приготовления большинство квазитвердых гибких электролитов могут образовывать сшитую сеть с большим количеством гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы), что обеспечивает более высокое удержание воды и ионную проводимость в квазитвердых гибких электролитах. В первичном воздушно-цинковом элементе щелочной гелеобразный электролит может эффективно уменьшить утечку и улетучивание электролита и применяется (Hilder et al., 2009). Однако для перезаряжаемых гибких Zn-воздушных батарей из-за цинкового электрода в квазитвердом гибком электролите они могут нести только небольшое количество Zn(OH)42-. Блокируется процесс восстановления ZnO до Zn(OH)42- (Xu et al., 2015). Поэтому реализовать перезаряжаемые Zn-воздушные батареи для работы при большом токе — большая проблема.

    Воздушно-цинковая батарея с гибкой плотностью мощности и рабочим циклом получила высокую оценку. Однако в бифункциональном катализаторе электрохимических кислородных реакций есть несколько важных аспектов, ионная проводимость квазитвердого гибкого электролита и характеристики интерфейса электролит-электрод.Ионная проводимость электролита зависит главным образом от типа полимера и добавок к электролиту. Фан и др. (2019) подготовили пористый электролит PVA + SiO 2 с высокой ионной проводимостью 57,3 мСм·см -1 и отличными циклическими характеристиками и удельной мощностью. Ли и др. (2019) изготовили полимерный диэлектрик ТЭАОН-ПВС, который по-прежнему имел ионную проводимость 30 мСм·см -1 через 2 недели, показывая отличные эксплуатационные характеристики и срок службы. Нетрудно обнаружить, что один полимер вряд ли может стать гибким электролитом квазитвердого состояния с отличными характеристиками.Однако небольшое количество добавок позволяет значительно улучшить характеристики электролитов, что также является процессом функционализации полимера. Это в основном связано с тем, что добавка оптимизирует структуру сшитой сетки полимерного электролита, увеличивает количество гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы) и дополнительно улучшает водоудерживающую способность электролита, что оказывает большое влияние на ионную активность. проводимость. Кроме того, в дополнение к ионной проводимости и водоудерживающей способности квазитвердого гибкого электролита, следует также уделять больше внимания скорости переноса OH и Zn(OH)42-, которой уделялось недостаточно внимания в настоящее время.Процесс их передачи также оказывает сильное влияние на плотность энергии и другие характеристики гибких воздушно-цинковых батарей.

    Существует проблема улучшения характеристик интерфейса электролит-электрод (особенно интерфейса электрода электролит-воздух) в гибкой батарее Zn-воздух. Смачиваемость квазитвердого гибкого электролита снижена, что значительно затрудняет выполнение катализатором своей функции, чем в щелочном электролите водной системы.При сборке батареи Сюй и др. (2019) прессовали батарею в течение 3 минут под давлением 3 МПа через таблеточный пресс, чтобы сделать слоистую структуру более полной, а гибкая Zn-воздушная батарея могла стабилизировать циркуляцию в течение 35 часов. По-прежнему необходимы дополнительные исследования для улучшения интерфейса электролит-электрод, подготовки электролита и метода упаковки батареи.

    Гибкая воздушно-цинковая батарея также предъявляет более высокие требования к характеристикам изгиба, растяжения и сжатия цинкового электрода, воздушного электрода и электролита в батарее.Гибкая воздушно-цинковая батарея обычно делится на одномерную структуру (линейный тип) и двухмерную структуру (в форме сэндвича). Ма и др. (2019) подготовили гидрогелевый электролит с двойной сетью (полиакрилатный гидрогель, сшитый цепями целлюлозы и N,N-метилен-бисакриламидными якорями) и оптимизировали структуру цинкового и воздушного электродов для сборки Zn-воздушной батареи с превосходными свойствами при растяжении. Пан и др. (2019) сконструировали губчатую сжимаемую Zn-воздушную батарею, которая показала хорошие результаты после деформации сжатия 60% или 500 циклов повторных испытаний на сжатие.Ли и др. (2018) подготовили одномерную вязальную Zn-воздушную батарею диаметром всего 1,03 мм по пути, которая имела отличные характеристики гибкости и заряда и разряда.

    В Таблице 2 перечислены другие сравниваемые характеристики, чтобы обеспечить более значимые пути разработки квазитвердых гибких электролитов для Zn-воздушных батарей. Однако получить компетентную оценку сложно из-за разной конструкции батареи, катализатора и электролита, используемых в записанных работах. Следовательно, необходимо установить единый стандарт оценки гибкой Zn-воздушной батареи, чтобы лучше оценивать характеристики соответствующего электролита.Кроме того, состав электролита в гибкой Zn-воздушной батарее в основном находится в режиме «полимер + раствор KOH», что приводит к преимуществам и недостаткам упомянутого выше водного электролита, воздействующего на квазитвердый электролит. В то же время, сочетание RTIL с полимером может придать новый импульс безопасности и стабильности Zn-воздушных батарей, но его практическая осуществимость должна быть подтверждена в ближайшем будущем.

    Таблица 2 .Резюме недавно опубликованной квазитвердой гибкой добавки к электролиту для воздушно-цинковых батарей.

    Резюме

    При наличии спроса на мощные, долговечные и универсальные перезаряжаемые Zn-воздушные батареи разработка электролитов отвечает возможностям и вызовам. Электролит, как важная часть воздушно-цинковой батареи, оказывает сильное влияние на эффективность циркуляции, удельную мощность и производительность. До сих пор щелочные электролиты являются основным направлением из-за их превосходной ионной проводимости и межфазных свойств.Однако щелочные электролиты чувствительны к воздействию содержания углекислого газа и относительной влажности внешней среды. С одной стороны, следует изучить подходящий тип и пропорцию добавок для улучшения свойств щелочного электролита. С другой стороны, RTIL как электролит для Zn-воздушных аккумуляторов имеют высокий порог старения, а его защита и безопасность для цинковых электродов очевидны. Более того, исследования квазитвердого гибкого электролита в большей степени способствуют созданию портативных и гибких Zn-воздушных батарей, которые требуют устранения недостатков в характеристиках интерфейса и ионной проводимости.Поиск подходящих RTIL и полимеров имеет смысл для улучшения характеристик электролита.

    Кроме того, мы считаем, что три упомянутых выше электролита могут быть объединены с различными характеристиками. Подходящие добавки к электролиту также могут способствовать применению RTIL и квазитвердых электролитов в воздушно-цинковых батареях, а комбинация RTIL и полимеров также может улучшить характеристики электролитов. Исследованиям электролитов следует уделить больше внимания, чтобы Zn-воздушные батареи соответствовали требованиям к накопителям энергии нового поколения.

    Вклад авторов

    Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

    Финансирование

    Эта работа выполнена при финансовой поддержке Фонда естественных наук Китая (U1832136, 21303038), Национальной программы обучения студентов инновациям и предпринимательству (201

    9010) и Фонда естественных наук провинции Аньхой (1808085QE140).

    Конфликт интересов

    Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

    Каталожные номера

    АльНашеф, И.М., Леонард, М.Л., Мэтьюз, М.А., и Вайднер, Дж.В. (2002). Электрохимия супероксидов в ионной жидкости. Индивидуальный инж. хим. Рез. 41, 4475–4478. doi: 10.1021/ie010787h

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Баник, С.Дж., и Аколкар, Р. (2013). Подавление роста дендритов при электроосаждении цинка добавкой ПЭГ-200. Дж. Электрохим. соц. 160, Д519–Д523. дои: 10.1149/2.040311jes

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чаккараварти, К., Вахид, А.А., и Удупа, Х. (1981). Воздушно-цинковые щелочные батареи — обзор. Дж. Источники питания 6, 203–228. дои: 10.1016/0378-7753(81)80027-4

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чамун, М., Герцберг, Б.Дж., Гупта, Т., Дэвис, Д., Бхадра, С., Ван Тассел, Б., и другие. (2015). Гипердендритные нанопористые аноды из пеноцинка. NPG Азия Матер. 7:e178. doi: 10.1038/am.2015.32

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чен, X., Liu, B., Zhong, C., Liu, Z., Liu, J., Ma, L., et al. (2017). Ультратонкий Co 3 O 4 слои с большой площадью контакта на углеродных волокнах в качестве высокоэффективного электрода для гибкой цинково-воздушной батареи, интегрированной с гибким дисплеем. Доп. Энергия Матер. 7:1700779. doi: 10.1002/aenm.201700779

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ченг, Дж., Чжан, Л., Ян, Ю.-С., Вэнь, Ю.-Х., Цао, Г.-П., и Ван, X.-Д. (2007). Предварительное исследование однопоточного цинк-никелевого аккумулятора. Электрохим. коммун. 9, 2639–2642. doi: 10.1016/j.elecom.2007.08.016

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Чоу, С.-Л., Ван, Дж.-З., Сунь, Дж.-З., Векслер, Д., Форсайт, М., Лю, Х.-К., и др. (2008). Высокая емкость, безопасность и улучшенная циклируемость литий-металлической батареи с использованием катода из наноматериала V 2 O 5 и ионно-жидкого электролита комнатной температуры. Хим. Матер. 20, 7044–7051. дои: 10.1021/cm801468q

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Дайер, К.К., Мозли, П.Т., Огуми, З., Рэнд, Д.А., и Скросати, Б. (2009). Энциклопедия электрохимических источников энергии. (Newnes: Elsevier Science & Technology).

    Академия Google

    Fan, X., Liu, J., Song, Z., Han, X., Deng, Y., Zhong, C., et al. (2019). Пористый нанокомпозитный гелеобразный полимерный электролит с высокой ионной проводимостью и превосходной способностью удерживать электролит для гибких воздушно-цинковых батарей с длительным сроком службы. Nano Energy 56, 454–462.doi: 10.1016/j.nanoen.2018.11.057

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Fan X., Yang Z., Xie X., Long W., Wang R. и Hou Z. (2013). Электрохимическое поведение Zn-Al-La-гидроталькита во вторичных элементах Zn-Ni. J. Источники питания 241, 404–409. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.04.136

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Фу, Дж., Кано, З.П., Парк, М.Г., Ю, А., Фаулер, М., и Чен, З. (2017). Электрически перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи: прогресс, проблемы и перспективы. Доп. Матер. 29:1604685. doi: 10.1002/adma.201604685

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Fu, J., Lee, D.U., Hassan, F.M., Yang, L., Bai, Z., Park, M.G., et al. (2015). Гибкие высокомощные воздушно-цинковые аккумуляторные батареи на полимерно-электролитной основе. Доп. Матер. 27, 5617–5622. doi: 10.1002/adma.201502853

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Газвини М.С., Пуллетикурти Г., Куи, Т., Куль, К., и Эндрес, Ф. (2018). Электроосаждение цинка из смесей 1-этил-3-метилимидазолия ацетат-вода: исследования применимости электролита для Zn-воздушных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 165:D354. дои: 10.1149/2.0181809jes

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Гольдштейн, Дж. Р., Харац, Ю., Шарон, Ю., и Наймер, Н. (1997). Скрубберная система для удаления углекислого газа из металловоздушной или топливной батареи. Патент США №5 595 949. (Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка Бюро по патентам и товарным знакам США).

    Академия Google

    Гуань, К., Сумбоджа, А., Занг, В., Цянь, Ю., Чжан, Х., Лю, X., и соавт. (2019). Декорирование наночастиц Co/CoNx в углеродных наноматрицах, легированных азотом, для гибких и перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей. Материал для хранения энергии. 16, 243–250. doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.001

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хан, Дж., Мэн, X., Лу, Л., Биан, Дж., Ли, З., и Сун, К. (2019). Одноатомный Fe-Nx-C как эффективный электрокатализатор для воздушно-цинковых батарей. Доп. Функц. Матер. 29:1808872. doi: 10.1002/adfm.201808872

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хартинг К., Кунц У. и Турек Т. (2012). Воздушно-цинковые батареи: перспективы и проблемы будущего совершенствования. З. Физ. хим. 226, 151–166. doi: 10.1524/зпч.2012.0152

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хильдер, М., Винтер-Дженсен, Б., и Кларк, Н. (2009). Воздушно-цинковая батарея на бумажной основе. J. Источники питания 194, 1135–1141. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.054

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Хоссейни С., Аббаси А., Угинет Л.-О., Хаустраете Н., Празертдам С., Йонезава Т. и др. (2019). Влияние диметилсульфоксида в качестве добавки к электролиту на анодное растворение щелочной цинково-воздушной батареи. науч. Респ. 9:14958. doi: 10.1038/s41598-019-51412-5

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Хоссейни, С., Хан, С.Дж., Арпонвичаноп, А., Йонезава, Т., и Кхеавхом, С. (2018). Этанол как добавка к электролиту для щелочных цинково-воздушных аккумуляторов. науч. Респ. 8:11273. doi: 10.1038/s41598-018-29630-0

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Хуанг, Дж., Ян, З., Ван, Р., Чжан, З., Фэн, З. и Се, X. (2015). Слоистые двойные оксиды Zn-Al в качестве высокоэффективных анодных материалов для вторичной батареи на основе цинка. Дж. Матер. хим. А 3, 7429–7436.дои: 10.1039/C5TA00279F

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Якованджело, К.Д., и Уилл, Ф.Г. (1985). Параметрическое исследование осаждения цинка на пористом углероде в ячейке с проточным электролитом. Дж. Электрохим. соц. 132:851.

    Академия Google

    Ингейл, П., Сактивел, М., и Дриллет, Дж. Ф. (2017). Испытание ионной жидкости трифторметансульфоната диэтилметиламмония в качестве электролита в электрически перезаряжаемой Zn/воздушной батарее. Дж.Электрохим. соц. 164, H5224–H5229. дои: 10.1149/2.0351708jes

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Кар, М., Саймонс, Т.Дж., Форсайт, М., и Макфарлейн, Д.Р. (2014). Ионные жидкие электролиты как платформа для перезаряжаемых металло-воздушных аккумуляторов: перспектива. Физ. хим. хим. физ. 16, 18658–18674. дои: 10.1039/C4CP02533D

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Кумар К.К., Бриндха Р., Нандхини М., Селвам М., Саминатан, К., и Шактипанди, К. (2019). Графен, взвешенный в воде, как добавка к электролиту в системе цинково-воздушных щелочных батарей. Ионика 25, 1699–1706. doi: 10.1007/s11581-019-02924-7

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Лан, К., Ли, К., и Чин, Т. (2007). Гидроксиды тетраалкиламмония как ингибиторы Zn-дендрита во вторичных батареях на основе Zn. Электрохим. Acta 52, 5407–5416. doi: 10.1016/j.electacta.2007.02.063

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, К.В., Сатьянараянан, К., Эом, С.В., Ким, Х.С., и Юн, М.С. (2006). Новое электрохимическое поведение цинковых анодов в батареях цинк/воздух в присутствии добавок. J. Источники питания 159, 1474–1477. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.11.074

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Li, M., Liu, B., Fan, X., Liu, X., Liu, J., Ding, J., et al. (2019). Полимерный электролит длительного хранения на основе гидроксида тетраэтиламмония для гибких цинково-воздушных аккумуляторов. Приложение ACSМатер. Интерфейсы 11, 28909–28917. дои: 10.1021/acsami.9b09086

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ли М., Луо Ф., Чжан К., Ян З. и Сюй З. (2020). Атомный слой нанолистов Co3O4-x как эффективный и стабильный электрокатализатор для перезаряжаемых цинково-воздушных батарей. Дж. Катал. . 381, 395–401. doi: 10.1016/j.jcat.2019.11.020

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ли, Ю., Чжун, К., Лю, Дж., Цзэн, С., Цюй, С., Хан, X., и др. (2018). Атомарно-тонкие мезопористые слои Co 3 O 4 , прочно связанные с нанолистами N-rGO в качестве высокоэффективных бифункциональных катализаторов для одномерных вязальных цинково-воздушных батарей. Доп. Матер. 30, 1703657. doi: 10.1002/adma.201703657

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Лю, С., Хан, В., Цуй, Б., Лю, X., Чжао, Ф., Стюарт, Дж., и др. (2017). Новая перезаряжаемая воздушно-цинковая батарея с расплавленным солевым электролитом. J. Источники питания 342, 435–441. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.080

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ма, Л., Чен, С., Ван, Д., Ян, К., Мо, Ф., Лян, Г., и др. (2019). Сверхрастяжимые воздушно-цинковые батареи на основе стойкого к щелочи двухсетевого гидрогелевого электролита. Доп. Энергия Матер. 9:1803046. doi: 10.1002/aenm.201803046

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Маккензи, Дж. Д., и Хо, К. (2015). Перспективы накопления энергии для гибких электронных систем. стр. IEEE 103, 535–553. doi: 10.1109/JPROC.2015.2406340

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Майнар А.Р., Ируин Э., Кольменарес Л.С., Кваша А., де Меатца И., Бенгоэчеа М. и др. (2018). Обзор достижений в области электролитов для вторичных цинково-воздушных аккумуляторов и других систем хранения на основе цинка. Дж. Хранение энергии 15, 304–328. doi: 10.1016/j.est.2017.12.004

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Майнар, Р.А. Леонет О., Бенгоэчеа М., Бояно И., де Меатца И. и соавт. (2016). Щелочные водные электролиты для вторичных цинково-воздушных аккумуляторов: обзор. Междунар. Дж. Энерджи Рез. 40, 1032–1049. doi: 10.1002/er.3499

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Масри, М. Н., и Мохамад, А. А. (2013). Эффект добавления сажи к пористому цинковому аноду в воздушно-цинковой батарее. Дж. Электрохим. соц. 160, А715–А721. дои: 10.1149/2.007306jes

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Мяо, Х., Chen, B., Li, S., Wu, X., Wang, Q., Zhang, C., et al. (2020). Полностью твердотельная гибкая воздушно-цинковая батарея с полиакриламидным щелочным гелевым электролитом. J. Источники питания 450:227653. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227653

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Пан, З., Ян, Дж., Занг, В., Коу, З., Ван, К., Дин, X., и др. (2019). Полностью твердотельная губчатая сжимаемая воздушно-цинковая батарея. Материал для хранения энергии. 23, 375–382. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.036

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Парк, Дж., Парк, М., Нам, Г., Ли, Дж. С., и Чо, Дж. (2015). Полностью твердотельная гибкая воздушно-цинковая батарея кабельного типа. Доп. Матер. 27, 1396–1401. doi: 10.1002/adma.201404639

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Паркер, Дж. Ф., Червин, С. Н., Нельсон, Э. С., Ролисон, Д. Р., и Лонг, Дж. В. (2014). Трехмерное соединение цинка меняет представление о производительности батареи — цикличность без дендритов. Энергетика Окружающая среда. науч. 7, 1117–1124. дои: 10.1039/C3EE43754J

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Pedicini, C., Sieminski, D.P., Skeggs, L.T., Young, J.E., and Cherry, E.C. (1996). Система управления воздухом для рециркуляции воздуха-реагента в металловоздушной батарее. Патент США № 5 560 999. Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка США на патент и торговую марку.

    Академия Google

    Pedicni, CS (2002). Воздушная дверь, реагирующая на нагрузку, для электрохимической ячейки.Патент США № 6 350 537. Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка Бюро по патентам и товарным знакам США.

    Академия Google

    Пей, П., Ван, К., и Ма, З. (2014). Технологии продления срока службы воздушно-цинковых аккумуляторов: обзор. Прил. Энергия 128, 315–324. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.04.095

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Pozo-Gonzalo, C., Virgilio, C., Yan, Y., Howlett, P.C., Byrne, N., MacFarlane, D.R., et al. (2014). Улучшенные характеристики ионных жидкостей на основе фосфония по отношению к реакции восстановления 4-электронного кислорода при добавлении источника слабых протонов. Электрохим. коммун. 38, 24–27. doi: 10.1016/j.elecom.2013.10.004

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Шредер Д., Боркер Н. Н. С., Кениг М. и Кревер У. (2015). Характеристики воздушно-цинковых аккумуляторов с добавкой K 2 CO 3 в щелочном электролите. J. Appl. Электрохим. 45, 427–437. doi: 10.1007/s10800-015-0817-0

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    См. Д.М. и Уайт Р.Е. (1997).Температурная и концентрационная зависимость удельной электропроводности концентрированных растворов гидроксида калия. J. Chem. англ. Данные 42, 1266–1268. дои: 10.1021/je970140x

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Шинде, С.С., Ли, С.Х., Юнг, Дж.-Ю., Ваг, Н.К., Ким, С.-Х., Ким, Д.-Х., и др. (2019). Открытие двусвязных трехмерных гексаминобензольных металлоорганических каркасов для создания долговечных усовершенствованных обратимых воздушно-цинковых батарей. Энергетика Окружающая среда. науч. 12, 727–738. дои: 10.1039/c8ee02679c

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Саймонс, Т., Торрьеро, А., Хоулетт, П., Макфарлейн, Д. Р., и Форсайт, М. (2012). Высокая плотность тока, эффективное циклирование Zn 2+ в ионной жидкости 1-этил-3-метилимидазолия дицианамида: влияние концентрации соли Zn 2+ и воды. Электрохим. коммун. 18, 119–122. doi: 10.1016/j.elecom.2012.02.034

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Тан, П., Chen, B., Xu, H., Zhang, H., Cai, W., Ni, M., et al. (2017). Гибкие Zn- и Li-air батареи: последние достижения, проблемы и перспективы на будущее. Энергетика Окружающая среда. науч. 10, 2056–2080 гг. дои: 10.1039/c7ee01913k

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ван, К., Пей, П., Ма, З., Сюй, Х., Ли, П., и Ван, X. (2014). Морфологический контроль регенерации цинка для цинково-воздушных топливных элементов и аккумуляторов. Дж. Источники питания 271, 65–75. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.07.182

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ван В., Тан М., Чжэн З. и Чен С. (2019). Ультратонкая, гибкая и высокоэффективная твердотельная воздушно-цинковая батарея на основе щелочной полимерной мембраны. Доп. Энергия Матер. 9, 1803628. doi: 10.1002/aenm.201803628

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Wang, X., Sunarso, J., Lu, Q., Zhou, Z., Dai, J., Guan, D., et al. (2020). Высокоэффективный платино-перовскитный композиционный бифункциональный кислородный электрокатализатор для воздушно-цинковой аккумуляторной батареи. Доп. Энергия Матер . 10:1

    1. doi: 10.1002/aenm.201

    1

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Ву, Г., Лин, С., и Ян, К. (2006). Щелочные Zn-воздушные и алюминиево-воздушные элементы на основе новых мембран с твердым полимерным электролитом PVA/PAA. J. Член. науч. 280, 802–808. doi: 10.1016/j.memsci.2006.02.037

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Xiang, H., Yin, B., Wang, H., Lin, H., Ge, X., Xie, S., et al. (2010).Улучшение электрохимических свойств электролита на основе ионной жидкости (RTIL) при комнатной температуре для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 55, 5204–5209. doi: 10.1016/j.electacta.2010.04.041

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Xu, L., Liu, J., Chen, P., Wang, Z., Tang, D., Liu, X., et al. (2020). Мощные водные батареи Zn-h3O2 для широкого применения. Cell Rep. Phys. Наука . 1:100027. doi: 10.1016/j.xcrp.2020.100027

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Сюй, М., Айви Д., Се З. и Цюй В. (2015). Воздушно-цинковые аккумуляторные батареи: прогресс в разработке электролита и улучшении конфигурации элементов. J. Источники питания 283, 358–371. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.114

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Xu, N., Zhang, Y., Wang, M., Fan, X., Zhang, T., Peng, L., et al. (2019). Высокопроизводительные перезаряжаемые / гибкие цинково-воздушные батареи с согласованным иерархическим биметаллическим электрокатализатором и гетероструктурной анионообменной мембраной. Нано Энергия 65:104021. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104021

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ян, З., Ван, Э., Цзян, Л., и Сунь, Г. (2015). Превосходная циклическая стабильность и высокая производительность трехмерных электродов из вспененного цинка/меди для щелочных батарей на основе цинка. RSC Adv. 5, 83781–83787. дои: 10.1039/C5RA16264E

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ян, Х., Цао, Ю., Ай, X., и Сяо, Л. (2004). Улучшенная разрядная емкость и подавленная пассивация поверхности цинкового анода в разбавленном щелочном растворе с использованием добавок поверхностно-активных веществ. J. Источники питания 128, 97–101. doi: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.050

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Ю М., Ван З., Хоу С., Ван З., Лян С., Чжао С. и др. (2017). Легированные азотом Co 3 O 4 массивы мезопористых нанопроволок в качестве воздушного катода без добавок для гибких твердотельных воздушно-цинковых батарей. Доп. Матер. 29:1602868. doi: 10.1002/adma.201602868

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Целлер, Р.А. (2011). Влияние внешней и собственной активности протонов на механизм восстановления кислорода в ионных жидкостях . (Темп, Аризона: Государственный университет Аризоны, издательство ProQuest Dissertations Publishing).

    Академия Google

    Zhong, X., Yi, W., Qu, Y., Zhang, L., Bai, H., Zhu, Y., et al. (2020). Одноатомный атом кобальта, связанный с Co3O4 и активным углем, легированным азотом, для бифункционального катализатора для воздушно-цинковых батарей. Заяв. Catal., B 260, 118188. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118188

    Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

    Zhu, L., Zheng, D., Wang, Z., Zheng, X., Fang, P., Zhu, J., et al. (2018). Стратегия локализации для стабилизации бифункциональных катализаторов, полученных из ZIF, в качестве эталонного катода гибких полностью твердотельных воздушно-цинковых батарей. Доп. Матер. 30:e1805268. doi: 10.1002/adma.201805268

    Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

    Чтобы сделать твердые электролиты, начните с жидкости

    Подобные несоответствия в спросе и предложении способствовали массовым каскадным отключениям электроэнергии в В августе 2003 г. на северо-востоке США и в Канаде, в июле 2012 г. в Индии и в марте 2019 г. в Венесуэле.

    Ситуация вряд ли улучшится в ближайшее время по трем причинам. Во-первых, по мере того, как страны повсеместно переходят к декарбонизации, электрификация транспорта, отопления и других секторов вызовет резкий рост спроса на электроэнергию. Во-вторых, традиционные угольные и атомные электростанции выводятся из эксплуатации по экономическим и политическим причинам, удаляя стабильные источники из энергосистемы. И в-третьих, в то время как ветряные и солнечные фотоэлектрические системы полезны для климата и являются самыми быстрорастущими источниками выработки электроэнергии, изменчивость их мощности порождает новые проблемы для балансировки сети.

    Так как же сетевые операторы могут поддерживать баланс спроса и предложения, даже если они закрывают старые, грязные электростанции, наращивают переменную генерацию и добавляют новые электрические нагрузки? Есть несколько возможностей. Один из них — сделать модернизированную версию того, что мы делали в прошлом: построить гигантскую централизованную инфраструктуру. Это означало бы установку огромного количества накопителей энергии, таких как батареи масштаба сети и гидронасосные установки для хранения избыточной вырабатываемой возобновляемой энергии и соединения этого хранилища с высоковольтными линиями электропередачи, чтобы предложение могло удовлетворить спрос в сети.Китай является лидером в этом подходе, но это невероятно дорого и требует огромной политической воли.

    Мы думаем, что есть лучший способ. Вместо радикального расширения инфраструктуры электросетей наша работа в Университете Вермонта была сосредоточена на том, как координировать спрос в режиме реального времени, чтобы соответствовать все более изменчивому предложению. Наша технология берет две идеи, которые делают Интернет фундаментально масштабируемым — пакетирование и рандомизацию — и использует их для создания системы, которая может координировать распределенную энергию.Эти две концепции передачи данных позволяют миллионам пользователей и миллиардам устройств подключаться к Интернету без какого-либо централизованного планирования или контроля. Те же основные идеи могут работать и в электрической сети. Используя связь с низкой пропускной способностью и небольшие контроллеры, работающие с простыми алгоритмами, можно использовать миллионы электрических устройств для балансировки потока электроэнергии в локальной сети. Вот как.

    Спрос на электроэнергию в сети возникает из-за миллиардов электрических нагрузок.Их можно разделить на две большие категории: коммерческие и промышленные нагрузки и бытовые нагрузки. Из этих двух, жилые нагрузки гораздо более рассредоточены. Только в Соединенных Штатах насчитывается более 120 миллионов домохозяйств, на долю которых в совокупности приходится около 40 процентов годового потребления электроэнергии. Но бытовые потребители, как правило, не думают об оптимизации своих собственных электрических нагрузок в течение дня. Для простоты назовем эти бытовые нагрузки «устройствами», которые могут варьироваться от ламп и телевизоров до водонагревателей и кондиционеров.

    Последние устройства, наряду с зарядными устройствами для электромобилей и насосами для бассейнов, являются не только большими электрическими нагрузками (то есть мощностью более 1 киловатта), но и гибкими. В отличие от освещения или телевизора, которые вы хотите включить, как только щелкнете выключателем, гибкое устройство может отсрочить потребление и включиться в любое время — пока есть горячая вода для вашего душа, ваш бассейн чист, ваш электромобиль достаточно заряжен, и температура в помещении комфортная.

    В совокупности существует большая гибкость в бытовых электрических нагрузках, которые можно использовать для балансировки переменных поставок.Например, если бы в каждом домашнем хозяйстве в Калифорнии и Нью-Йорке было только одно устройство, которое могло бы гибко потреблять энергию в любое время, энергосистема имела бы эквивалент около 15 гигаватт дополнительной мощности, что более чем в 10 раз превышает объем, доступный в настоящее время. от аккумуляторной батареи общего назначения в этих состояниях.

    Вот что означает гибкость, когда речь идет об эксплуатации, скажем, бытового электрического водонагревателя. При нагреве воды типичный агрегат потребляет около 4,5 кВт.В течение обычного дня прибор работает примерно в десятую часть времени, потребляя около 10,8 киловатт-часов. Для домовладельца ежедневные расходы на эксплуатацию водонагревателя составляют менее 2 долларов США (при тарифе около 15 центов за кВтч). Но для коммунальных предприятий стоимость электроэнергии сильно варьируется: от номинальных 4 центов за кВтч до более 100 долларов за кВтч в пиковые годовые периоды. Иногда стоимость даже отрицательная: когда от ветряных или солнечных электростанций вырабатывается слишком много энергии, сетевые операторы фактически платят коммунальным службам за потребление излишков.

    Спрос и предложение на электроэнергию иногда могут резко расходиться. Пакетизация и рандомизация гибких электрических нагрузок позволяют спросу соответствовать доступному предложению.

    Университет Вермонта

    Чтобы снизить спрос в периоды пиковой нагрузки, коммунальные предприятия уже давно предлагают программы реагирования на спрос, которые позволяют им отключать водонагреватели, кондиционеры и другие нагрузки клиентов по фиксированному графику, например, в 16:00. до 9 вечера летом, когда использование исторически высоко.Если все, что мы хотим сделать, это уменьшить нагрузку в такие моменты, этот подход работает достаточно хорошо.

    Однако, если наша цель состоит в том, чтобы сбалансировать энергосистему в режиме реального времени, поскольку возобновляемая генерация непредсказуемо меняется с ветром и солнцем, то работы устройств в соответствии с фиксированным графиком, основанным на прошлом поведении, будет недостаточно. Нам нужен более гибкий подход, который выходит за рамки простого снижения пикового спроса и обеспечивает дополнительные преимущества, повышающие надежность энергосистемы, такие как чувствительность к ценам, сглаживание возобновляемых источников энергии и регулирование частоты.

    Каким образом операторы сети могут координировать множество распределенных, гибких устройств мощностью в киловатт, каждое из которых имеет свои собственные нужды и требования, для предоставления совокупного ресурса сети в масштабе гигаватт, реагирующего на сильно меняющееся предложение? Размышляя над этим вопросом, мы нашли вдохновение в другой области: цифровых системах связи.

    Цифровые системы представляют ваш голос, электронное письмо или видеоклип в виде последовательности битов. Когда эти данные передаются по каналу, они разбиваются на пакеты.Затем каждый пакет независимо маршрутизируется по сети к назначенному месту назначения. Как только все пакеты получены, данные восстанавливаются в исходную форму.

    Чем это похоже на нашу проблему? Интернетом ежедневно пользуются миллионы людей и миллиарды устройств. У пользователей есть свои индивидуальные устройства, потребности и модели использования, которые мы можем рассматривать как спрос, в то время как сама сеть имеет динамику, связанную с ее пропускной способностью, другими словами, с ее предложением. Тем не менее, спрос и предложение в Интернете сопоставляются в режиме реального времени без какого-либо централизованного планировщика.Точно так же миллиарды электрических устройств, каждое со своей собственной динамикой, подключаются к энергосистеме, чье питание, как мы уже отмечали, становится все более изменчивым.

    Признавая это сходство, мы разработали технологию пакетного управления энергопотреблением (PEM) для координации энергопотребления гибких устройств. Соавтор Хайнс давно интересовался надежностью энергосистемы и изучал, как сбои в линиях электропередачи могут привести к каскадным отключениям и системным отключениям электроэнергии.Тем временем Фролик, имеющий опыт работы в системах связи, работал над алгоритмами для динамической координации передачи данных от беспроводных датчиков таким образом, чтобы потреблять очень мало энергии. Благодаря случайному обсуждению мы поняли, что наши интересы пересекаются, и начали работать над тем, чтобы увидеть, как эти алгоритмы могут быть применены к проблеме зарядки электромобилей.

    Вскоре после этого Алмассалхи присоединился к нашему отделу и понял, что то, над чем мы работаем, имеет больший потенциал.В 2015 году он написал выигрышное предложение для программы ARPA-E NODES — это программа Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США — Energy’s Network Optimized Distributed Energy Systems. Финансирование позволило нам продолжить разработку подхода PEM.

    Вернемся к электрическому водонагревателю. При обычной работе водонагреватель управляется своим термостатом. Устройство включается, когда температура воды достигает нижнего предела, и работает непрерывно (при 4,5 кВт) в течение 20–30 минут, пока температура воды не достигнет верхнего предела.Пара черно-белых графиков в нижней части документа «Соотношение спроса на электроэнергию и предложения» показывает режимы включения и выключения 10 нагревателей: черный — выключен, белый — включен.

    В PEM каждая нагрузка работает независимо и в соответствии с простыми правилами. Вместо нагрева только тогда, когда температура воды достигает нижнего предела, водонагреватель будет периодически запрашивать потребление «пакета» энергии, где пакет определяется как потребление энергии в течение короткого периода времени, скажем, 5 минут. Координатор (в нашем случае — облачная платформа) одобряет или отклоняет такие пакетные запросы на основе целевого сигнала, отражающего условия сети, такие как доступность возобновляемой энергии, цена на электроэнергию и так далее.Верхний график в разделе «Соотношение спроса на электроэнергию с предложением» показывает, насколько близко потребление PEM соответствует целевому сигналу, основанному на поставках возобновляемой энергии.

    Чтобы гарантировать, что устройства с большей потребностью в энергии с большей вероятностью одобрят свои запросы, каждое устройство регулирует скорость своих запросов в зависимости от своих потребностей. Когда вода менее горячая, водонагреватель просится чаще. Когда вода горячее, он просит реже. Таким образом, система динамически приоритизирует устройства полностью децентрализованным образом, поскольку вероятность выполнения пакетных запросов пропорциональна потребности устройств в энергии.Затем координатор PEM может сосредоточиться на управлении входящими пакетными запросами, чтобы активно формировать общую нагрузку от множества пакетных устройств без необходимости централизованно оптимизировать поведение каждого устройства. С точки зрения заказчика в водонагревателе ничего не изменилось, так как эти запросы происходят полностью в фоновом режиме.

    Эти же концепции могут быть применены к широкому спектру энергоемких устройств. Например, зарядное устройство электромобиля или бытовая аккумуляторная система могут сравнить текущее состояние заряда батареи с ее желаемым значением, эквивалентным ее потребности в энергии, преобразовать это в вероятность запроса, а затем отправить запрос координатору PEM, который либо принимает или отклоняет запрос на основе сетки в реальном времени или рыночных условий.В зависимости от этих условий для полной зарядки аккумулятора может потребоваться несколько больше времени, но пользователь не должен испытывать неудобств.

    Таким образом, гибкие энергетические устройства обмениваются данными, используя общий простой язык запросов энергетических пакетов. В результате координатор не зависит от типа устройства, отправляющего запрос. Эта аппаратно-независимая координация аналогична сетевому нейтралитету в передаче данных. В общем, Интернету все равно, несет ли ваш пакет голосовые, видео или текстовые данные.Точно так же PEM не волнует, является ли устройство, запрашивающее пакет, водонагревателем, насосом для бассейна или зарядным устройством для электромобиля, поэтому он может легко координировать разнородное сочетание устройств мощностью в киловатт.

    Этот контроллер подключается к бытовому электрическому водонагревателю и использует простые алгоритмы для запроса «пакетов» энергии от облачного координатора для поддержания подходящей температуры.

    Пакетные энергетические технологии

    В настоящее время восходящие технологии, управляемые устройствами, такие как PEM, не получили широкого распространения.Вместо этого в большинстве современных технологий реагирования на спрос используется нисходящий подход, при котором координатор передает управляющий сигнал всем устройствам, сообщая им, что делать. Но если каждому устройству приказано делать одно и то же в одно и то же время, все может очень быстро пойти не так, поскольку энергопотребление устройств синхронизируется. Представьте себе эффект от одновременного включения (или выключения) миллионов кондиционеров, водонагревателей и зарядных устройств для электромобилей. Это будет означать гигаваттные всплески — как если бы большая атомная электростанция включалась или выключалась щелчком выключателя.Всплеск такого большого размера может привести к нестабильности сети, что может вызвать каскадное отключение электроэнергии. Вот почему большинство коммунальных предприятий сегодня разбивают устройства на группы, чтобы ограничить всплески порядка десятков мегаватт. Тем не менее, активное управление этими различными группами, помимо нескольких ежегодных пиковых событий, является проблемой для нисходящих подходов.

    Но если каждое устройство работает для удовлетворения своей уникальной потребности в энергии, то запросы пакетов (и результирующее потребление энергии) по своей сути рандомизируются, и в результате синхронизация становится гораздо менее важной.

    Нисходящий подход также затрудняет учет предпочтений клиентов в отношении горячей воды, заряженных автомобилей и прохладных домов в жаркие дни. Если мы собираемся координировать энергетические устройства, чтобы улучшить работу сети, нам нужно убедиться, что мы делаем это таким образом, чтобы потребитель практически не заметил и автоматически.

    Теперь рассмотрим, как PEM учитывает предпочтения отдельного клиента в случае с водонагревателем. Если температура воды падает ниже нижнего предела, а нагреватель еще не потребляет пачку энергии, он может временно «выйти» из схемы PEM и включиться до восстановления температуры.Водонагреватель сообщит координатору PEM об этом изменении своего режима работы, и координатор просто обновит свой учет совокупного потребления. Влияние этой отдельной загрузки на общую сумму невелико, но для клиента наличие гарантии горячей воды, когда это необходимо, укрепляет доверие и обеспечивает постоянное участие.

    Подход PEM, ориентированный на устройства, также упрощает работу координатора, поскольку ему не нужно централизованно отслеживать или моделировать каждое устройство для разработки оптимизированного расписания.Координатору нужно только отслеживать сетку и рыночные условия, отвечать на поток входящих запросов пакетов и вести учет «отключенных» устройств — другими словами, координатор управляет всего тремя наборами номеров.

    Чтобы повысить эффективность нашей работы, мы решили коммерциализировать PEM параллельно с нашими исследованиями и в 2016 году основали Packetized Energy. Компания развернула свою облачную платформу для координации энергетики в нескольких пилотных проектах, спонсируемых коммунальными предприятиями в Штаты и Канада.Каждый из этих проектов начался с модернизации существующих электрических водонагревателей интеллектуальным термостатом, который мы спроектировали, разработали и который прошел сертификацию UL. Мы также продемонстрировали PEM с зарядными устройствами для электромобилей, бытовыми аккумуляторами и термостатами. Нашим первым клиентом была коммунальная служба нашего родного города Вермонт, Burlington Electric Department. В 2018 году BED запустила первую в стране программу водонагревателей, полностью работающих на возобновляемых источниках энергии, которая теперь расширилась и теперь включает зарядные устройства для электромобилей.

    Наши проекты дали многообещающие результаты.«Демонстрация координации нагрузки в реальном времени» показывает, как PEM координировал нагрузку от 208 бытовых водонагревателей в Вермонте и Южной Каролине в течение типичного 2-часового периода. Нагреватели [оранжевая линия] следовали за быстро меняющимся целевым значением [черная линия], которое колебалось от примерно половины номинальной нагрузки до примерно вдвое большей нагрузки [красная линия].

    По мере масштабирования системы до тысяч устройств с пакетной обработкой асинхронные запросы пакетов будут отображаться как непрерывный сигнал. Наше моделирование показывает, что в этом масштабе любые разрывы между целевым и фактическим исчезают.Совокупная нагрузка по крайней мере так же быстро реагирует, как время реакции современной электростанции, работающей на природном газе, и вам не нужно нести расходы на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание физической установки.

    Снижение затрат на датчики и микроконтроллеры приводит к быстрому росту Интернета вещей. В сочетании с технологией «умный дом» IoT позволяет представить мир, в котором все энергетические устройства — нагрузки, накопители энергии и генераторы — активно координируются, чтобы поддерживать стабильность сети и в полной мере использовать преимущества возобновляемых источников энергии.Но проблемы действительно ждут впереди.

    Во-первых, сегодня существует мало стандартов, которыми могли бы руководствоваться производители, заинтересованные в координации на уровне устройств, и нет реальных стимулов для принятия ими какого-либо конкретного подхода. Это привело к распространению проприетарных технологий, решающих одну и ту же фундаментальную проблему. И здесь мы снова можем черпать вдохновение из Интернета: маловероятно, что собственные решения масштабируются до такой степени, чтобы решать имеющиеся энергетические проблемы. Новые инициативы, продвигаемые промышленностью, такие как EcoPort (ранее CTA 2045) и Matter (ранее Connected Home over IP) обещают безопасную связь с малой задержкой с устройствами разных производителей.Технические комитеты, рабочие группы и целевые группы IEEE также играют вспомогательную роль, например, технический комитет IEEE Power and Energy Society по умным зданиям, нагрузкам и потребительским системам. Мы надеемся, что в будущем эти усилия будут беспрепятственно поддерживать описанные здесь концепции «пакетизации» на основе устройств, а не просто служить традиционным нисходящим архитектурам связи и управления.

    Также необходимы стимулы для потребителей электроэнергии, чтобы изменить потребление энергии.Сейчас ежедневная стоимость электроэнергии для бытового водонагревателя примерно одинакова, независимо от того, когда водонагреватель включается. У домовладельца нет финансовой выгоды от запуска водонагревателя, когда возобновляемая энергия высока или оптовая цена на электроэнергию низка. Регуляторным органам, коммунальным предприятиям и другим сторонам необходимо будет переосмыслить и переработать программы стимулирования и гибкого спроса, чтобы гарантировать, что взносы и вознаграждения будут справедливыми и равными для всех клиентов. Им также необходимо информировать потребителей о том, как работает программа.

    Существует множество прецедентов для решения таких технических и политических задач. Общедоступная система, которая является справедливой, гибкой, доступной, надежной, отказоустойчивой и масштабируемой, очень похожа на Интернет. Пакетное управление энергопотреблением, основная конструкция которого основана на передаче данных в Интернете, принесет те же важные преимущества. По мере того, как мы переходим к новому типу сети, основанной на распределенной и возобновляемой генерации, нам потребуются новые технологии и новые парадигмы. К счастью, у нас есть проверенная временем модель, которая указывает нам путь.

    Эта статья появилась в печатном выпуске за февраль 2022 г. под названием «Пакетизация энергосистемы».

    Аккумуляторы | Бесплатный полнотекстовый | Концентрация присадок к электролиту для максимального накопления энергии в свинцово-кислотных батареях

    1. Введение

    Добавление химической добавки к электролиту свинцово-кислотной батареи может изменить удельную энергию, которую батарея может хранить. Этот факт был известен с момента изобретения батареи и в настоящее время представляет большой интерес для аккумуляторной промышленности.В этой статье представлен общий метод оценки влияния добавок к электролиту на энергоемкость свинцово-кислотной батареи и определения наилучшей концентрации добавок для использования. Рассматриваемая здесь добавка к электролиту носит довольно общий характер. Это может быть химическое соединение или смесь химических веществ; суспензия или гель, используемые для иммобилизации электролита. Единственным ограничением является то, что добавка — что бы это ни было — должна находиться в химическом равновесии и иметь низкую реакционную способность по отношению к другим компонентам батареи.

    Добавки также добавляют в электролит батареи по целому ряду других причин, таких как продление срока службы батареи, снижение коррозии электродов, улучшение проводимости, снижение газовыделения на электродах, защита от перезарядки или глубокой разрядки и т. д. полезное в одних отношениях может быть вредным в других. Таким образом, выбор и концентрация добавки всегда должны оцениваться с точки зрения побочных эффектов, которые она вызывает. Это означает, в частности, что добавка, повышающая энергоемкость батареи, может оказаться нежизнеспособной, по крайней мере, при определенных концентрациях, из-за других нежелательных эффектов, которые она вызывает.

    Существуют сотни статей, книг и патентов, посвященных добавкам к электролиту и их влиянию на свинцово-кислотные аккумуляторы. Полный обзор литературы вышел бы за рамки настоящей статьи. Глава 3 книги Павлова [1] содержит сравнительно краткий обзор основной литературы по теме примерно до 2011 года. Речь идет о классических неорганических добавках (фосфорная кислота, борная кислота, лимонная кислота, сульфат стронция, сульфат натрия), углеродных суспензиях, и эмульсии органических полимеров.В настоящее время активно изучается большой потенциал ионных жидкостей в качестве добавок к электролитам [2] благодаря способности этих солей расширять электрохимическое окно воды [3,4,5]. Кроме того, большой практический интерес представляет изучение добавок, образующих гелеобразные электролиты, в связи с их применением в области электродвижения [6,7,8]. Недавно в работе [9] было представлено интересное исследование по добавлению добавки в гелеобразный электролит.

    Разнообразие доступных добавок делает невозможным дать общие правила в отношении наилучшей добавки и наилучшей концентрации для использования для данной цели.Поэтому настоящая статья по необходимости должна быть несколько ограничена по объему. По этой причине, игнорируя другие эффекты, в данной статье основное внимание уделяется влиянию добавок на энергоемкость аккумулятора. Представленный анализ обеспечивает общий способ оценки влияния любой добавки к электролиту в отношении этой емкости. Он также показывает, как концентрация добавки, которая максимизирует эту способность, может быть определена на основе небольшого количества основных экспериментальных данных. Конечно, положительная оценка добавки в отношении энергоемкости батареи не исключает необходимости выяснить, вызывает ли добавка нежелательные побочные эффекты и в какой степени.Однако при поиске наилучших добавок для увеличения энергоемкости батареи результаты настоящей статьи могут помочь быстро отказаться от неэффективных добавок, что значительно упростит процесс выбора.

    Центральным в анализе этой статьи является наблюдение, что при любой конечной температуре внутренняя энергия любой системы конечного объема должна быть конечной. Это следствие принципа сохранения энергии или первого закона термодинамики. При довольно широких допущениях, которым удовлетворяет большинство природных систем и, в частности, растворы электролитов, это наблюдение вместе со вторым законом термодинамики подразумевает ограничение удельной свободной энергии, которую электролит может запасать и отдавать изотермически.Этот вопрос обсуждается в разделе 3. Подобный анализ ранее применялся в [10] для определения максимальной энергоемкости живой клетки — задачи, концептуально аналогичной рассматриваемой здесь. Настоящий подход приводит к определению предельная кривая батареи (раздел 4). Эта кривая определяет предельную концентрацию компонентов электролита, при превышении которой в аккумуляторе происходят необратимые изменения или повреждения, что может привести к сокращению срока службы аккумулятора. В случае свинцово-кислотного аккумулятора это повреждение проявляется в выделении O 2 на положительном электроде при избыточном заряде или в необратимом сульфатировании отрицательного электрода при избыточном разряде.Упомянутая предельная кривая служит инструментом не только для определения значения максимального увеличения энергоемкости батареи, которое может быть достигнуто при использовании данной добавки к электролиту, но и для определения значения концентрации добавки, обеспечивающей это максимальное увеличение. . Это также приводит к установлению теоретических пределов заряда, в пределах которых батарея может работать без необратимых изменений. Практический пример применения полученных результатов приведен в разделе 5.

    2. Свободная энергия аккумуляторных электролитов с добавками

    Свободная энергия раствора или смеси представляет собой сумму свободных энергий ее компонентов. Так, если nh3O, nh3SO4 и n j (j = 1, 2, …, k) обозначают соответственно моли воды, серной кислоты и примесей, то свободная энергия Гиббса атома Pb — кислотный аккумуляторный электролит при давлении р и абсолютной температуре Т определяется по формуле:

    G=G(nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk, p, T)=nh3O µh3O+nh3SO4 µh3SO4+∑j=1k nj µj+C

    (1)

    Здесь µh3O, µh3SO4 и µ j — парциальные молярные свободные энергии Гиббса или химические потенциалы воды, серной кислоты и добавок соответственно, а C — произвольная константа.Химический потенциал любого компонента раствора или смеси всегда можно выразить в виде:

    μ =μo(po,T)+V¯ Δp+R T lna

    (2)

    В этом уравнении μ o – химический потенциал рассматриваемого компонента в стандартном состоянии при давлении p o и температуре T, а V¯ – парциальный молярный объем того же компонента, R – универсальная газовая постоянная , Δp означает p − p o и, наконец, a – активность или эффективная концентрация рассматриваемого компонента.

    В дальнейшем молярное отношение:

    xh3O=nh3Onh3O+nh3SO4+∑j=1k nj

    (3)

    принимается за меру концентрации растворителя, а концентрации серной кислоты и добавок измеряются в молялях (моль на кг H 2 O) и обозначаются bh3SO4 и b j соответственно. То есть:

    bh3SO4= nh3SO4mh3O =nh3SO4n h3O Mh3O 

    (4)

    и:

    bj=njmh3O =njn h3O Mh3O 

    (5)

    где М Н 2 О = 18.015 × 10 −3 кг·моль −1 — молярная масса воды. В этих обозначениях активности компонентов электролита можно выразить как:

    ah3O=γh3O xh3O=γh3O nh3Onh3O+nh3SO4+∑j=1k nj

    (6)

    ah3SO4=γh3SO4 bh3SO4=γh3SO4 nh3SO4mh3O =γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O 

    (7)

    и:

    aj=γj  bj=γj  njmh3O =γj  njn h3O Mh3O 

    (8)

    где γh3O, γh3SO4 и γ j – соответствующие коэффициенты активности, которые, в общем случае, зависят от nh3O, nh3SO4 и n j , кроме T и p.Выражая µh3O, µh3SO4 и µ j в уравнении (2) и используя уравнения (6)–(8), мы можем записать уравнение (1) в виде:

    G = nh3O μh3Oo (Ро, Т) + nh3SO4 μh3SO4o (Ро, Т) + Σj = 1s щ μjo (Ро, Т) + VΔp + R, T [nh3Oln γh3O nh3Onh3O + nh3SO4 + Σj = 1k + щ nh3SO4ln γh3SO4 nh3SO4n Н3О Mh3O+∑j=1k njlnγj nj n h3O Mh3O ]+C

    (9)

    При написании этого уравнения мы использовали следующее уравнение:

    V=nh3O V¯h3O+nh3SO4 V¯h3SO4+∑j=1k nj V¯j

    (10)

    которая связывает парциальные молярные объемы V¯h3O, V¯h3SO4 и V¯j компонентов электролита с объемом электролита V.Свободная энергия Гельмгольца, Ψ и свободная энергия Гиббса связаны друг с другом известным уравнением: Отсюда и из уравнения (9) получается свободная энергия Гельмгольца электролита:

    Ψ = NH3O μH3OO (PO, T) + NH3SO4 μH3SO4O (PO, T) + σj = 1S NJ μJO (PO, T) — POV + R T [NH3OLN γH3O NH3ONH3O + NH3SO4 + ΣJ = 1K NJ + NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4N H3O Mh3O+∑j=1k njlnγj nj n h3O Mh3O ]+C

    (12)

    Приведенные выше формулы являются стандартными. Однако, как видно из уравнения (7), введенный выше коэффициент активности γh3SO4 относится к общей концентрации серной кислоты.Этот коэффициент следует отличать от среднего коэффициента активности ионов серной кислоты, который может быть обозначен как γh3SO4± и обычно рассматривается в электрохимии (хотя и реже при работе со свинцово-кислотными батареями). Использование γh3SO4 вместо γh3SO4± упрощает последующие формулы, поскольку детали диссоциации серной кислоты на ионы не играют явной роли в данном подходе. Соотношение между двумя коэффициентами активности:

    γh3SO4= 4 (bh3SO4)2·(γh3SO4±)3

    (13)

    Это можно получить из уравнения (7), если ah3SO4 выразить как функцию γh3SO4± в соответствии со стандартными формулами для ионных растворенных веществ (см.г., раздел 7.4 в [11]). Как γh3SO4, так и γh3SO4± зависят от bh3SO4, и их лучше всего определять из эксперимента. Важное упрощение уравнения (12) достигается введением следующего уравнения:

    ∑j=1k nj lnγj njn h3O M h3O  =nadd lnγadd naddn h3O M h3O 

    (14)

    доказательство которого в несколько измененном виде дано в [10]. В этом уравнении мы устанавливаем:

    надд =∑j=1k nj

    (15)

    и:

    γadd=M h3Onadd  [ ∏j=1k (γj njMh3O)nj ] 1neq

    (16)

    где символ Π указывает произведение последовательности, т.е.е.,:

    ∏i=1kyi=y1⋅y2⋅…⋅yk

    (17)

    Переписывая правую часть уравнения (12) как сумму двух частей и используя уравнение (14), свободная энергия Гельмгольца электролита может быть выражена в общем виде как:

    Ψ=  Ψ′ +  Ψ″

    (18)

    где функции Ψ′ и Ψ″ задаются формулой:

    Ψ′=Ψ′(nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk, po, T)=nh3O µh3Oo(po,T)+nh3SO4 µh3SO4o(po,T)+∑j=1s nj µjo(po, Т)+С

    (19)

    и:

    Ψ «= ψ» (NH3O, NH3SO4, NADD, P, T) = R t [NH3OLN γH3O NH3O NH3O + NH3SO4 + NH3O NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4N H3O MH3O + NADDLNγADD NADD N H3O MH3O] -POV

    (20)

    соответственно.Как обсуждается в следующем разделе, Ψ″ — это часть Ψ, которая определяет допустимый диапазон электролита. Таким образом, что касается определения этого диапазона, уравнение (20) позволяет нам заменить все добавки к электролиту только одной фиктивной добавкой в ​​количестве n add и коэффициентом активности γ add . Такая добавка будет называться эквивалентной добавкой. Уравнение (20) является довольно общим. Это относится к любой комбинации добавок, будь то жидкости, твердые суспензии, коллоиды или любая их смесь.Независимо от количества и вида добавок значения n add и γ add можно определить экспериментально, используя тот факт, что, как обсуждается в следующем разделе, существует предел максимального количества свободной энергии, которое любая конечная система может храниться в изотермических условиях. Подробности соответствующей экспериментальной процедуры приведены в Разделе 5.

    3. Предел свободной энергии раствора электролита

    При любой заданной конечной температуре количество нетепловой энергии, которую конечная система может хранить или поставлять, конечно.Это прямое следствие первого закона термодинамики. Это подразумевает предел максимальной энергии, которую система может хранить. При рассмотрении в свете второго начала термодинамики предел максимальной энергии влечет за собой ограничение на состояния, которых может достичь система, не подвергаясь необратимым изменениям своих конститутивных свойств. При достаточно общих предположениях такое ограничение определяет область всех состояний, в которые система может попасть без необратимых изменений своих свойств.Эта область является (термодинамически) допустимым диапазоном системы. Его границы являются предельной поверхностью системы. Частный случай решений, который нас интересует в этой статье, подробно обсуждается в [10]. Систематическое введение по этому вопросу, включая общие системы, содержится в [12].

    Из классической термодинамики мы знаем, что при постоянной температуре количество нетепловой энергии, которую система может хранить или отдавать, равно изменению свободной энергии Гельмгольца системы.Однако не вся свободная энергия системы подвергается термодинамическому ограничению. Например, любая чисто механическая часть свободной энергии системы, например потенциальная энергия, обусловленная весом системы, не ограничивается термодинамикой. Поэтому при поиске допустимого диапазона системы следует пренебречь той частью свободной энергии системы, которая не ограничена термодинамикой.

    В данном случае часть свободной энергии электролита, не ограниченная термодинамикой, равна Ψ′.Это видно из уравнения (19), поскольку Ψ′ равно сумме свободных энергий компонентов электролита в их стандартном состоянии. Таким образом, Ψ′ зависит от количеств этих компонентов (nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk) независимо от того, находятся ли они в растворе или отделены друг от друга. Поскольку не существует термодинамического предела для количества материала, которое можно объединить для образования системы, нет термодинамического предела для значений, которые может принимать Ψ′. Ситуация совершенно иная для Ψ″.Как следует из уравнений (6)–(8) и (20), Ψ″ зависит от концентрации вышеуказанных компонентов. Таким образом, это относится к энергии, которую эти компоненты имеют в результате их взаимного взаимодействия после их смешивания. Следовательно, любое термодинамическое ограничение энергии раствора электролита должно быть ограничением Ψ″, хотя полная свободная энергия раствора представляет собой сумму Ψ″ плюс часть энергии Ψ′, которую несет каждый компонент независимо от присутствия других компонентов.

    На самом деле можно проверить, что Ψ″ составляет лишь малую часть Ψ. Самая большая часть общей свободной энергии, которую батарея может хранить или поставлять, связана с Ψ′ и происходит от изменений в nh3O и nh3SO4, возникающих в результате химических реакций, происходящих в электролите. Однако при всей своей малости Ψ″ определяет допустимый диапазон электролита. Как следствие, Ψ″ устанавливает предел общей свободной энергии батареи, Ψ, поскольку ограничивает диапазон изменения nh3O и nh3SO4.Аналогичная ситуация может иметь место и для растворов, содержащих химически реагирующие компоненты. Например, в случае живой клетки та часть свободной энергии цитозоля, которая определяет допустимый диапазон клетки, составляет лишь долю полной свободной энергии цитозоля [10]. И в этом случае небольшая часть полной свободной энергии цитозоля ограничивает количество компонентов раствора, тем самым ограничивая энергию, которую живая клетка может запасать или выделять, а значит, и ее работоспособность.Чтобы сделать следующий анализ независимым от количества электролита, удобно ссылаться на молярную концентрацию Ψ″ на кг растворителя. Эта концентрация энергии обозначается ψ″ и получается путем деления обеих частей уравнения (20) на nh3OMh3O (т. е. на вес в килограммах воды, содержащейся в электролите):

    ψ «= ψ» (nh3O, nh3SO4, Надд, р, Т) = Р Т Mh3O [Ln γh3O nh3O nh3O + nh3SO4 + Надд + nh3SO4nh3Oln γh3SO4 nh3SO4n Ие + Mh3O naddnh3Olnγadd Надд п Его Mh3O] -poV¯Mh3O

    (21)

    где V¯ – объем электролита на моль растворителя:

    В обоих приведенных выше уравнениях nh3O является переменной, поскольку количество молей воды в электролите меняется по мере зарядки или разрядки аккумулятора.

    В дальнейшем температура считается постоянной. Кроме того, зависимость свободной энергии от р будет игнорироваться, как это обычно делается в отсутствие газообразных фаз, а также при работе при постоянном или близком к нему давлении. Таким образом, если ψmax″ является значением, которое ψ″ достигает на термодинамическом пределе, упомянутом выше, следующее соотношение: относится ко всем состояниям, которых может достичь электролит при рассматриваемой температуре. Вместе с уравнением (21) уравнение (23) определяет допустимый диапазон электролита в пространстве переменных nh3O, nh3SO4, nadd.Предельная поверхность электролита является границей этого диапазона:

    Следовательно, она эквипотенциальна для ψ″ или Ψ″ (однако одна и та же поверхность не является эквипотенциальной для полной свободной энергии системы или ее части Ψ′, как уравнения (18) и (19) шоу).

    Хотя V¯ является переменной величиной, она претерпевает незначительные изменения (менее 0,3%) при нормальной работе батареи. Что касается настоящего анализа, член p° V¯/Mh3O, фигурирующий в уравнении (21), можно рассматривать как константу.Как следствие, его вкладом в ψ″ и ψmax″ можно в хорошем приближении пренебречь при применении уравнений (23) и (24), поскольку добавление или вычитание постоянного члена к обеим частям этих соотношений несущественно. Соответственно, при определении допустимого диапазона и предельной поверхности электролита или предельной кривой батареи в дальнейшем мы будем игнорировать слагаемое −p° V¯/Mh3O в правой части уравнения (21). С этой оговоркой допустимый диапазон электролита может быть выражен как:

    R T Mh3O[lnγh3O nh3O nh3O+nh3SO4+nadd+nh3SO4nh3Oln γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O+naddnh3Olnγadd nadd n h3O Mh3O ]≤9ψ9max

    (25)

    В трехмерном пространстве (nh3O, nh3SO4, n + ) это соотношение определяет область всех состояний, в которые электролит может попасть без необратимых изменений.Границей этой области является предельная поверхность электролита:

    R T Mh3O[lnγh3O nh3O nh3O+nh3SO4+nadd+nh3SO4nh3Oln γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O+naddnh3Olnγadd nadd n h3O Mh0O″]=ψ0max

    (26)

    и представляет собой поверхность в упомянутом выше трехмерном пространстве.

    4. Допустимый диапазон батареи и предельная кривая

    Не все состояния допустимого диапазона из уравнения (25) доступны для электролита внутри батареи. В нормальных условиях эксплуатации батарея не обменивается веществом с окружающей средой.В этих условиях общее количество молекул воды и серной кислоты внутри аккумулятора остается постоянным. Это прямое следствие известной общей реакции, управляющей работой батареи:

    Pb (т) + PbO 2 (т) + 2H 2 SO 4 (водн.) ⇌ 2PbSO 4 (т) + 2H 2 O (л)

    (27)

    Реакция идет слева направо во время разряда аккумулятора. Это производит две молекулы воды на каждые две молекулы серной кислоты, которые потребляются.Зарядка батареи запускает реакцию в противоположном направлении, таким образом производя две молекулы серной кислоты на каждые две молекулы потребляемой воды. В обоих случаях сумма nh3O и nh3SO4 остается постоянной. Таким образом, в любой момент процесса зарядки или разрядки аккумулятора мы имеем:

    n h3O+nh3SO4= n¯

    (28)

    где n¯ — константа. Значение этой константы зависит от подготовки батареи и может быть определено по значениям nh3O и nh3SO4 в любой момент срока службы батареи.В частности, пусть nh3Oo и nh3SO4o — значения nh3O и nh3SO4 электролита, который необходимо ввести в батарею. Они совпадают со значениями nh3O и nh3SO4 электролита внутри батареи, поскольку батарея начинает работать после заполнения. Следовательно, должно выполняться следующее уравнение:

    n¯= nh3Oo+nh3SO4o

    (29)

    которое фиксирует n¯. Уравнение (28) можно использовать для исключения переменной nh3O из уравнений (25) и (26). Это уменьшает количество независимых переменных, появляющихся в этих уравнениях, тем самым еще больше ограничивая диапазон состояний, которые может достичь электролит.Более явно, вводя уравнение (28) в уравнение (25), мы получаем допустимый диапазон батареи:

    Р Т Mh3O [Ln γh3O (N-nh3SO4) n- + Надд + nh3SO4n¯-nh3SO4ln γh3SO4 nh3SO4 (N-nh3SO4) Mh3O + naddn¯-nh3SO4lnγadd Надд (N-nh3SO4) Mh3O] ≤ψmax «

    (30)

    Это область плоскости (nh3SO4, n add ), содержащая все состояния, которые может достичь электролит при нормальной работе батареи без необратимых изменений. Его границей является предельная кривая батареи.Его получают, взяв знак равенства в уравнении (30):

    Р Т Mh3O [Ln γh3O (N-nh3SO4) n- + Надд + nh3SO4n¯-nh3SO4ln γh3SO4 nh3SO4 (N-nh3SO4) Mh3O + naddn¯-nh3SO4lnγadd Надд (N-nh3SO4) Mh3O] = ψmax «

    (31)

    Эта кривая на плоскости (nh3SO4, n add ) ограничивает область всех состояний, в которые электролит может обратимо перейти при работе внутри батареи.

    Уравнения (27)–(31) применимы к свинцово-кислотным батареям, содержащим нереагирующие добавки к электролиту, т.е.т. е. добавки, не вступающие в химическую реакцию между собой или с другими компонентами батареи. Нереагирующие добавки обычно используются в коммерческих аккумуляторах. Как указывалось ранее, это единственные добавки, о которых мы говорим в этой статье. Те же уравнения применимы, в частности, и при отсутствии добавок к электролиту, в этом случае n добавить = 0,

    Типичная предельная кривая ψ″ = ψmax″ и, таким образом, сдвигает состояние батареи вверх, т.е. по линии АВ на рисунке 1.Допустимый диапазон батареи — это заштрихованная область на кривой. Количество добавки в электролите остается постоянным во время заряда и разряда, так как добавка химически неактивна. Таким образом, зарядка или разрядка батареи в этом диапазоне смещает состояние батареи вверх и вниз по вертикальной линии, n добавить = постоянное, в плоскости рисунка 1. В электролите происходят необратимые изменения, если предельная кривая батареи превышен. Более конкретно, зарядка аккумулятора увеличивает nh3SO4 и, таким образом, сдвигает состояние аккумулятора вверх, т.е.е., вдоль линии AB на рисунке 1. Процесс обратим до тех пор, пока состояние батареи остается в пределах сегмента AB. Однако при превышении точки А на положительном электроде происходит выделение кислорода, что делает процесс необратимым. Аналогичная ситуация возникает при разрядке. В этом случае в процессе разрядки расходуется серная кислота, и состояние батареи движется вниз по линии AB. Точка B на предельной кривой батареи — это предел обратимого разряда. За пределами этой точки напряжение батареи становится ниже напряжения, необходимого для поддержания реакции отрицательного электрода:

    Pb + H 2 SO 4 ⇌ PbSO 4 + H 2

    (32)

    в химическом равновесии.Это приводит к необратимому протеканию реакции вправо. Это явление происходит сравнительно быстро и известно как сульфатация. Это приводит к образованию нерастворимых кристаллов PbSO 2 на отрицательном электроде с сопутствующим выделением водорода. Выделение кислорода и водорода в пределах допустимого диапазона связано с электрохимическими окнами воды. Читатель может обратиться к соответствующей литературе за подробностями о химических реакциях, которые регулируют электрохимическую стабильность воды в водных электролитах (см.г., ([13,14,15,16,17]). Ширина допустимого диапазона по вертикали через n и обозначена на рис. 1 как Δnh3SO4. Эта ширина представляет собой максимальное количество серной кислоты, которое , на килограмм воды-растворителя, может обратимо реагировать в соответствии с уравнением (27). Таким образом, чем больше эта ширина, тем большее количество энергии аккумулятор может хранить и производить без ухудшения качества электролита. Максимальное значение Δnh3SO4 достигается при n add = nadd∗ и обозначено на рисунке выше как Δnh3SO4∗.Поскольку количество воды-растворителя зависит от состояния заряда батареи, может быть удобно определять концентрацию добавки относительно фиксированного состояния заряда батареи. Это будет считаться гипотетическим состоянием полного разряда, которого батарея достигнет, когда вся серная кислота в электролите будет израсходована в соответствии с уравнением (27). В этом состоянии количество воды в электролите будет n h3O= n¯, согласно уравнению (28). Следовательно, применительно к этому гипотетическому состоянию молярная концентрация добавки к электролиту, соответствующая nadd∗, определяется выражением:

    badd∗= nadd∗ n¯  Mh3O 

    (33)

    Это можно рассматривать как номинальную молярность добавки, которая требуется для обеспечения максимальной емкости накопления энергии в батарее.

    Пусть Δnh3SO4o будет значением Δnh3SO4, когда электролит батареи не содержит добавок (см. рис. 1). Поскольку энергия, которую батарея может накапливать или отдавать, пропорциональна количеству молей серной кислоты, которые подчиняются уравнению (27), отношение:

    ηmax= Δnh3SO4∗−Δnh3SO4o Δnh3SO4o

    (34)

    представляет собой наибольшее относительное увеличение максимальной емкости накопления энергии, которое может быть получено от данной добавки к электролиту. Конечно, η max зависит от используемой добавки из-за зависимости от добавки предельной кривой батареи.

    5. Экспериментальное определение предельной кривой

    Для определения предельной кривой батареи нам необходимо знать значения ψmax″ и γ добавить , которые необходимо ввести в уравнение (31). Эти значения могут быть определены экспериментально следующим образом: Начнем с наблюдения того, что уравнение (31) верно, в частности, когда электролит не содержит добавок. В этом случае n добавить = 0, и уравнение (31) сводится к:

    R T Mh3O[ln γh3O  (n¯−nh3SO4)n¯+nh3SO4n¯−nh3SO4ln γh3SO4 nh3SO4 (n¯−nh3SO4) Mh3O ]=ψmax″

    (35)

    Это уравнение применимо к пределу допустимого диапазона батареи.Появляющаяся здесь величина n¯ определяется уравнением (29). Это зависит от подготовки батареи, но не от наличия добавок к электролиту. Таким образом, работая на аккумуляторе, лишенном добавки к электролиту, мы увеличиваем состояние заряда аккумулятора до тех пор, пока не достигнем предельной точки, за которой кислород начинает выделяться на положительном электроде в условиях разомкнутой цепи (точка A° на рис. 1). Появление этого необратимого явления свидетельствует о том, что состояние батареи достигло предельной кривой.Мы определяем значение nh3SO4 на этом пределе и подставляем его в уравнение (35). Таким образом, мы можем рассчитать ψmax″. Как известно, концентрация серной кислоты и напряжение батареи связаны друг с другом (см., например, [18,19,20,21]). Следовательно, вместо того, чтобы определять предельное значение nh3SO4, мы можем определить максимальное напряжение холостого хода, при котором батарея поддерживает свой заряд без образования кислорода на положительном электроде. Это напряжение значительно выше, чем стандартное напряжение (1.229 В) электролиза воды [22] из-за перенапряжения, возникающего на электродах батареи. Степень перенапряжения зависит от свойства поверхности электродов и наличия в электродах небольших количеств различных добавок, вводимых при их изготовлении. Как видно из уравнений (20) и (21), функции Ψ″ и ψ″ не зависят от свободной энергии электродов. Однако перенапряжение, создаваемое электродами, влияет на допустимый диапазон батареи и предельную характеристику, поскольку влияет на предельное значение nh3SO4 и, следовательно, на значение ψmax″.Это делает допустимый диапазон батареи и предельную кривую зависящими от свойств батареи в целом, а не только от свойств ее электролита.

    Процедура определения γ прибавить аналогична процедуре определения ψmax″. Однако в этом случае электролит батареи должен содержать известное количество добавки. Снова заряжаем аккумулятор до предела, при котором на положительном электроде выделяется кислород в условиях разомкнутой цепи. Определяем соответствующее значение nh3SO4 и подставляем его вместе с рассматриваемым значением n и добавляем в уравнение (31).Поскольку ψmax″ уже определено, единственным неизвестным в этом уравнении является γ add , которое, таким образом, может быть определено. Из-за наличия трансцендентных членов значение γ add лучше всего вычислять графически или численно.

    Для примера возьмем типичный автомобильный аккумулятор при комнатной температуре (T = 25 °C = 298,15 K). Мы предполагаем, что на момент изготовления электролит в аккумуляторе содержит 1 кг воды с молярной концентрацией серной кислоты bh3SO4o = 6 моль/кг.Это означает, что nh3Oo = 55,51 моль и nh3SO4o = 6 моль. Таким образом, n¯ = 55,51 + 6 = 61,51 моль, как следует из уравнения (29). Оставив электролит без присадок, зарядим батарею и найдем, что bh3SO4 = 7,25 моль/кг — это наибольшая концентрация серной кислоты, которую батарея может поддерживать в условиях разомкнутой цепи без образования кислорода на своем положительном электроде (эта концентрация соответствует напряжению 2,16 В — или 12,96 В для шестиэлементной батареи — по имеющимся в литературе данным [19]).Как видно, заряд и разряд батареи происходят при постоянном n¯. Таким образом, с учетом уравнения (28) находим, что приведенное выше значение bh3SO4 = 7,25 моль/кг означает nh3SO4 = 7,10 моль и nh3O = 54,41 моль в электролите батареи. Вводя в уравнение (35) значения γh3O и γh3SO4, соответствующие этому значению bh3SO4, которые доступны из литературы и приведены в Приложении, и учитывая, что R = 8,3143 Дж·К −1 ·моль −1 и Mh3O = 18,015 × 10 −3 кг·моль −1 , вычисляем, что для рассматриваемой батареи ψmax″ = −20.25 Дж·кг −1 .

    Для определения γ прибавляем , добавляем произвольное количество рассматриваемой добавки в электролит аккумулятора. Пусть n добавляет, например, = 5 моль. Эксплуатируя таким образом модифицированную батарею, мы находим, что предел разомкнутой цепи для выделения кислорода на положительном электроде наступает, когда заряд батареи соответствует количеству серной кислоты, скажем, nh3SO4 = 6,74 моль. Подставляя это значение nh3SO4 в уравнение (35), мы вычисляем, что γ добавляет = 0.64, что можно проверить из того же уравнения, как только мы установим n , добавим = 5 моль, n¯ = 61,51 моль и ψmax″ = -20,25 Дж·кг -1 .

    Наконец, подставляя эти значения n¯, ψmax″ и γ , добавляя в уравнение (35) и используя выражения γh3O и γh3SO4, приведенные в Приложении, мы получаем аналитическое выражение предельной кривой рассматриваемая батарея. Эта кривая представлена ​​на рис. 2. Из этого же рисунка находим, что Δnh3SO4o = 5,48 моль и Δnh3SO4∗ = 6.14 мол. Отсюда следует, что η max = 0,12 согласно уравнению (34). Таким образом, рассматриваемая в данном примере добавка к электролиту может увеличить энергоемкость батареи до 12 %. Как показано на рисунке, количество добавки, необходимое для получения максимальной емкости накопления энергии, составляет nadd∗ = 1,48 моль. Соответствующая номинальная молярность добавки равна badd* = 1,34 моль/кг согласно уравнению (33).

    Различные добавки могут по-разному влиять на батарею. Например, для той же батареи, рассмотренной в приведенном выше примере, добавка с γ добавляет = 0.3 может привести к увеличению емкости аккумулятора на 25%. Это можно легко проверить из уравнения (35), построив предельную кривую для γ add = 0,3 и тех же значений n¯ и ψmax″, которые приведены выше. В этом случае количество добавки, создающей максимальную энергоаккумулирующую способность, будет nadd* = 3,23 моль, что означает badd* = 2,91 моль/кг.

    В приведенном выше анализе мы рассматривали γ add как константу, пренебрегая, таким образом, любой возможной зависимостью γ add от концентрации добавки.Это может быть приемлемым, если концентрация добавки умеренно низкая (как это имеет место во многих приложениях) или если мы ограничиваем наше внимание достаточно небольшим участком предельной кривой. Если требуется большая точность, описанную выше процедуру для определения γ add можно повторить несколько раз для необходимого количества различных значений n add . Полученные таким образом значения γ add можно затем использовать для определения функции γ add (n add ), которую можно заменить γ add в уравнении (35), если аппроксимация γ add = константаоказывается неадекватным.

    Вместо того, чтобы заряжать аккумулятор до предела выделения кислорода, представленного точкой A° на рисунке 1, мы могли бы, в принципе, определить ψmax″, разрядив аккумулятор без присадок до точки B° на том же рисунке. Это точка предельной поверхности батареи, в которой начинается сульфатация отрицательного электрода. Как только определена концентрация серной кислоты, соответствующая этому нижнему пределу, можно определить предельную кривую, как описано выше.Обе процедуры должны давать одно и то же значение ψmax″, поскольку и A°, и B° принадлежат одной и той же кривой ψ″=ψmax″. Однако ссылка на предел выделения кислорода представляется более практичной, так как сульфатирование — довольно медленное явление.

    6. Выводы

    Известно, что на энергоемкость свинцово-кислотного аккумулятора может влиять наличие добавок в его электролите. Понятие эквивалентной добавки, определенное в данной работе, помогает анализировать влияние химически инертных добавок и смесей таких добавок на энергоемкость батареи.Это может быть применено для определения целой области концентраций электролита, называемой допустимым диапазоном батареи, в пределах которой не происходит необратимых изменений в батарее во время заряда или разряда. Границей этой области является предельная кривая батареи. Это соответствует концентрациям серной кислоты и, следовательно, диапазону напряжений холостого хода, превышение которых не может привести к необратимым изменениям в аккумуляторе. Предельная кривая батареи может быть построена из нескольких экспериментов, в которых батарея заряжается (или разряжается) при различных концентрациях добавок.Это дает полезную информацию об эффективности добавки для увеличения энергоемкости батареи и о наилучшей концентрации добавки для этой цели. Практические последствия выбора наилучшей добавки для использования очевидны. Однако следует иметь в виду, что добавка также может вызывать нежелательные побочные эффекты, которые не рассматриваются в настоящей работе и требуют надлежащего изучения, прежде чем любое улучшение энергоемкости батареи в результате добавки может считаться практически целесообразным.

    Кончина свинцово-кислотных аккумуляторов сильно преувеличена

    После моей недавней статьи «Свинцово-кислотные аккумуляторы находятся на пути к исчезновению» я получил электронное письмо от Battery Council International (BCI), торговой ассоциации производителей свинцовых аккумуляторов, переработчиков и поставщиков. Члены напрямую обеспечивают почти 25 000 рабочих мест в США и ежегодно оказывают влияние на экономику в размере 26,3 миллиардов долларов, а с 2016 года прямой рост рабочих мест увеличился на 20 %.

    Особо возражали против заголовка, утверждая, что, в отличие от моих аргументов, у свинцово-кислотных аккумуляторов большое будущее.Ключевой момент, который они указали в электронном письме, заключался в том, что свинцово-кислотные батареи подлежат вторичной переработке на 99%, а литий-ионные батареи перерабатываются менее чем на 5%.

    Итак, я спросил их, не хотели бы они затронуть эти вопросы в интервью. Они согласились.

    Резюмируя мою точку зрения, я согласен с необходимостью решения проблемы утилизации. Конечно, если ее нельзя решить, то это будет преимуществом в пользу свинцово-кислотных аккумуляторов.

    Однако, когда я смотрю на траекторию, я вижу, что литий-ионные аккумуляторы неуклонно снижаются в цене, в то время как цена свинцово-кислотных аккумуляторов остается относительно неизменной.Я вижу, что свинцово-кислотные аккумуляторы теряют долю рынка и, по прогнозам, продолжат уступать долю рынка литий-ионным аккумуляторам. Учитывая многочисленные преимущества, я не вижу, как свинцово-кислотные аккумуляторы могут конкурировать, если литий-ионный аккумулятор продолжит тенденцию к снижению цен. Действительно, мне кажется, что нынешняя траектория — это путь к исчезновению свинцово-кислотных аккумуляторов.

    Что может изменить эту траекторию? Несколько вещей. Кривая затрат может сгладиться при более высокой цене на литий-ионные батареи. Или, может быть, проблема утилизации не может быть решена.Или, может быть, общий рынок растет так быстро, что литий-ионные аккумуляторы не успевают за ним, и в этом случае свинцово-кислотные аккумуляторы все еще будут нужны в течение многих лет.

    Я понимаю их точку зрения, когда сравниваю использование свинцово-кислотных аккумуляторов с нашим использованием нефти. Многие люди утверждают, что использование нефти находится на пути к исчезновению. Я утверждал, что эти прогнозы слишком радужные, и что, хотя нефть действительно может быть на этом пути, это очень долгий путь, который растянется на десятилетия. Возможно, то же самое можно сказать и о свинцово-кислотных батареях.

    От имени BCI на вопросы отвечает доктор Мэтт Райфорд, менеджер Консорциума инноваций в области аккумуляторов, глобального консорциума по предконкурсным исследованиям ведущих аккумуляторов, поддерживаемого BCI. Доктор Рейфорд получил степень бакалавра химии в Техасском университете A&M и докторскую степень. по химии Техасского университета в Остине. Его текущая работа сосредоточена на улучшении приема динамического заряда и увеличения срока службы свинцовых аккумуляторов.

    Роберт. Итак, как вы видите конкуренцию между свинцово-кислотными и литий-ионными батареями?   Если стоимость литий-ионных аккумуляторов продолжит снижаться, что побудит потребителя приобрести свинцово-кислотный аккумулятор для своего применения? .

    A: Речь идет не о выборе победителей или выборе между свинцом и литием. Каждая аккумуляторная технология будет играть важную роль в различных приложениях, и рынок в конечном итоге решит, какая технология лучше всего соответствует конкретной потребности. Огромный рост спроса на накопители энергии, от систем накопления энергии (ESS) для жилых помещений до коммерческих и промышленных приложений и интеграции возобновляемых источников энергии, потребует широкого спектра аккумуляторов, каждый из которых имеет свои сильные стороны.Например, для хранения энергии свинец очень хорошо подходит для областей, где безопасность является проблемой, о чем свидетельствуют ограничения пожарных в Нью-Йорке и Бостоне   на использование ионно-литиевых батарей в жилых зданиях.

    Роберт: Где вы видите больше возможностей для свинцово-кислотных аккумуляторов в будущем?

    A: В телекоммуникациях и источниках бесперебойного питания (ИБП) существует значительное преимущество по стоимости, связанное не только с более низкой себестоимостью производства, но и с более низкой стоимостью доставки (класс опасности 9 для лития, литий нельзя перевозить воздушным транспортом.) Аккумуляторы для телекоммуникаций и ИБП поддерживают 4G и станут неотъемлемой частью 5G, для чего потребуется новое оборудование и дополнительная инфраструктура. Свинец и литий обеспечат эти усилия. Прирост между двумя отраслями приближается к миллиарду долларов. Одним из ключевых замечаний является то, что, хотя литий будет проникать на этот рынок, свинец будет основным выбором и будет еще больше доминировать в странах, которые осуществляют быстрое развертывание (Индия, часть Африки, Западный Китай, Вьетнам и т. д.).

    Существует также тот факт, что свинцовые батареи имеют преимущество в том, что касается источников материалов, поскольку они производятся внутри страны, что важно как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения национальной безопасности, что является приоритетом для Министерства энергетики (DOE).Как и в случае с нефтью и ее зависимостью от некоторых неблагоприятных партнеров по поставкам, учтите, что до 70% мировых поставок кобальта поступает из Республики Конго, иногда с использованием детского труда. Никель, который также используется в литиевых батареях, может стать узким местом с точки зрения предложения или стоимости. В настоящее время запасов лития много, но подавляющее большинство его поступает из Китая, Чили, Аргентины и Зимбабве. Австралия также является крупным производителем и, вероятно, самым дружелюбным партнером группы.

    Роберт.Как вы думаете, где рынок подвержен наибольшему риску?

    A. Рынок мелких предметов домашнего обихода (таких как телефоны, планшеты и т. д.), дронов и других товаров, где решающим фактором является вес, а не производительность.

    Роберт. Существуют ли другие аргументы в пользу устойчивости свинцовых аккумуляторов, помимо переработки?

    A. Да, свинцовые батареи как технология, а не конкретное приложение, требуют в 3 раза меньше энергии на кВтч для производства. Это 450 кВтч на 1 кВтч лития, 150 кВтч на 1 кВтч свинца.Энергия, вырабатываемая для зарядки литиевой батареи, вероятно, будет стоить дороже, поскольку литиевая батарея более плотная.

    Что касается переработки литиевых батарей, то энергия, необходимая для переработки литиевых батарей, будет стоить больше, чем дополнительные расходы на транспортировку, полную разрядку, разборку, разделение перед переработкой, при условии, что будет развита достаточная инфраструктура и даже будет стоить меньше. эффективным, чтобы гарантировать переработку литиевых батарей. Поскольку объемы производства литиевых батарей в Северной Америке настолько малы, переработанные материалы, вероятно, придется экспортировать и контролировать в других странах, таких как Китай, который в настоящее время перерабатывает около 85-90% всех переработанных литиевых материалов.Кроме того, поскольку первая серия литиевых батарей с 10-летним сроком службы будет выпущена из сотен тысяч электромобилей, будут ли эти дополнительные затраты учтены в общей стоимости владения литиевыми батареями?

    Кроме того, системы управления батареями (BMS), особенно требования к охлаждению, для литиевых батарей значительно сложнее и дороже, чем для свинцовых батарей.

    Роберт. Технологии 160 лет — разве мы не знаем о свинце все, что нужно?

    А.Отрасль по производству свинцовых аккумуляторов участвует в крупных исследовательских и инновационных проектах, включая новаторское исследование в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики. Кроме того, работа, проводимая CBI для улучшения динамического приема заряда и продолжительности цикла, даст отрасли свинцовых аккумуляторов конкурентное преимущество и возможность обеспечить большую долю будущих рынков хранения энергии и автомобильных рынков. Например, срок службы свинцовых аккумуляторов за последние 20 лет увеличился на 30-35%.Существует также множество продвинутых проектов свинцовых аккумуляторов, направленных на снижение веса свинцовых аккумуляторов при одновременном увеличении плотности энергии.

    Роберт. Но означают ли электромобили конец двигателя внутреннего сгорания?

    A. Что касается революции в области электромобилей, свинцовые аккумуляторы остаются ключом к переходу, поскольку практически все транспортные средства содержат свинцовые аккумуляторы. Только свинцовые батареи обеспечивают все характеристики усилителя холодного запуска (CCA), необходимые для запуска, освещения и зажигания (SLI), и практически каждый электромобиль также имеет встроенную свинцовую батарею для питания критически важных функций безопасности.Это отражено в прогнозах Авиценна относительно дальнейшего роста рынка автомобильных аккумуляторов (стр. 11 – техническая дорожная карта CBI).

    Они также позволяют использовать технологию «старт-стоп», которая ежегодно устраняет 4,5 миллиона тонн выбросов парниковых газов в США. Ожидается, что это число будет расти, поскольку доля рынка для старт-стоп продолжает расти с нынешних 7% парка легковых и грузовых автомобилей в США.

    CBI объединяет всю отрасль, от производителей свинцовых аккумуляторов до ведущих мировых научно-исследовательских институтов, для повышения производительности свинцовых аккумуляторов и создания новых технологических прорывов для удовлетворения будущих потребностей, которые требуются при переходе на более высокие уровни электрификации и обезуглероживания. глобально.

    Роберт. Есть ли какие-то заключительные мысли, которые вы хотели бы добавить?

    A. Я думаю, мы все согласны с тем, что спрос на накопители энергии, который, по прогнозам, вырастет как минимум в 10 раз к 2050 году только в Европе, а мощность коммунальных предприятий США, как ожидается, вырастет с 1000 МВт сегодня до 2500 МВт в 2023 году (EIA ), потребуется ряд аккумуляторных технологий, обеспечивающих масштабирование.

    Мы заказали независимый анализ рынка и прогнозы Авиценна, который предсказал более чем двукратный рост количества батарей, необходимых для хранения энергии, в период с 2015 по 2025 год — со 100 000 МВтч до более 400 000 МВтч (см. Стр. 8 — в технической дорожной карте CBI).

    В то время как литий останется ключевой технологией, и он переживает огромный рост, свинцовые батареи являются единственной другой технологией аккумуляторов, которая присутствует на рынке сегодня, а также доступна в масштабах массового рынка с техническими требованиями, необходимыми для удовлетворения этого уровня спроса. . Фактически, в настоящее время на свинцовые аккумуляторы приходится более 70 % мирового запаса энергии перезаряжаемых аккумуляторов.

    Одно дело сравнить цену химии со стоимостью всей аккумуляторной системы, включая системы управления батареями (BMS), зарядное устройство и аксессуары.Для литиевых батарей требуются специальные элементы управления BMS для предотвращения тепловых явлений, таких как пожары. Могут быть дополнительные системы связи, необходимые для подключения к транспортному средству, которое он питает. При менее чем 1% всех литиевых батарей, производимых в США, предложение сырья, производственные мощности, инвестиции могут помешать литиевым батареям «поспевать» за спросом.

    И, наконец, спасибо, Роберт, за возможность дать дополнительную информацию о будущем свинцовых аккумуляторов.

    Роберт. Спасибо за ваше время.

    Аккумуляторные технологии для питания нашего будущего

    Аккумуляторы широко используются в нашей повседневной жизни. Одним из приложений использования аккумуляторов, которое становится очень важным, является питание электромобилей для сокращения выбросов углерода. Например, General Motors и Audi объявили о планах прекратить продажу автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями в период с 2033 по 2035 год и переориентировать свой бизнес на электромобили.

    В ответ на эту рыночную тенденцию были вложены огромные государственные и частные инвестиции в инновационные химические вещества и материалы для повышения производительности проточных окислительно-восстановительных батарей — электрохимического накопителя энергии, который преобразует химическую энергию в электрическую путем обратимого окисления и восстановления.Конечная цель этого исследования — создать батареи, которые были бы дешевле, легче и могли бы генерировать большую мощность, а также многократно разряжаться и перезаряжаться (, т.

    В этой статье мы обсудим, как работает проточная окислительно-восстановительная батарея, а также последние инновации в области материалов для производства проточных окислительно-восстановительных батарей, которые являются более экологически безопасными и могут быть точно настроены для выработки более высокого напряжения для удовлетворения растущих потребностей нашего общества в энергии.

    Как работает проточная окислительно-восстановительная батарея?

    Проточная окислительно-восстановительная батарея состоит из четырех основных компонентов: (1) положительный электрод, называемый катодом; (2) отрицательный электрод, называемый анодом; (3) ионоселективная мембрана или сепаратор, который предотвращает контакт между катодом и анодом, чтобы свести к минимуму перекрестное загрязнение активными частицами ионов; (4) электролит, обеспечивающий подвижность ионов.

    Католит представляет собой часть электролита на катоде, а анолит представляет собой часть электролита на аноде, и эти электролиты содержат соли, растворители и добавки. Соли позволяют двигаться только целевым ионам, в то время как растворители представляют собой органические жидкости, которые используются для растворения солей. Добавки добавляются для конкретных целей, таких как снижение нежелательных побочных реакций и повышение термической стабильности и ионной проводимости. Электролит является важным компонентом проточной окислительно-восстановительной батареи, поскольку он предназначен для переноса к электродам только ионов-мишеней, а не электронов (минимизирует нежелательный разряд), и может контролировать скорость движения ионов (для оптимизации скорости зарядки и разрядки). ).

    В большинстве существующих проточных окислительно-восстановительных батарей используются ионы переходных металлов, особенно ванадия, из-за их низкой цены. Кроме того, мощность ванадиевых батарей можно увеличить за счет использования резервуаров для хранения электролита большего размера. Таким образом, необратимое повреждение батареи отсутствует, поскольку в ней используются одни и те же материалы католита и анолита, даже если они случайно перемешаны. Ионы других переходных металлов, особенно литий, становятся все более популярными, потому что литий-ионные батареи можно перезаряжать тысячи раз, при этом они имеют более высокую плотность энергии, более высокое напряжение и более низкую скорость саморазряда.

    Например, так работает проточная ванадиевая окислительно-восстановительная батарея. Для выработки электроэнергии во время разряда на катоде происходит восстановление, а на аноде — окисление. Это заставляет протоны (H + ) течь через ионоселективную мембрану, в то время как перенос электронов происходит через внешнюю цепь. Генерируемое напряжение регулируется уравнением Нернста, хотя могут происходить нежелательные побочные реакции, снижающие эффективность использования энергии.

    Несмотря на то, что существуют проверенные технологии производства аккумуляторов на основе ионов переходных металлов, этот тип аккумуляторов имеет серьезные ограничения: используемые переходные металлы дефицитны и дороги, а добыча этих металлов сопряжена с огромными экологическими и социальными издержками.Кроме того, существующие методы переработки и извлечения этих драгоценных металлов все еще недостаточно развиты, чтобы конкурировать по рентабельности с прямой добычей металлов.

    Новая форма батареи

    Чтобы преодолеть ограничения батарей на основе ионов переходных металлов, группа под руководством Ю Чжу из Университета Акрона и Вей Ван из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создала асимметричный водорастворимый органический элемент (ASO). активный материал с железным (Fe 2+ /Fe 3+ ) окислительно-восстановительным центром и гидрофильным бипиридиновым лигандом и цианидной группой.Преимущества использования ASO заключаются в том, что их можно производить более экологически устойчивым способом. Кроме того, регулируя их молекулярную структуру, можно контролировать их окислительно-восстановительный потенциал, который коррелирует с напряжением ячейки.

    Хотя ранее было создано несколько материалов ASO, таких как молекулы на основе хинона и электрохимически активные полимеры, они обычно обеспечивают низкую растворимость активных материалов, что ограничивает плотность энергии. Что еще более важно, не хватает подходящих высокоэффективных католитных материалов, поскольку существующие ароматические (органические соединения с бензольными кольцами) материалы ASO нестабильны при высоких напряжениях.

    Команда под руководством Чжу и Ванга решила создать материал ASO с высокой плотностью энергии, минимальным переходом и высокой электрохимической стабильностью. Железо было выбрано из-за того, что это самый распространенный переходный металл на Земле. Бипиридиновый лиганд был добавлен для увеличения электрохимического потенциала при увеличении размера железо-бипиридинового комплекса, чтобы смягчить пересечение активных материалов.

    Для присоединения бипиридина к железу были выбраны две стратегии. Первым из них является добавление гидрофильного бипиридина, который, как было обнаружено, повышает растворимость комплекса металла и окислительно-восстановительный потенциал.Второй метод был новым способом нарушения симметрии металлического комплекса путем добавления второго лиганда, цианида. Измерения ультрафиолетовых и видимых спектров подтвердили, что асимметричные структуры металлических комплексов могут значительно повысить растворимость из-за повышенной поляризуемости и более сильных межмолекулярных взаимодействий с молекулами воды.

    «Выбор католита для проточной водно-органической окислительно-восстановительной батареи очень ограничен. Имеющиеся в настоящее время католиты имеют ограниченную растворимость и стабильность, поэтому разработка католита является актуальной.Внедрив асимметричный дизайн металлокомплексного электролита, мы показали, что можем значительно улучшить растворимость [и] электрохимическую стабильность и одновременно расширить электрохимическое окно», — говорит Чжу.

    Характеристика производительности батареи

    Чтобы количественно оценить, как работают недавно созданные материалы ASO, исследовательская группа измерила их электрохимические свойства, используя различные методы вольтамперометрии. Метод циклической вольтамперометрии показал, что путем добавления лигандов к окислительно-восстановительному центру железа можно регулировать и оптимизировать окислительно-восстановительный потенциал.Затем была проведена вольтамперометрия с вращающимся дисковым электродом, чтобы охарактеризовать коэффициент диффузии реактивных частиц, который влияет на плотность тока батареи и КПД по напряжению. Было обнаружено, что недавно разработанные материалы ASO с бипиридиновыми и цианидными лигандами обладают коэффициентами диффузии (~ 2 x 10 -6 см 2 с -1 ), подобными меньшим комплексам, что позволяет предположить, что этот метод остается пригодным для получения высокой проточная окислительно-восстановительная система с плотностью тока даже в присутствии объемных бипиридиновых лигандов.

    Затем была проверена эффективность проточной батареи с использованием комплексов натрия и железа с бипиридиновыми и цианидными лигандами (Na 4 [Fe II (Dcbpy) 2 (CN) 2 ]) в качестве католита и 1,1′-бис(3-сульфонатопропил)-4,4′-бипиридиний (SPr-Bpy), распространенный анолитный материал. Кулоновская эффективность (указывающая на легкость переноса электронов) остается на уровне 100 процентов при плотности тока 20-100 мАсм -2 , в то время как общее (не неожиданное) 50-процентное падение напряжения и энергоэффективности (указывающее на потери энергии) при высокая плотность тока.Впечатляет, что даже при 6000 th циклов зарядки/разрядки при плотности тока 40 мА·см -2 КПД материала ASO по энергии и напряжению на протяжении этих циклов поддерживался на уровне 75 процентов, а разрядная емкость составляла всего 0,00158 процента. затухание за цикл, что свидетельствует о долговечности батареи при стабильной работе.

    Чтобы понять, почему снижение разрядной емкости такое низкое, команда исследователей провела ядерный магнитный резонанс и обнаружила, что для их Na 4 не происходит кроссовера [Fe II (Dcbpy) 2 (CN) 2 ] католита, но кроссовер наблюдался для анолита SPr-Bpy.Католитный материал также был стабилен в диапазоне pH 3-12, что делает его пригодным для использования в проточных окислительно-восстановительных батареях с высокой плотностью энергии, где необходимы высококислотные и щелочные условия электролита.

    Влияние и будущая работа

    Новый католитный материал предполагает, что с помощью стратегии нарушения симметрии растворимость комплексов железа с объемными органическими лигандами может быть значительно увеличена.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.