Плотность кислоты в аккумуляторе: Плотность аккумулятора. Какая в электролите считается нормальной? Обязательно знать

Когда аккумулятор заряжается, процесс меняется в обратном направлении, и при перезарядке аккумуляторы снова накапливаются молекулы кислоты. Этот процесс — накопление энергии. (Помните — аккумулятор не накапливает электричество. Он накапливает химическую энергию, необходимую для производства электричества.)

Каждая из шести ячеек 12-вольтовой свинцово-кислотной батареи имеет напряжение около 2,1 вольт при полной зарядке. Эти шесть ячеек вместе дают полностью заряженную батарею, насчитывающую около 12.6 вольт. (Мы используем такие термины, как «около» и «около», потому что точное напряжение зависит от различных факторов, в частности от батареи, а также от использования и ухода за этой батареей.)

Типы свинцово-кислотных аккумуляторов

Теперь, когда мы знаем, как работает типичная свинцово-кислотная батарея, давайте посмотрим на различные типы имеющихся свинцово-кислотных аккумуляторов и их различия.

Затоплено

Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея залитой водой — это аккумуляторная батарея, обычно используемая в качестве аккумуляторной батареи двигателя для запуска транспортного средства.Этот тип батареи также можно использовать в качестве батареи для тележки для гольфа, мотоцикла или даже батареи глубокого цикла в солнечной системе.

При залитой свинцово-кислотной батарее владелец может получить доступ к шести (6) отдельным элементам, упомянутым ранее, и может (и должен!) Добавить в элементы дистиллированную воду, чтобы они не высыхали. Эти батареи тяжелые и требуют серьезного обслуживания.

Запечатанный

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор по существу аналогичен внутреннему функционированию самой батареи.Однако слово «запечатанный» означает, что у нас нет доступа к шести элементам, как в залитой свинцово-кислотной батарее. Обычно эти батареи используются в качестве батарей для запуска двигателей или в устройствах глубокого цикла.

В отличие от свинцово-кислотных свинцово-кислотных аккумуляторов, производители конструируют герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы с достаточным количеством кислоты, чтобы обеспечить надежную работу аккумулятора в течение срока действия гарантии. В герметичную свинцово-кислотную батарею нельзя добавлять дистиллированную воду, поэтому никакого реального обслуживания не требуется.Эти батареи также не выделяют газов и могут быть установлены в закрытых помещениях.

Абсорбированный стеклянный мат (AGM)

AGM означает «Абсорбированный стеклянный мат», что означает, что электролиты в этих батареях взвешены близко к свинцовым пластинам. Этот метод якобы увеличивает эффективность разряда и перезарядки. Нередко можно увидеть аккумуляторы AGM, используемые в жилых автофургонах, морских судах или в аккумуляторных батареях двигателей. В отличие от залитых и герметичных аккумуляторов, AGM-аккумулятор по-прежнему является аккумулятором с жидкими элементами.

лари

Подобно батарее AGM, батарея гелевых элементов имеет взвешенный электролит, но гелевый элемент содержит диоксид кремния, позволяющий ему затвердеть, поэтому это не батарея с влажными элементами, как батарея AGM.

, пожалуй, наиболее чувствительны к повреждениям от перезарядки. Эти батареи требуют специальных зарядных устройств и обычно используются в приложениях с глубоким циклом, таких как инвалидные коляски, троллинговые двигатели и жилые автофургоны. Гелевые батареи не так распространены, как другие типы свинцово-кислотных батарей, которые мы обсуждали.

Плюсы свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи популярны по разным причинам. Во-первых, они предлагают зрелые технологии, которые существуют уже более полутора веков. Это часто дает людям чувство безопасности как широко понятной технологии.

Свинцово-кислотные батареи относительно недороги в производстве (хотя и вредны для окружающей среды), поэтому их относительно дешево покупать заранее. С точки зрения затрат, они поначалу кажутся более выгодными для потребителей.Однако при этом не учитывается общий срок службы батареи или фактическое количество энергии, которое вы получаете от них. Продолжайте читать, чтобы узнать, как свинцово-кислотные соединения сравниваются с литием по этим показателям.

способны к глубокому разряду, хотя глубокий разряд значительно сокращает срок их службы.

Минусы свинцово-кислотных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными

Хотя свинцово-кислотные батареи были самым успешным источником энергии в течение многих лет, они имеют ряд серьезных недостатков по сравнению с современными литиевыми батареями.

Вес, пространство и плотность энергии

Свинцово-кислотные батареи очень тяжелые. Вес может быть серьезным недостатком для мобильных приложений. Они также не хранят значительного количества энергии для своего размера. Их вес означает, что для хранения энергии, достаточной для домашнего использования, потребуется много места. То, сколько они хранят на единицу веса и пространства, называется их плотностью энергии, которая относительно низка для батарей.

Требования к зарядке и разрядке

Свинцово-кислотные батареи заряжаются долго.Длительное время зарядки связано с их внутренней конструкцией, которая замедляет заряд по мере приближения к завершению. Цикл абсорбционной зарядки вызывает это замедление.

Если аккумулятор не успевает всасывать заряд до разрядки, это может вызвать сульфатирование аккумулятора. Сульфатирование влияет на время зарядки, эффективность зарядки и увеличивает температуру аккумулятора.

Когда вы слишком долго разряжаете свинцово-кислотную батарею, она также теряет часть своей способности принимать заряд, что снижает ее емкость.Это повреждение связано с тем, что сульфат свинца кристаллизуется и больше не растворяется.

Эффект Пойкерта

Свинцово-кислотные батареи при высокой скорости разряда для больших приборов страдают эффектом Пойкерта. Эффект Пойкерта — это явление, при котором батарея вырабатывает меньше энергии до падения напряжения при разряде при высоких нагрузках, чем при более низких нагрузках. Это означает, что вы не получаете всю энергию от вставленной батареи. Тепловые и химические потери тратят энергию.

Перезарядка также может вызвать «газообразование». Аккумулятор выделяет водород, кислород и сероводород. Это легковоспламеняющееся сочетание, которое в некоторых случаях также может привести к взрывам. Если вы когда-нибудь почувствуете запах тухлых яиц, исходящих от свинцово-кислотной батареи, выпустите воздух из зоны и немедленно отключите ее.

Свинцово-кислотные аккумуляторные батареи в целом могут быть экономичным решением для аккумулирования электроэнергии, но для их работоспособности и безопасности требуются очень специфические параметры зарядки и разрядки.

Ограниченный срок службы

Если какой-либо из указанных выше параметров заряда выходит из строя, срок службы свинцово-кислотной батареи сокращается. Даже если все параметры поддерживаются в идеальном состоянии, химические процессы в батарее нарушаются по мере использования и со временем снижают емкость батареи.

Воздействие на окружающую среду

Свинцово-кислотные батареи являются одними из самых перерабатываемых предметов в мире. Это очень важно и важно, потому что содержание свинца в них на протяжении многих лет является причиной серьезных проблем, связанных с окружающей средой и здоровьем.Однако 5% свинцово-кислотных аккумуляторов не перерабатываются. В результате в окружающую среду выбрасываются миллионы метрических тонн свинца.

Свинцовые рудники также являются одними из самых токсичных и вызвали образование ядовитых грунтовых вод на больших площадях. Длительное воздействие свинца, даже в незначительных количествах, может вызвать повреждение мозга и почек и проблемы с обучением у детей, что беспокоит всех нас, живущих на этой планете.

Литий-ионные аккумуляторы

в последние годы становятся все более популярными, и не без оснований.Давайте посмотрим на некоторые причины, по которым эти относительные новички привлекли столько внимания!

В ходе химического процесса в литий-ионных аккумуляторах во время зарядки и разрядки ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами. Когда батарея разряжается, ионы лития движутся к положительному электроду, теряя или приобретая электрон в результате химических реакций. Эти химические реакции создают поток электронов, который производит электрический ток.В процессе зарядки происходит обратное.

В мобильной электронике, такой как телефоны, электросамокаты и велосипеды, гироскутеры и инвалидные коляски, обычно используются литиевые батареи. Но в последние годы использование литий-ионных батарей расширилось, и они нашли применение в жилых автофургонах, лодках и многих других солнечных батареях.

Типы литий-ионных батарей

Подобно свинцово-кислотным аккумуляторам, существует много различных типов литий-ионных аккумуляторов. Существует еще много типов литий-ионных батарей, поскольку их химический состав может сильно различаться.Несмотря на то, что существует так много типов, большинство литий-ионных аккумуляторов имеют аналогичные преимущества по сравнению со свинцово-кислотными.

В данной статье мы будем в первую очередь обращаться к батареям LiFePo4 или так называемым литиево-железо-фосфатным батареям. «Литий-железо» — наиболее распространенный химический состав, используемый для накопления энергии в жилых автофургонах, лодках и домах. Люди используют эти батареи, потому что они обладают превосходными характеристиками по сравнению со свинцово-кислотными, но при этом являются очень безопасным химическим составом.

Плюсы литий-ионных аккумуляторов

При сравнении свинцово-кислотных илитий-ионные аккумуляторы мы преодолеваем практически все минусы свинцово-кислотных. Что касается использования жилых автофургонов, в частности, литий-ионные батареи будут работать с несколькими устройствами одновременно. Единственным ограничением является мощность инвертора RV.

Но если у вас достаточно инвертора, вы сможете управлять холодильником, светом, вентилятором, телевизором, компьютерами и даже кондиционерами.

Вес, пространство и плотность энергии

Плотность энергии означает, сколько энергии хранит батарея в зависимости от ее площади и веса.Литиевые батареи имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем свинцово-кислотные.

Более высокая плотность энергии является огромным преимуществом для мобильных вариантов использования, поскольку пространство и вес ограничены. При том же количестве энергии, что и в свинцово-кислотных, литиевые батареи весят меньше четверти веса!

Также требуется меньше батарей, поэтому для хранения можно использовать больше места. Литий-ионные аккумуляторы хранят гораздо больше энергии в том же объеме места и при этом снижают вес.

Зарядно-разрядные характеристики

При сравнении свинцово-кислотных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными, мы обнаружили, что напряжение свинцово-кислотных аккумуляторов глубокого цикла значительно проседает под нагрузкой и по мере их разряда.

Литий-ионный аккумулятор испытывает гораздо меньшее падение напряжения и сохраняет более высокое напряжение в течение всего цикла разряда. Литиевая батарея в том же приложении RV может обеспечить всю необходимую пиковую мощность и более высокое напряжение независимо от нагрузки.Более высокое напряжение делает их намного лучше для мощных приложений, таких как микроволновая печь или варочная панель.

также не подвержены эффекту Пойкерта, описанному выше. Из-за этого, независимо от того, насколько велика нагрузка на батареи, вы получите энергию, которую вы вложили.

Одним из многих преимуществ литий-ионных аккумуляторов является их способность выдерживать очень высокий зарядный ток. Такая высокая скорость заряда означает гораздо более быстрое время зарядки, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов любого типа.Эта более высокая скорость зарядки требует подходящего зарядного устройства, но представьте, что ваши аккумуляторы заряжаются за долю времени, необходимого для свинцово-кислотных аккумуляторов. Это определенная победа!

Зарядные характеристики литий-ионного аккумулятора не так критичны. Вы можете запускать и останавливать зарядку по мере необходимости, не влияя на производительность или срок службы батареи. Эти характеристики заряда означают отсутствие заботы о прохождении длительного цикла поглощения и делают их намного лучше для приложений с частичным зарядом, таких как сбор солнечной энергии и рекуперативное торможение от транспортных средств.

Срок службы

Наконец, литий-ионные аккумуляторы лучше выдерживают глубокий разряд, чем их свинцово-кислотные аналоги. Например, если вы регулярно разряжаете свинцово-кислотную батарею до 50% или около того, эта батарея, вероятно, даст вам около 500-800 циклов, прежде чем ее потребуется заменить. Для сравнения: литий-ионный аккумулятор, разряженный даже до 20%, обеспечивает около 5000 циклов. Таким образом, увеличенный срок службы литий-ионной батареи имеет большое значение.

Главный недостаток литий-ионных аккумуляторов, о котором мы часто слышим, — это стоимость.Литий-ионные батареи значительно дороже, чем свинцово-кислотные. Если принять это за чистую монету, ваш выбор между свинцово-кислотными или литий-ионными батареями может показаться очевидным.

, однако, прежде чем принять решение, важно понять увеличенный срок службы и другие положительные моменты, которые в конечном итоге служат для того, чтобы со временем стоимость двух типов аккумуляторов стала более схожей.

Это видео Тома Мортона из Mortons on the Move, инженера-электрика и постоянного путешественника в жилом доме, рассматривает некоторые реальные тесты между свинцово-кислотными и свинцово-кислотными соединениями.литий-ионные батареи Battle Born. Интересно, что он обнаружил, что даже с более высокой первоначальной стоимостью литий-ионных батарей они будут более рентабельными, чем свинцово-кислотные, в течение всего срока их службы.

Истинным недостатком литий-ионных аккумуляторов по сравнению со свинцово-кислотными может быть то, что эти батареи имеют гораздо меньшее распространение, чем свинцово-кислотные.

Например, для применения в доме на колесах очень мало продавцов продают батареи LiFePO4 по сравнению с каждым автомобильным магазином и большим магазином, продающим свинцово-кислотные батареи.К счастью, после того, как вы приобрели литиевые батареи, вам не нужно будет их заменять, как свинцово-кислотные, и они должны служить на протяжении всего срока службы вашего автомобиля (а может быть, даже дольше!).

Хотя литий-ионные аккумуляторы могут выдерживать очень высокий зарядный ток, их необходимо заряжать в соответствии с рекомендациями производителя. Это означает, что вам может потребоваться новое оборудование для правильной зарядки батарей.

Если вы подключите литий-ионные аккумуляторы к традиционному зарядному оборудованию (например, к генератору переменного тока в автомобиле), они могут повредить зарядное устройство.По этой причине очень важно установить правильное зарядное устройство для ваших литий-ионных аккумуляторов.

Свинцово-кислотные и литий-ионные батареи: что лучше?

В битве между свинцово-кислотными и литий-ионными аккумуляторами вопрос о том, какой из них лучше, зависит главным образом от вашего приложения. Например, если вы ищете новую аккумуляторную батарею для запуска двигателя вашего автомобиля, вам следует приобрести свинцово-кислотную аккумуляторную батарею.

Но если вы RVer, который хочет питать несколько устройств и / или бытовой техники в своей установке, и не беспокоиться о том, как вы их используете, или если они умрут, то литий-ионные батареи, скорее всего, заслуживают внимания.

Литий-ионные аккумуляторы — долгожданное дополнение к миру накопителей энергии для тех, кто путешествует, разбивает лагерь или проживает полный рабочий день. Если вы заинтересованы в том, чтобы оставаться комфортно и тепло, сохранять пищу холодной и безопасной, хранить лекарства в холодильнике, работать в дороге или развлекаться, литий-ионные батареи присоединились к битве, и они здесь, чтобы остаться!

Хотите узнать больше об электрических системах и литиевых батареях?

Мы знаем, что строительство или модернизация электрической системы может быть сложной задачей, поэтому мы здесь, чтобы помочь.Наши специалисты по продажам и обслуживанию клиентов из Рино, штат Невада, готовы ответить на ваши вопросы по телефону (855) 292-2831!

Также присоединяйтесь к нам в Facebook, Instagram и YouTube, чтобы узнать больше о том, как системы с литиевыми батареями могут способствовать вашему образу жизни, увидеть, как другие построили свои системы, и обрести уверенность, чтобы выйти и остаться в стороне.

Присоединяйтесь к нашему списку контактов

Суперконденсаторы против батарей — База знаний BatteryGuy.com

В суперконденсаторах нет ничего нового. General Electric пробовала использовать их потенциал в 1950-х годах, но сегодня пресса внезапно загорелась рассказами о том, что эта технология навсегда изменит способ хранения энергии. Было даже предположение, что батареи в том виде, в каком мы их знаем, больше никогда не будут прежними.

Волнение действительно кажется заслуженным.У них есть способность перезаряжаться за секунды и в отличие от всех

типов батарей, которые зависят от внутренних химических реакций и поэтому изнашиваются, а суперконденсаторы со временем не разрушаются. Это означает, что суперконденсатор на 2,7 В сегодня будет суперконденсатором на 2,7 В через 15 лет. Все остальные современные конструкции аккумуляторов постепенно теряют производительность, а это означает, что ваша 12-вольтовая батарея сегодня может превратиться в 11,4-вольтовую батарею всего за 3 года.

Пожалуй, больше всего привлекает внимание то, что суперконденсаторы можно напечатать на 3D-принтере, что делает их в высшей степени универсальными для любой формы без необходимости создания производственной линии. Не меньшее восхищение вызывает их ультратонкая природа, что означает, что их можно легко интегрировать в одежду и другие ткани.

Так стоит ли готовить учебники истории для батарей? Еще не совсем.

Развитие портативной энергетики не было линейным. Технологический прогресс не всегда продвигал производительность аккумуляторов на каждый уровень.Вот почему, хотя литий-ионный аккумулятор, который питает ваш телефон, появился в 1990-х годах, тот, который запускает ваш автомобиль, скорее всего, все еще свинцово-кислотный и основан на конструкции, которой более 200 лет!

«Новое» обычно означает «лучше» или способов. Литий-ионные батареи хорошо разряжают стабильную энергию в течение длительных периодов времени, но они дороги. Свинцово-кислотные батареи быстро производят большое количество энергии и, что самое главное, дешевы в производстве.

История батареи изобилует техническими достижениями, но на каждом этапе старые химические продукты выживают и продолжают использоваться, потому что, хотя вся новая концепция захватывает заголовки, она никогда не становится лучше каждые способов.

Суперконденсаторы ничем не отличаются… на данный момент. Несмотря на то, что они могут заряжаться быстро, работать намного дольше, сохранять большую мощность и работать при экстремальных температурах, большинство других химикатов просто не могут справиться с ними, они плохо обеспечивают постоянную мощность в течение длительных периодов, как показано на графике ниже.

С точки зрения накопления энергии существует распространенная путаница. В то время как суперконденсатор того же веса, что и батарея, может удерживать большую мощность, его мощность в ваттах / кг — Power Density до десяти раз лучше, чем у литий-ионных батарей. Его неспособность к медленному разряду означает, что его Плотность энергии (Ватт-час / кг или Втч / кг) является частью той, что предлагается литий-ионным аккумулятором.

Они также довольно плохо удерживают свой заряд, саморазряжаясь до половины своей емкости в течение 40 дней, когда не используются, — это не та характеристика, которую вы хотите под капотом вашего автомобиля или в вашей дымовой пожарной сигнализации.

Наконец, суперконденсаторная ячейка имеет напряжение около 2,5 по сравнению с напряжением 3,6 иона лития. Вы можете начать соединять их вместе, но сама схема становится причиной внутреннего сопротивления, которое может уменьшить преимущества суперконденсатора.

Короче говоря, все еще остается желать лучшего для тех, кто хочет полностью заменить все батареи на суперконденсаторы.

Так к чему весь такой ажиотаж?

Так же, как литий-ионный аккумулятор сделал возможными мобильные телефоны, но не заменил аккумуляторы легковых и грузовых автомобилей, суперконденсатор определенно играет роль в портативных источниках энергии.

Китай уже использует их в некоторых гибридных автобусах с 2006 года. Когда автобус тормозит, останавливаясь и забирая пассажиров, энергия, генерируемая тормозами, передается на суперконденсаторы.Он хранится там, пока пассажиры садятся на борт, а затем обеспечивает готовый источник ускорения при трогании с места.

Это означает, что автобусу требуется меньше литий-ионных батарей (в некоторых случаях вообще не требуется), что делает его легче и позволяет проехать дальше на одной зарядке. Дэн Йе, исполнительный директор Sinautec, совместного предприятия в США и Китая, производящего автобусы только с суперконденсаторами, утверждает, что автомобили могут идти на 40% дальше, чем стандартные электрические автобусы, и на 40% дешевле в производстве.

Но когда дело касается автомобилей, нужно проявлять осторожность.Автобусы постоянно останавливаются и трогаются с места, поэтому существует гарантированный постоянный источник энергии, перемещающийся от тормозов к суперконденсаторам. Они также следуют обычному маршруту, где могут быть размещены резервные зарядные станции, если при торможении суперконденсаторы недостаточно заряжены.

Джо Шиндалл — профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института. Он отмечает, что из-за этих проблем суперконденсаторы «плохо подходят для электромобилей».

Суперконденсаторы в смартфонах и ноутбуках?

В настоящее время это маловероятно, потому что, хотя способность перезаряжаться в течение нескольких секунд заставляет многих пускать слюни с нетерпением, суперконденсаторы не сохраняют стабильное напряжение или емкость при разряде.Это именно то, что нужно смартфонам и ноутбукам для работы в течение длительного времени, поэтому кажется, что литий-ионные батареи пока не сойдутся с места.

Когда дело доходит до полной замены батарей другого химического состава, суперконденсатор пока этого не сделает.

Вместо этого они стремятся присоединиться к аккумуляторным батареям в мире портативных источников энергии и предлагают улучшения в некоторых областях, но ничего близкого к полной замене, похоже, не подразумевают многие заголовки.

Последняя битва

В общем, суперконденсаторы подходят для приложений, требующих возможности быстрой зарядки и разрядки, где это время измеряется в секундах или нескольких минутах.Для всего, что требует более длительного времени, батареи остаются лучшим решением.

Дополнительная литература и источники:

обеспечивает плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов (видео)

Потребность в увеличении запаса хода электромобилей и сокращении времени зарядки привела к огромному количеству исследований в области улучшения химического состава аккумуляторов.

Но зачем останавливаться на хлам, идущем в батарею? Почему бы не поменять сам аккумулятор?

Ученые из Калифорнийского института наносистем при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе говорят, что они разработали гибридное устройство, которое выходит за рамки простых изменений в химии клеток.

ПРОВЕРКА: Volvo разрабатывает структурные суперконденсаторные нанобатареи для будущих электромобилей (октябрь 2013 г.)

Экспериментальное устройство сочетает в себе плотность энергии свинцово-кислотной батареи с быстрой зарядкой и разрядкой суперконденсатора.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Proceedings Национальной академии наук (через Gizmag ), он в шесть раз более энергоемкий, чем средний коммерческий суперконденсатор.

Эта комбинация качеств имеет большое потенциальное влияние на электромобили. Теоретически он может предложить более компактный накопитель энергии и более быструю зарядку без ущерба для дальности действия.

Гибридный суперконденсатор, разработанный UCLA

Исследователи утверждают, что тестируемая версия может удерживать в два раза больше заряда, чем типичная тонкопленочная литиевая батарея, но на поверхности в пятую часть толщины листа бумаги.

Сообщается, что эта производительность была достигнута за счет увеличения площади контакта между электролитом и двумя электродами.

Эти электроды изготовлены из диоксида марганца, но имеют трехмерную структуру графена с лазерной разметкой (LSG).

СМОТРИТЕ ТАКЖЕ: Генеральный директор Tesla: Суперконденсаторы Trump Electric Car Batteries. (Мар 2011)

Структура графена обладает высокой проводимостью и имеет большую площадь поверхности, чем предыдущие конструкции.

обычно устанавливаются друг на друга и упаковываются как единое целое, но исследователи решили воспользоваться тонким дизайном своего устройства и попробовать что-то другое.

Тестовая версия прикреплена к солнечной батарее, поглощая энергию от своего элемента в течение дня и разряжая ее ночью, чтобы зажечь светодиод.

Структура гибридного суперконденсатора, разработанного UCLA

Помимо плотности энергии и способности к быстрой зарядке, исследователи полагают, что компактность того, что они называют «микросуперконденсатором», также может быть важным преимуществом.

Среди возможных применений они видят его использование в повязках для высвобождения доз лекарств.

ПОДРОБНЕЕ: спасут ли ультраконденсаторы системы Start-Stop от потребительского гнева? (Сен 2014)

Все свойства устройства могут быть полезны и в электромобилях, но пока это чисто теоретически.

Как и в случае со всеми экспериментальными технологиями, важно отметить, что многообещающие лабораторные результаты не всегда означают коммерческую жизнеспособность.

Тем не менее, в поисках решения проблем с запасом хода и зарядкой электромобиля, вероятно, стоит обратить внимание не только на аккумулятор.

[кончик шляпы: Хью Кроуфорд]

_______________________________________________

Подпишитесь на GreenCarReports в Facebook, Twitter и Google+.

Журнал энергетики и энергетических технологий

Хиронори Такаги, Коичи Какимото, Дайсуке Мори, Соу Таминато, Ясуо Такеда, Осаму Ямамото ^* , Нобуюки Иманиши

Высшая школа инженерии, Университет Миэ, Цу, Миэ, 514-8507, Япония

* Для корреспонденции: Осаму Ямамото

Академический редактор: Ахамед Иршад

Специальный выпуск: Батареи: прошлое, настоящее и будущее

Поступила: 12.01.2021 | Одобрена в печать: 12 февраля 2021 г. | Опубликован: 24 февраля 2021 г.

Журнал энергетики и энергетических технологий 2021 , том 3, выпуск 1, DOI: 10.21926 / jept.2101010

Рекомендуемое цитирование: Takagi H, Kakimoto K, Mori D, Taminato S, Takeda Y, Yamamoto O, Imanishi N. Перезаряжаемые водно-литиевые батареи высокой плотности энергии с водной гидрохинон-сульфоновой кислотой и катодом с окислительно-восстановительной парой бензохинон-сульфоновой кислоты. Журнал энергетики и энергетических технологий 2021 ; 3 (1): 13; DOI: 10.21926 / jept.2101010.

© 2021 Авторы. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons by Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе или любом формате при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Для электромобилей возрос спрос на перезаряжаемые батареи с высокой плотностью энергии помимо литий-ионных. В настоящем исследовании была предложена новая водно-литиевая аккумуляторная батарея с высокой плотностью энергии. Батарея состояла из литий-металлического анода, литий-стабильного неводного электролита, водостойкого литий-ионного проводящего твердого электролита из Li _1,4 Al _0,4 Ge _0.2 Ti _1,4 (PO ₄ ) ₃ -эпокси-TiO ₂ сепаратор и окислительно-восстановительная пара гидрохинонсульфоновая кислота (HQS) / бензохинонсульфоновая кислота (BQS) в водном растворе уксусной кислоты (HAc) . Было зарегистрировано напряжение холостого хода 3,7 В при 25 ° C, и теоретическая плотность энергии батареи, основанная на реакции 2Li + BQS + 2H ₂ O = 2 LiOH ^{+ HQS, составила 833 Вт · ч · кг -1 , примерно в два раза выше, чем у литий-ионного аккумулятора. Батарея была успешно перезагружена до 0.5 мА см -2 и 25 ° C с низкой поляризацией.}

Аккумулятор с высокой плотностью энергии; водно-литиевая батарея; литий-металлический электрод; бензохинонсульфоновая кислота; твердый электролит

Литиевый анод — лучший кандидат для батареи с высокой плотностью энергии из-за его высокой теоретической удельной емкости 3860 мАч ^-1 и самого высокого потенциала электрохимического восстановления -3.04 В по сравнению с обычным водородным электродом (NHE). Литий бурно реагирует с водой; поэтому водный электролит никогда не используется, а неводные электролиты были в основном разработаны для батарей с литиевыми анодами [ 1 , 2 ]. В 2004 году Visco et al. [ 3 , 4 ] предложили уникальную водную литий-воздушную батарею ^{, которая состояла из металлического литиевого анода, водостабильного литий-ионного проводящего твердого электролитного сепаратора, водного электролита и воздушного электрода.Сепаратор электролита типа NASICON Li _{1 + x} Al _x Ti _2-x (PO ₄ ) ₃ (LATP) предотвращал прямой контакт между анодом из металлического лития и водным раствором электролита. Ожидалось, что водная литий-воздушная батарея обеспечит высокую удельную мощность и будет работать в воздушной атмосфере [ 5 ].}

В основном, в литературе было предложено два типа водно-литиевых батарей; один с водным электролитом и водостойкими электродами с интеркаляцией лития [ 6 ], а другой с водостабильным сепаратором твердого электролита [ 3 ].Бывшая водно-литиевая батарея демонстрирует высокую удельную мощность; однако удельная плотность энергии ниже, чем у обычных литий-ионных батарей [ 7 ]. В настоящее время предложены различные водно-литиевые батареи с сепараторами твердого электролита. Чжоу и его сотрудники сообщили о прототипе водно-литиевой батареи с сепаратором твердого электролита [ 8 ]. Этот элемент был собран с использованием 1 M LiClO ₄ в этиленкарбонате и диметилкарбонате в качестве электролита для Li-анода и водного раствора, содержащего 1 M LiOH и 1 M KOH в качестве электролитов для катода Ni (OH) ₂ .Два электролита были разделены LATP. Плотность энергии этой ячейки была рассчитана как 857 Вт · ч · кг ^-1 на основе веса активных материалов электродов. Точно так же ячейка, состоящая из литиевого анода с жидким электролитом и водорастворимым Fe (CN) ₆ ^3- / Fe (CN) ₆ ^4- катод с окислительно-восстановительной парой, разделенный LATP, был предложен Гуденафом. и другие. [ 9 ]. Теоретическая удельная плотность энергии этой окислительно-восстановительной пары составила 392 Вт · ч ^-1 , ^{Вт · ч, что сопоставимо с удельной энергией обычных литий-ионных батарей, хотя ожидалось более высокое значение удельной мощности.Wu et al. сообщили о Li / гель-полимерном электролите / LATP / водном электролите / LiMn ₂ O ₄ элементе [ 10 ]. Удельная плотность энергии элемента Li / LiMn ₂ O ₄ , основанная на массе электродов, была оценена как 446 Вт · ч · кг -1 . Иманиши и его сотрудники [ 11 , 12 , 13 ] предложили водно-литиевую батарею с более высокой удельной плотностью энергии, которая состояла из литиевого анода с жидким электролитом, водного MCl ₂ (M = Co, Ni , Sn) раствор католита и Li _1.4 Al _0,4 Ge _0,2 Ti _1,4 (PO ₄ ) ₃ (LAGTP) сепаратор. Теоретическая удельная плотность энергии элемента Li / NiCl ₂ составляла 1047 Вт · ч -1 , исходя из веса лития и NiCl ₂ , и была по крайней мере вдвое больше, чем у обычной литий-ионной батареи. Расчетная удельная плотность энергии, рассчитанная с использованием массы компонентов ячейки с сепаратором LAGTP толщиной 0,1 мм (кроме упаковки), составила 670 Вт · ч -1 .Более того, в литературе показано, что батарея с жидким католитом может быть разработана в крупномасштабную батарею без ухудшения характеристик элемента из-за высокой диффузии активного материала в католите [ 13 ].}

В этом исследовании мы разработали новую водно-литиевую перезаряжаемую батарею с водорастворимым католитом органической окислительно-восстановительной пары 1,2-гидрохинон-3-сульфоновой кислоты (HQS) и 1,2-бензохинон-3-сульфоновой кислоты (BQS). ) и анод из металлического лития.Feng et al. [ 14 ] сообщили об органическом катоде, состоящем из диангидрида 3,4,9,10-перилентетракарбоновой кислоты в органическом растворителе, но растворимость этого соединения в воде была очень низкой. Кроме того, католит и анод из металлического лития были разделены LAGTP. Пара бензохинон-гидрохинон является прототипом органической окислительно-восстановительной системы, и их электрохимическое поведение активно изучается в течение последних многих лет [ 15 , 16 , 17 ].Однако растворимость бензохинона в воде не очень высока. Нараянан и др. [ 18 , 19 , 20 ] сообщили о водной проточной батарее на основе водорастворимой органической окислительно-восстановительной пары 1,2-бензохинон-3,5-дисульфоновой кислоты на катоде и антрахинон-2-сульфоновой кислоты. на аноде. В качестве католита использовали водорастворимый водный раствор BQS / HQS. Реакция ячеек батареи была следующей;

2 \ rm {Li} \ + \ BQS \ + \ 2H_2O \ = \ 2 \ LiOH \ + \ HQS

Напряжение холостого хода (OCV) ячейки было около 3.7 В при 25 ° C. Теоретическая удельная плотность энергии на основе масс литиевого анода H ₂ O и BQS с OCV 3,7 В составила 833 Вт · ч · кг ^-1 . Хиноны сравнительно дешевле (~ 5-10 кг ^-1 ) [ 18 ]; следовательно, они очень подходят и привлекательны для крупногабаритных аккумуляторов для электромобилей и различных приложений хранения электроэнергии.

HQS получали ионным обменом 1,2-гидрохинон-3-сульфоновой калиевой соли (HQSK, Alfa Aesar) с использованием ионообменной смолы Amerlyst 15 DRY (Kurita Water, Япония).Поскольку LAGTP нужно было разложить в сильнокислом растворе [ 21 ], pH католита был доведен до pH 2. Водные растворы 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2 M LiCl, 0,015 MH ₂ SO ₄ и 10 м хлорида 1-бутил-3-метилимидазолия (IBMmCl) с 1,0 M HCl (Sigma-Aldrich), все при pH 2,0, были исследованы в качестве католита. 2 M LiCl был добавлен к 5,5 M HAc для увеличения проводимости электролита. Электрохимические характеристики окислительно-восстановительной реакции HQS / BQS изучали с использованием лабораторного стакана с рабочим электродом, состоящим из смеси углеродного электрода, содержащего Pt (Pt-C) (Tanaka Kikinzoku, Япония) и политетрафторэтилена (PTFE) (Daikin Japan). ) (Массовое соотношение 8: 2), противоэлектрод из Pt и Ag / AgCl в электроде сравнения с насыщенным KCl.Катодную смесь прессовали на титановую сетку (Nikara, Япония).

Принципиальная схема полной испытательной ячейки Swagelok собственного производства показана на рисунке 1. Ячейка состояла из металлического литиевого анода толщиной 200 мкм (Honjometal, Япония), Li (CF ₃ SO ₂ ) ₂ N (LiFSI), растворенный в диметиловом эфире тетра (этилен) гликоля (G4) (мольное соотношение 2: 1) и 1,3-диоксолане (DOL, 50 об.%) В качестве анодного электролита, прибл. LAGTP-эпокси-10 мас.% TiO ₂ толщиной 200 мкм в качестве сепаратора твердого электролита, водный раствор 0.8M HQS в 5,5 M HAc и 2 M LiCl в качестве католита, а также в смеси Pt-C и PTFE в качестве катода. Сообщалось, что анодный электролит LiFSI-2G4-50 об.% DOL подавляет образование дендритов лития при высокой плотности тока [ 22 ]. Пленки LAGTP-эпокси-TiO ₂ были приготовлены с использованием ранее описанного метода литья на ленту [ 23 ]. Тонкодисперсный порошок LAGTP получали золь-гель методом с использованием лимонной кислоты [ 24 ]. Вкратце, стехиометрические количества Ti (OC ₂ H ₅ ) ₄ и Ge (OC ₂ O ₅ ) ₄ (Sigma Aldrich) растворяли в этиленгликоле, добавляли до 0.2 М водный раствор лимонной кислоты, и раствор хорошо перемешивали. После образования геля к гелю добавляли стехиометрические количества LiNO ₃ , Al (NO ₃ ) 3.9h3O и NH ₄ H ₂ PO ₄ (Nakalai Tesque, Япония). Гель выдерживали при 220 ° C в течение нескольких часов, а затем нагревали при 580 ° C в течение 4 часов. Затем гель измельчали ​​и снова нагревали при 800 ° C в течение 4 часов. Смесь LAGTP, мелкодисперсного порошка TiO ₂ (Kojundo Chemicals Japan, размер частиц 2 мкм), рыбьего жира Menhaden (Sigma Aldrich), Burver @ B-98 (Sigma Aldrich) и бензилбутилфталата (Wako Chemicals , Япония) измельчали ​​в шаровой мельнице с пленочной мельницей (Fritsch, Mode 7).Полученную суспензию наносили изолентой на покрытую силиконом полиэтиленовую подложку с использованием устройства с двумя ракельными ножами. Лист, отлитый из зеленой ленты, осторожно сушили при 4 ° C с последующим нагревом при 500 ° C для удаления органических добавок и, наконец, спекали при 950 ° C. Пленки LAGTP-эпокси-TiO ₂ получали погружением пленки LAGTP-TiO ₂ в раствор тетрагидрофурана, содержащий 0,05 M 1,3-фенилендиамин (Sigma-Aldrich) и 2,2-бис (4-глицидилокси). -фенил) пропан (Sigma-Aldrich) с последующей реакцией полимеризации при 170 ° C в течение 24 часов [ 25 ].Количество эпоксидной смолы в пленке LAGTP-TiO ₂ , оцененное по изменению веса, составляло около 2 мас.%. Наконец, смесь пористого углерода, содержащего Pt (Tanaka Kikinzoku, Япония) и политетрафторэтилена (PTFE), прессовали на титановую сетку (Nikara, Япония).

Рисунок 1 Схема испытательной ячейки.

Измерения импеданса проводились с использованием частотного анализатора (Solatron 1260) в диапазоне частот от 0,1 Гц до 1 МГц при напряжении смещения 10 мВ.Объемная проводимость и проводимость границ зерен образцов оценивалась из графиков комплексного импеданса с использованием программного обеспечения Zview 2. Электрохимические измерения проводили с использованием многоканального потенциогальваностата (Bio-Logic Science Instrument VMPX).

Стабильность твердого электролита в водном католите является важным требованием к сепаратору в водно-литиевых батареях. Стабильность LATP в водных электролитах была исследована Иманиши с соавторами [ 21 , 26 , 27 , 28 ]. ^{Они обнаружили, что LATP нестабилен в сильных кислотных и щелочных водных растворах, а литий-ионная проводимость LATP значительно снижалась при его погружении в эти растворы. Мы исследовали изменение импеданса ленточных литых пленок LAGTP-эпокси-TiO ₂ в водном растворе 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2M LiCl (pH = 2,0). Профили импеданса Au / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / Au в зависимости от периода погружения на рис. 2 (а) показали, что начальная общая проводимость пленки составляла 3.7×10 -4 Scm -1 при 25 ° C. Объемная проводимость не изменялась в течение двух недель, но проводимость границ зерен уменьшалась. Общая проводимость электролита через две недели составила 1,5 × 10 -4 Scm -1 , после чего не последовало дальнейшего значительного изменения общей проводимости. Картины XRD пленки LAGTP-эпокси-TiO ₂ до и после погружения в 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2M LiCl (pH = 2,0) на две недели также не показали значительных изменений.Другое требование к сепаратору твердого электролита для водно-литиевого элемента — непроницаемость для воды. Тест на водопроницаемость проводился с использованием ячейки H-типа, в которой одна камера была заполнена чистой водой, а другая — 1М водным раствором LiCl [ 25 ]. Скорость водопроницаемости определялась по содержанию Cl — в камере с водой. Пленка LAGTP-TiO ₂ без эпоксидной смолы имела высокую литий-ионную проводимость 8.9×10 -4 Scm -1 , но проявила проницаемость для воды через пленку, в то время как вода не диффундировала через пленку LAGTP-эпокси-TiO ₂ в течение одной недели. Таким образом, пленка LAGTP-эпокси-TiO ₂ была приемлемой и рекомендована в качестве сепаратора в предлагаемых водно-литиевых батареях.}

Рис. 2 (a) Профили импеданса LAGTP эпокси-TiO ₂ , погруженного в водный раствор 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2 M LiCl при pH 2.0 и 25 ° C как функция времени (b) Результаты испытаний на водопроницаемость для LAGTP-TiO ₂ и LAGTP-эпокси-TiO ₂ .

На рисунке 3 показаны циклические вольтамперограммы (CV) для Pt-C-электрода водного раствора 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2 M LiCl, водного раствора 15 мМ H ₂ SO ₄ и 10 мкМ. IBMmCl с 1,0 M водным раствором HCl (IBMmCl-HCl) при 25 ° C, где HQS окисляли до BQS при 0,5 мА · см ^-2 в течение 20 часов. Имидазол, поддерживающий электролит ИБМ-1.Было обнаружено, что 0 M HCl подавляет реакцию присоединения бензохинона по Михаэлю к воде [ 29 ]. Кривая CV для раствора 15 мМ H ₂ SO ₄ была аналогична кривой для 1 мМ 1,2-бензохинон-3,5-дисульфоновой кислоты (BQDS) в растворе 1 MH ₂ SO ₄ [ 17 ]. Пиковый потенциал 1,15 В относительно NHE был сравним с 1,13 В относительно NHE, наблюдаемый в случае 1 мМ BQDS в 1 MH ₂ SO ₄ растворе [ 18 ], соответствующем окислительно-восстановительной реакции HQDS / BQDS. .Потенциалы реакции выделения водорода и выделения кислорода при pH 2,0 без перенапряжения составляли -0,118 В относительно NHE и 1,111 В относительно NHE, соответственно. Реакции выделения кислорода и водорода наблюдались при примерно 1,5 В относительно NHE и 0,0 В относительно NHE, соответственно, в 15 мМ H ₂ SO ₄ . CV для 5,5 M HAc и 2M LiCl и 10 м IBMmCl с 1,0 M HCl указывал на инициирование реакции окисления HQS при примерно 0,7 В относительно NHE, хотя четкого пика реакции окисления не наблюдалось.Результаты CV для HQS в 15 мМ H ₂ SO ₄ подтвердили, что окислительно-восстановительная реакция HQS / BQS протекает по двухэлектронной реакции BQS + 2H ⁺ + 2e = HQS, как сообщалось ранее для гидрохинон-бензохинона. окислительно-восстановительная система в водном растворе [ 30 ]. Wu et al. наблюдали реакцию электрохимического окисления HAc в водном растворе 0,5 MH ₂ SO ₄ при 1,14 В по сравнению с NHE для Pt ₆₀ Ru ₁₀ Sn ₃₀ электрода с высоким содержанием Sn [ 31 ], а Sine et al.предположил, что электрод с низким содержанием Sn в Pt ₈₀ Ru ₁₀ Sn ₁₀ не показал окисления HAc в 1 M HClO _3- 0,1 M водном растворе HAc [ 32 ]. Результаты, показанные в настоящем исследовании, согласуются с данными вышеупомянутых исследований и не показывают четкого пика окисления HAc.

Рисунок 3 Циклические вольтамперограммы Pt-C-электрода для 0,8 M HQS в 5,5 M HAc и 2 M LiCl (HAc), 15 мМ H ₂ SO ₄ (H ₂ SO ₄ ), и 10 м IBMmCl-1.Водные растворы 0 M HCl (IBMmCl-HCl) при 25 ° C. Скорость сканирования составляла 5 мВ · с ^-1 .

Кинетику окислительно-восстановительной реакции HQS / BQS на Pt-C-электродах исследовали в водных растворах с pH 2,0 при 25 ° C. Кривые перенапряжения (η) от плотности тока (j) для 0,8 M HQS в 5,5 M HAc-2 M LiCl (HAc), 15 мМ H ₂ SO ₄ (H ₂ SO ₄ ), и 10 м водные растворы IBMmCl-1.0 M HCl (IBMmCl-HCl) показаны на рисунке 4, где перенапряжения восстановления BQS были измерены после того, как окислилось около 20% HQS, и перенапряжения были записаны после поляризации в течение 10 мин на каждом этапе. плотность тока.Результаты показали, что перенапряжение окисления HQS было низким в католите, тогда как перенапряжение восстановления BQS было выше, чем перенапряжение окисления, и зависело от католита. При низкой плотности тока наименьшее перенапряжение наблюдалось в 0,8 M HQS, взятом в 5,5 M HAc-2 M LiCl (HAc), но при высокой плотности тока наблюдалось обратное, и перенапряжения исследуемого католита были выше, чем другой католит. Изменение напряжения ячейки с кривыми периода поляризации показано на рисунке 5.Ячейки сначала заряжали при 0,5 мА · см ^-2 на 10 мА · ч, а затем разряжали при 0,5 мА · см ^-2 . В этот момент около 80% BQS было восстановлено до HQS с перенапряжением 0,5 В. Перенапряжения плоского разряда около 0,15 В при 0,5 мА · см ^-2 наблюдались в 15 мМ H ₂ SO ₄ и 5,5. M HAc-2 M LiCl.

Рисунок 4 Кривые зависимости перенапряжения (η) от плотности тока (j) для окисления HQS и восстановления BQS на Pt-C электроде в 0.8 M HQS в 5,5 M HAc-2 M LiCl (HAc), 15 мМ H ₂ SO ₄ (H ₂ SO ₄ ) и 10 м IBMmCl-1,0 M HCl (IBMmCl-HCl) при 25 ° С.

Рисунок 5 Кривые зависимости потенциала электрода от емкости для окисления HQS и восстановления BQS на Pt-C электроде в 0,8 M HQS в 5,5 M HAc-2 M LiCl (HAc), 15 мМ H ₂ SO ₄ ( H ₂ SO ₄ ) и 10 м IBMmCl-1.0 M HCl (IBMmCl-HCl) при 25 ° C.

Также были исследованы полные характеристики электролизера анода из металлического лития и катода с окислительно-восстановительной парой BQS / HQS.Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M BQS в 5,5 M водном растворе HAc-2 M LiCl / ячейке Pt-C испытывали при 25 ° C. OCV составляло 3,7 В, что было немного ниже, чем значение 3,92 В, оцененное на основе потенциала восстановления BQS в 1 M H ₂ SO ₄ , о котором сообщалось в литературе [ 17 ]. Низкий OCV может быть связан с высоким pH католита, потенциалом соединения между LAGTP-эпокси-TiO ₂ и водным католитом и анодным электролитом, а также низкой литий-ионной активностью в Li / анодном электролите.Профиль импеданса полной ячейки при 25 ° C показан на рисунке 6. Результат показал два полукруга; один в высокочастотном диапазоне от 1 МГц до 25 кГц соответствует вкладу межзеренной литий-ионной проводимости в LAGTP-эпокси-TiO ₂ , а другой в низкочастотном диапазоне 25 кГц и 0,1 кГц приписывается вклад сопротивления переносу заряда [ 33 ]. Пересечение высокочастотного полукруга с действительной осью на высокой частоте является суммой объемного сопротивления LAGTP-эпокси-TiO ₂ и сопротивлений буферного электролита и католита.Отношение этих сопротивлений электролита к общему сопротивлению ячейки составляло около 0,5. В данном исследовании использовались анодный электролит толщиной 1 мм и сепаратор ЛАГТП-эпоксид-TiO ₂ толщиной 0,2 мм. Сопротивление электролита можно снизить за счет уменьшения толщины этих электролитов. На рисунке 7 показана кривая зависимости перенапряжения заряда и разряда от плотности тока для Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M HAc-2 M LiCl водного элемента. , где ячейка была предварительно заряжена на 0.5 мА · см ^-2 на 50 ч (20% от полной зарядки). Перенапряжение заряда немного увеличилось с увеличением плотности тока, в то время как перенапряжение разряда значительно увеличилось. При 2 мА · см ^-2 перенапряжение при передаче туда и обратно составило 1,2 В, что соответствует потере энергии 33%.

Рисунок 6 Профиль импеданса Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M Водный раствор HAc-2 M LiCl / ячейка Pt-C при 25 ° C.

Рисунок 7 Кривые зависимости перенапряжения (η) от плотности тока (j) для Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпоксид-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M HAc-2 M Водный раствор LiCl / ячейка Pt-C при 25 ° C.

Циклические характеристики Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M Водный раствор HAc-2M LiCl / элемент Pt-C при 0,5 мА · см ^-2 на 1 час разряда, 1 час отдыха и затем 1 час заряда при 25 ° C, как показано на рисунке 8.Перенапряжение в обоих направлениях составило 0,4 В, что соответствует 12% потерям энергии. Напряжение разряда немного уменьшалось с каждым циклом. Профили глубокого заряда и разряда при 0,5 мА · см ^-2 показаны на рисунке 9. Напряжение отсечки для заряда и разряда составляло 4,5 В и 2,5 В соответственно, а масса заряженного HQS составляла 0,189 г (65 мАч. ). Наблюдаемые зарядная и разрядная емкости составляли 49,6 и 26,5 мАч соответственно, что соответствовало 76% и 41% полезности активного материала в католите, соответственно.Потенциальное плато для реакции выделения водорода наблюдалось при около 2,2 В. Расчетная плотность энергии предлагаемой ячейки Li / HQSK составляла 358 Вт · ч · кг ^-1 , исходя из масс Li, H ₂ O и BQS и 41 % использования BQS с рабочим напряжением 3,4 В. Расчетная плотность энергии предложенной водно-литиевой батареи нового типа была сопоставима с удельной энергией традиционной литий-ионной батареи. Расчетная удельная плотность энергии элемента обычно зависит от удельной емкости поверхности [ 34 ], а характеристики элемента твердого активного материала, такого как LiCoO ₂ в литий-ионных батареях, зависят от толщины электрода [ 35 ].Однако, как сообщается в литературе [ 11 ], рабочие характеристики элемента с жидким католитом не показывают значительной зависимости от удельной емкости площади. ^{Следовательно, предлагаемая батарея Li / BQS с жидким католитом может обеспечить высокую плотность энергии при большой емкости.}

Рисунок 8 Циклические характеристики Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M Водный раствор HAc-2 M LiCl / Pt-C ячейки при 0,5 мА · см ^-2 и 25 ° C.

Рисунок 9 Кривые заряда и разряда Li / (LiFSI-2G) -50 об.% DOL / LAGTP-эпокси-TiO ₂ / 0,8 M HQS-5,5 M HAc-2 M водный раствор LiCl / Pt-C ячейка 0,5 мА · см ^-2 и 25 ° C.

Предлагаемая новая водно-литиевая батарея с водорастворимым и менее дорогим органическим католитом показала более высокую теоретическую удельную плотность энергии, чем обычные литий-ионные батареи. Ячейка показала хорошие результаты при 0.5 мА · см ^-2 и 25 ° C, и после 37 циклов не наблюдалось значительного разложения. Батарея с водным католитом могла заряжаться и разряжаться с высокой удельной емкостью, а стоимость катодных активных материалов была ниже, чем у обычных литий-ионных батарей. Таким образом, предлагаемая новая батарея имеет потенциальное применение для аккумуляторов большой емкости для электромобилей и систем хранения электроэнергии.

HT приготовил тонкие пленки твердого электролита, выполнил электрохимические измерения и установил полную ячейку.KK приготовил мелкодисперсный порошок LAGTP. DM, S T, YT и OY поддерживали и давали советы по каждой экспериментальной работе. NI руководил направлением исследований и предоставлял инструкции и возможности для обсуждения между всеми авторами

Эта работа была поддержана Программой передачи адаптируемых и бесшовных технологий JST через Целевые исследования и разработки (A-STEP) Номер гранта JPMJTM120EP.

Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

1. Whittinham MS. Литиевые батареи и катодные материалы. Chem Rev.2004; 104: 4271-4302. [CrossRef]
2. Брюс П.Г., Фрейнбергер С.А., Хардвик Л.Дж., Тараскон Дж. М.. Li-O ₂ и Li-S батареи с высоким накопителем энергии.Nat Mater. 2012; 11: 19-29. [CrossRef]
3. Visco SJ, Nimon E, Katz B, De Johne LC, Chu MY. Литий-металлические водные батареи. Материалы 12-го Международного совещания по литиевым батареям; 2004 г. 27 июня — 2 июля; Нара, Япония. Амстердам: Эльзевир.
4. Visco SJ, Нимон Ю.С.Активные металлические / водные электрохимические ячейки и системы. Заявка на патент США; 2007; US7645543B2.
5. Иманиши Н., Ямамото О. Перспективы и проблемы аккумуляторных литий-воздушных батарей. Mater Today Adv. 2019; 4: 100031. [CrossRef]
6. Ли В., Дан-младший, Уэйнрайт Д.С.Перезаряжаемые литиевые батареи с водными электролитами. Наука. 1994; 264: 1115-1118. [CrossRef]
7. Kim H, Hong J, Park KY, Kim H, Kim SW, Kang K. Водные перезаряжаемые ионно-литиевые и натриевые батареи. Chem Rev.2014; 114: 11788-11827. [CrossRef]
8. Ли Х, Ван И, На Х, Лю Х, Чжоу Х.Перезаряжаемая Ni-Li батарея интегрированная водно-неводная система. J Am Chem Soc. 2009; 131: 15098-15099. [CrossRef]
9. Лу Й., Гуденаф Дж. Б., Ким Ю. Водный катод для щелочно-ионных батарей нового поколения. J Am Chem Soc. 2011; 133: 5756-5759. [CrossRef]
10. Ван X, Хоу Y, Чжу Y, Wu Y, Holze R.Перезаряжаемая литиевая батарея на водной основе, использующая металлический литий с покрытием в качестве анода. Sci Rep.2013; 3: 1401. [CrossRef]
11. Морита Ю., Ватанабе С., Чжан П., Ван Х., Мори Д., Мацуда Ю. и др. Перезаряжаемые водные литий-металл-хлоридные аккумуляторные батареи с высокой удельной энергоемкостью. J Electrochem Soc. 2017; 164: A1958. [CrossRef]
12. Морита Ю., Ватанабе С., Мори Д., Такеда Ю., Ямамото О, Иманиши Н.Перезаряжаемые литий-никелевые хлоридные батареи на водной основе с высокой плотностью энергии. САУ Омега. 2018; 3: 5558-5562. [CrossRef]
13. Ватанабе С., Мори Д., Таминато С., Мацуда Ю., Ямамото О., Такеда Ю. и др. Водно-литиевая аккумуляторная батарея с водным катодом из хлорида олова (II) и водостабильным литий-ионным проводящим твердым электролитом. J Electrochem Soc. 2019; 166: A539.[CrossRef]
14. Фэй Х, Лю И, Ань И, Сюй Х, Цзэн Дж, Тянь И и др. Стабильный полностью твердотельный калиевый аккумулятор, работающий при комнатной температуре, с композитным полимерным электролитом и экологически безопасным органическим катодом. J Источники энергии. 2018; 399: 294-298. [CrossRef]
15. Fieser LF.Таутомерия гидроксихинонов. J Am Chem Soc. 1928; 50: 439-465. [CrossRef]
16. Guin PS, Das S, Mandal PC. Электрохимическое восстановление хинонов в различных средах: обзор. Int J Electrochem. 2011; 2011: 816202. [CrossRef]
17. Бейли С.И., Рритчи И.М.Циклическое вольтамперометрическое исследование водной электрохимии некоторых хинонов. Electrochim Acta. 1985; 30: 3-12. [CrossRef]
18. Ян Б., Хубер-Буркхардт Л., Ван Ф., Пракаш Г.С., Нараянан С.Р. Недорогая проточная батарея на водной основе для крупномасштабного накопления электроэнергии на основе водорастворимых органических окислительно-восстановительных пар. J Electrochem Soc. 2014: 161: A1371 [CrossRef]
19. Ян Б., Хубер-Буркхардт Л., Кришнамурти С., Мурали А., Пракаш Г.С., Нараянан С.Р.Высокопроизводительный водно-органический проточный аккумулятор с окислительно-восстановительными парами на основе хинона на обоих электродах. J Electrochem Soc. 2016; 163: A1442. [CrossRef]
20. Хубер-Буркхардт Л., Кришнамурти С., Ян Б., Мурали А., Нирмалчандар А., Пракаш Г. С. и др. Новый бензохинон, устойчивый к реакциям Майкла, для водно-органических проточных окислительно-восстановительных батарей. J Electrochem Soc. 2017; 164: A600. [CrossRef]
21. Шимониси Ю., Чжан Т., Джонсон П., Иманиши Н., Хирано А., Такеда Ю. и др.Исследование литий-воздушных вторичных батарей — стабильность стеклокерамики типа NASICON в растворе кислоты. J Источники энергии. 2010; 195: 6187-6191. [CrossRef]
22. Ван Х., Мацуи М., Кувата Х., Соноки Х., Мацуда Й., Шан Х и др. Обратимый бездендритный электрод из металлического лития большой площади. Nat Commun. 2017; 8: 15106. [CrossRef]
23. Бай Ф, Шан Х, Мори Д., Таминато С., Мацумото М., Ватанабе С. и др.Тонкопленочный твердый электролит с высокой литий-ионной проводимостью из Li _1,4 Al _0,4 Ge _0,2 Ti _1,4 (PO ₄ ) ₃ -TiO ₂ для водных литиевых вторичных батарей. Ион твердого тела. 2019; 338: 127-133. [CrossRef]
24. Кионо Н, Бай Ф, Немори Х, Минами Х, Мори Д., Такеда Й и др. Литий-ионные твердые электролиты Li _1.4 Al _0,4 Ge _0,2 Ti _1,4 (PO ₄ ) _{3 Композиты} и MO _x (M = Al, Ti и Zr). Ион твердого тела. 2018; 324: 114-127. [CrossRef]
25. Takahashi K, Johnson P, Imanishi N, Sammes N, Takeda Y, Yamamoto O. Водостойкий, литий-ионный проводящий Li _1,4 Ti _1,6 Al _0,4 (PO ₄ ) ₃ -гибрид эпоксидной смолы простыня.J Electrochem Soc. 2012; 159: A1065.
26. Hasegawa S, Imanishi N, Zhang T, Xie J, Hirano A, Takeda Y, et al. Исследование литий-воздушных вторичных батарей — Устойчивость литий-ионной стеклокерамики типа NASICON к воде. J Источники энергии. 2009; 189: 371-377. [CrossRef]
27. Шимониши Ю., Чжан Т., Иманиши Н., Им Д., Ли Ди-джей, Хирано А. и др.Исследование литий-воздушных вторичных батарей — Стабильность литий-ионно-проводящего твердого электролита типа NASICON в щелочных водных растворах. J Источники энергии. 2011; 196: 5128-5132. [CrossRef]
28. Чжан Т., Иманиши Н., Такеда Ю., Ямамото О. Водные литиевые / воздушные аккумуляторные батареи. Chem Lett. 2011; 40: 668-673. [CrossRef]
29. Е Р., ​​Хенкенсмайер Д., Чен Р.Катион имидазолия сделал возможным обратимость производного гидрохинона для создания водных окислительно-восстановительных электролитов. Устойчивое энергетическое топливо. 2020; 4: 2998-3005. [CrossRef]
30. Куан М., Санчес Д., Василькив М.Ф., Смит Д.К. Вольтамперометрия хинонов в небуферированном водном растворе: переоценка роли переноса протона и водородных связей в водной электрохимии хинонов.J Am Chem Soc. 2007; 129: 12847-12856. [CrossRef]
31. Wu G, Swaidan R, Cui G. Электроокисление этанола, ацетальдегида и уксусной кислоты с использованием катализаторов PtRuSn / C, полученных с помощью модифицированного процесса восстановления спирта. J Источники энергии. 2007; 172: 180-188. [CrossRef]
32. Сине Дж., Смида Д., Лимат М., Фоти Дж., Комнинеллис К.Микроэмульсия синтезировала наночастицы Pt / Ru / Sn на BDD для электроокисления спирта. J Electrochem Soc. 2007; 154: B170. [CrossRef]
33. Брюс П.Г., Западная АР. Ионная проводимость твердых растворов LISICON, Li _{2 + 2x} Zn _{1 − x} GeO ₄ . J. Solid State Chem. 1982; 44: 354-365. [CrossRef]
34. Park MS, Ma SB, Lee DJ, Im D, Doo SG, Yamamoto O.Очень обратимый анод из металлического лития. Sci Rep.2014; 4: 3815-3822. [CrossRef]
35. Чжэн Х., Ли Дж., Сон Х, Лю Г, Батталья VS. Исчерпывающее понимание влияния толщины электродов на электрохимические характеристики катодов литий-ионных аккумуляторов. Electrochim Acta. 2012; 71: 258-265. [CrossRef]

Свинцово-кислотные батареи находятся на пути к исчезновению

Колыбели для перевозки автомобильных кузовов Ford Focus внутри Ford Motor Co.завод в Саарлуисе, … [+] Германия, в среду, 25 сентября 2019 г. Ford недавно объявил, что ожидает «электрифицированных» автомобилей, которые включают мягкие гибриды, традиционные гибриды, подключаемые электрические гибриды (PHEV) и электромобили с аккумулятором (BEV) должны составить более 50% продаж легковых автомобилей к концу 2022 года. Фотограф: Krisztian Bocsi / Bloomberg

Аккумуляторы стали неотъемлемой частью нашей повседневной жизни в 20 веке.Но темпы изменений резко возросли в 21 веке с разработкой новых типов батарей. Произошедшая в результате революция в области аккумуляторных батарей позволяет начать сейсмический сдвиг в том, как мы приводим в действие наши транспортные системы и тяжелое оборудование, а также в том, как мы питаем наши города.

Ключом к этой революции стала разработка доступных аккумуляторов с гораздо большей плотностью энергии. Это новое поколение аккумуляторов угрожает положить конец долгому правлению свинцово-кислотных аккумуляторов.

Но потребителей можно простить за то, что они сбиты с толку по поводу множества различных типов батарей, борющихся за долю рынка в этом захватывающем новом будущем. Итак, давайте разберемся в основных типах батарей и их применении.

Категории батарей

в широком смысле подразделяются на первичные и вторичные. Первичная батарея — это одноразовая батарея. Все мы знакомы с этими типами батарей. Наиболее распространенным типом первичной батареи является щелочная батарея, названная так потому, что ее электролит является щелочным (гидроксид калия).

Пакет из 20 батареек Duracell, который вы покупаете в хозяйственном магазине за 15 долларов, представляют собой щелочные батареи. Эти батареи бывают разных размеров и с разным уровнем напряжения, наиболее распространенные из которых имеют обозначения AA, AAA, C, D и 9 вольт.

Первичные батареи дешевы и используются в фонариках, пультах для телевизоров, игрушках и бытовой электронике.

Вторичные батареи перезаряжаемые. Первоначальная стоимость этих батарей обычно выше, чем у первичных батарей, но они начинают давать значительное экономическое преимущество в энергоемких приложениях, которые быстро потребляют щелочные батареи.

Типы вторичных батарей

Самый распространенный тип вторичной батареи — это свинцово-кислотная батарея. Свинцово-кислотный аккумулятор — это самый старый тип аккумуляторных батарей, который можно найти в большинстве автомобилей мира. Это относительно дешевый и надежный, но он имеет самое низкое соотношение энергии к объему и энергии к весу среди основных типов вторичных батарей. Это делает его популярным для приложений хранения энергии, в которых вес и пространство не имеют особого значения, например, резервное питание для солнечных фотоэлектрических систем.Но для мобильных приложений, которые в значительной степени зависят от заряда батареи, свинцово-кислотные батареи быстро вытесняются новыми типами батарей.

Литий-ионный аккумулятор стал самым серьезным претендентом на свержение свинцово-кислотного аккумулятора. Литий-ионные батареи находятся на другом конце шкалы плотности энергии по сравнению со свинцово-кислотными батареями. У них самое высокое соотношение энергии к объему и энергии к весу среди основных типов аккумуляторных батарей. Это означает, что вы можете упаковать больше энергии в меньшее пространство, и вес также будет меньше.

Литий-ионные батареи все еще новы по сравнению со свинцово-кислотными батареями. Удар по ним был дорогостоящим, но эти расходы резко упали за последнее десятилетие и, по прогнозам, будут продолжать снижаться.

Два других основных типа вторичных батарей основаны на никеле, и оба находятся между свинцово-кислотными и литий-ионными с точки зрения плотности энергии. Никель-кадмиевый аккумулятор (Ni-Cd аккумулятор) использует гидроксид никеля и металлический кадмий в качестве электродов. Никель-кадмиевые батареи отлично подходят для поддержания напряжения и заряда, когда они не используются.Но эти батареи хорошо известны благодаря эффектам «памяти», возникающим при перезарядке частично заряженной батареи. Это со временем снижает емкость аккумулятора.

когда-то были популярны в портативных электроинструментах и ​​портативных электронных устройствах. Но никель-металлогидридные (Ni-MH) батареи в значительной степени вытеснили их в этих приложениях из-за более низкой стоимости и более высокой плотности энергии. Помимо того, что у никель-кадмиевых аккумуляторов в три раза больше емкости, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов того же размера, никель-металлогидридные аккумуляторы не обладают эффектом «памяти», как никель-кадмиевые аккумуляторы.

Выбор правильной батареи

Из-за растущего числа вариантов батарей может быть сложно определить лучший тип батареи для вашего приложения. Некоторые важные соображения включают плотность энергии, удельную мощность, стоимость, долговечность цикла, напряжение и безопасность.

Эти соображения обычно предполагают компромиссы. В идеале батарея должна обладать высокой энергией и удельной мощностью, а также хорошей долговечностью при невысокой цене. На самом деле потребителям приходилось платить больше за батареи с большей плотностью энергии.Но это меняется.

Исследовательская организация BloombergNEF сообщила, что средневзвешенная цена на литий-ионный аккумулятор (который включает элемент и аккумулятор) упала на 85% в период с 2010 по 2018 год, достигнув в среднем 176 долларов за кВтч. BloombergNEF также прогнозирует, что к 2024 году цены упадут до 94 долларов за киловатт-час и до 62 долларов за киловатт-час к 2030 году. Это отразит снижение цен на 95% в течение 20 лет. Для сравнения, свинцово-кислотные аккумуляторные батареи по-прежнему стоят около 150 долларов за киловатт-час, и это спустя 160 лет после изобретения свинцово-кислотных аккумуляторов.

Таким образом, может пройти совсем немного времени, прежде чем самая энергоемкая батарея станет самой дешевой батареей. Это имеет огромное значение для будущего свинцово-кислотных аккумуляторов.

Еще одно важное соображение — емкость аккумулятора. Емкость определяет время работы батареи, которое отражает ток разряда, который батарея может обеспечить до тех пор, пока не потребуется подзарядка.

Энергосодержание батареи получается путем умножения емкости батареи в ампер-часах (Ач) на напряжение для получения ватт-часов (Втч).Две батареи могут иметь одинаковую емкость Ач, но если одна имеет более высокое напряжение, она будет иметь больше энергии.

Это важные концепции, которые необходимо понять, если вы пытаетесь выбрать батарею для питания фонарика, а не батарею для питания вилочного погрузчика.

Плотность мощности определяет максимальную скорость разряда батареи. Некоторым батареям требуется низкая скорость разряда, но тем, которые используются для увеличения мощности, потребуется большая удельная мощность.

Поскольку аккумулятор разряжен, его необходимо перезарядить.Срок службы батареи определяет ее стабильность при повторяющихся циклах.

Наконец, необходимо учитывать условия эксплуатации аккумулятора. Например, высокие или низкие температуры могут повлиять на производительность и безопасность аккумулятора.

Пример использования

В течение следующих нескольких лет многие компании будут решать, следует ли переводить свои приложения со свинцово-кислотных аккумуляторов на более современные типы батарей. Есть несколько экономических соображений, которые можно продемонстрировать на примере.

Тим Каримов, президент калифорнийского поставщика литий-ионных аккумуляторов OneCharge, сказал, что их клиенты показывают, что «общая стоимость владения литий-ионными аккумуляторами в среднем на 20-40% ниже всего за 2-4 года».

Вот как они пришли к этому номеру. Хотя они не указывают базовую стоимость емкости для литий-ионных батарей по сравнению со свинцово-кислотными, они отмечают в презентации, что свинцово-кислотную батарею можно заменить литий-ионной батареей с минимальной стоимостью 60%. вместимость:

Сравнение свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов

Причина этого в том, что максимальный разряд свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 80%, тогда как литий-ионные аккумуляторы могут разряжаться до нуля.В дополнение к этому, литий-ионные аккумуляторы можно заряжать в различные моменты дня (перерывы и т. Д.), Что быстро сократит срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов.

Например, компания цитирует недавнее тематическое исследование, в котором заказчик смог сократить количество имеющихся у него погрузчиков с 17 до 12, переключившись со свинцово-кислотных аккумуляторов на литий-ионные — в основном из-за возможности. зарядка.

Таким образом, даже несмотря на то, что цена за емкость выше для литий-ионных аккумуляторов, тот факт, что вам нужна меньшая емкость, снижает литий-ионную премию (которая, согласно BloombergNEF, скорее всего, не будет премией в течение длительного времени).

Каримов ссылается на дополнительную экономию на примере практики выращивания, упаковки и транспортировки фруктов с использованием 2 смен и 30 грузовиков:

• Время простоя из-за замены батареи — 56 000 долларов в год
• Полив свинцово-кислотных аккумуляторов — 8000 долларов в год
• Потребность в новой аккумуляторной — 440 000 долларов
• Более высокие затраты на профилактическое обслуживание и страховые взносы, связанные с рисками для здоровья, связанными со свинцово-кислотой

Кроме того, у литий-ионных аккумуляторов более длительный срок службы — 3000 циклов по сравнению с менее чем 1500 циклами свинцово-кислотных.Исторически сложилось так, что потребители учитывали такую ​​экономию при принятии решения о переходе на литий-ионные батареи. Но с учетом снижения цен на литий-ионные аккумуляторы это решение вскоре может быть намного проще.

Выводы

В мире происходит революция в области аккумуляторных батарей, но снижение цен и рост установленной базовой комплектации сигнализируют о том, что литий-ионные батареи заменят свинцово-кислотные. Поскольку литий-ионные батареи дороже свинцово-кислотных, экономия будет зависеть от того, насколько сильно они используются (что влияет на время простоя, техническое обслуживание и т. Д.).).

Но поскольку цена на литий-ионные батареи продолжает падать, экономическое обоснование будет убедительным только из-за цены батарей. Когда это произойдет, возраст свинцово-кислотных аккумуляторов подойдет к концу.