Поднять плотность аккумулятора автомобиля в домашних условиях: Как поднять плотность электролита в аккумуляторе автомобиля в домашних условиях?

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе автомобиля в домашних условиях?

Часть автомобильных батарей из невысокой ценовой категории нуждается в регулярном обслуживании, особенно когда происходит смена сезонов. Однако далеко не все водители знают об этом, что приводит не только к сокращению службы АКБ, но и к невозможности пуска мотора в холод. Как поднять плотность электролита в аккумуляторе, чтобы увеличить его эксплуатационный срок и нормально заводить машину в морозы?

Содержание

1. Причины, по которым может снизиться плотность электролита в аккумуляторе
2. Как повысить плотность аккумулятора с помощью корректирующего электролита?
3. Как поднять плотность электролита с помощью зарядного устройства?
4. Что делать, если плотность электролита упала ниже критического минимума?

Причины, по которым может снизиться плотность электролита в аккумуляторе

Сначала стоит понять принцип работы АКБ. Весь процесс образования постоянного напряжения происходит в кислотоупорном пластиковом корпусе. В нём находится шесть отдельных банок, каждая из которых выдаёт напряжение в 2,1 В. Все секции между собой соединяются в последовательную электрическую цепь. В результате на выходе получается 12,6 В. В каждой банке имеется набор плюсовых и минусовых пластин, пространство между которыми заполнено электролитом (смесью дистиллированной воды и серной кислоты в отношении 65 % и 35 %). В результате химической реакции свинца и раствора получается электрический ток. Суть работы батареи – периодические разряды и восстановление её полноценного функционирования посредством автомобильного генератора.

Сразу же стоит отметить: падение плотности в батарее вполне закономерный процесс. Если АКБ разряжается, концентрация серной кислоты в растворе падает и наоборот. Но возникают ситуации, когда аккумулятор зарядить невозможно. И одна из причин досадного явления – недостаточная плотность залитого в банки химиката. Факторов, по которым она падает, не так уж много:

1. Глубокая разрядка АКБ.
2. Непрофессионально проведённая перезарядка, в итоге которой электролит выкипает (не в прямом смысле этого слова: в результате электролиза образуются пузырьки кислорода и водорода).
3. Низкая температура наружного воздуха.
4. Саморазряд, вызываемый парами, выделяемыми аккумулятором, которые оседают на корпусе батареи, создавая замыкающую «дорожку» между плюсовым и минусовым выводом.
5. Неверно произведённый замер плотности электролита после добавления дистиллированной воды.

Если эксплуатировать аккумулятор в вышеописанном состоянии, неизбежен запуск процесса сульфатации пластин, который может стать необратимым. Возникает вопрос: как поднять плотность в аккумуляторе на зиму? В первую очередь стоит понять, что при понижении температуры до отрицательной концентрацию кислоты в электролите необходимо увеличить, а в жару, наоборот, понизить. Чтобы контролировать ситуацию, понадобится недорогой и несложный прибор с резиновой грушей на торце в виде толстой стеклянной трубки – ареометр. Так как речь идёт о зимнем периоде, то сначала необходимо подготовить АКБ.

Как повысить плотность аккумулятора с помощью корректирующего электролита?

Сначала батарею нужно снять с автомобиля, очистить, убедиться в отсутствии механических повреждений и принести в тёплое место – если нет гаража, придётся домой. На сутки после холода оставьте АКБ в покое. Как повысить плотность аккумулятора автомобиля и с чего нужно начать? Измерьте напряжение, если оно менее 12,5 В, батарею зарядите. После окончания процесса проконтролируйте ареометром плотность электролита: тестируйте каждую банку по отдельности при температуре наружного воздуха +20–22 градуса. Для этого опустите прибор в жидкую среду, нажмите на грушу и посмотрите на деления: нужный параметр для зимнего периода – 1,30–1,31 кг/куб. см. Нормальная плотность для летнего периода – 1,26–1,27. Причём в каждой банке должно быть одно и то же значение (разница не более 0,1). Если добавка дистиллированной воды и последующая зарядка проблему не решили, стоит подкорректировать раствор. Как повысить плотность электролита в аккумуляторе? Для этого нужно выкачать из банок раствор с помощью ареометра. Ни в коем случае не удаляйте химикат из АКБ путем её переворачивания: тогда присутствующие кусочки свинца могут застрять между пластинами и замкнуть их. Заливать нужно электролит с требуемой плотностью. Здесь есть два варианта, как повысить плотность аккумулятора:

1. Вы покупаете готовый химический раствор, где концентрация кислоты составляет 1,4 кг/куб. см и сразу льёте его в банки.
2. Отдельно приобретается дистиллированная вода и кислота. Согласно правилам, известным со школьной скамьи, смешиваются обе жидкости, при этом строго добавляется кислота в воду, но не наоборот. Осуществлять процедуру нужно в резиновых перчатках, чтобы не получить ожог.

После этого отправьте аккумулятор на зарядку и через пару часов проверьте плотность электролита. Если она не соответствует норме, процедуру нужно повторить.

Чтобы правильно решить проблему, как поднять плотность аккумулятора, корректирующий раствор можно использовать только в двух случаях:

1. Падение уровня жидкости в банках происходит из-за её утечки, связанной с механическими повреждениями корпуса или иными причинами.
2. В АКБ залито чрезмерное количество дистиллированной воды.

Однако перед тем как заливать новый раствор, стоит попробовать менее трудоёмкие способы. Например, популярностью пользуется метод, при котором поднять плотность в аккумуляторе можно зарядным устройством. Это сравнительно недорогой аппарат, купить который можно в любом автомагазине.

Как поднять плотность электролита с помощью зарядного устройства?

Данный вариант более простой. Но есть требование: необходим аппарат, где выходное напряжение регулируется жёстко. Дело в том, что существуют устройства, где сила тока автоматически падает при достижении полной зарядки. Как поднять плотность аккумулятора в домашних условиях? Здесь необходимо помнить:

1. При достижении нормальной ёмкости и напряжения АКБ начнёт кипеть: в этом случае силу зарядного тока нужно убавить на пару ампер.
2. Проверьте уровень электролита: если он стал меньше, измерьте плотность и добавьте дистиллированную воду или корректирующий раствор.

Что делать, если плотность электролита упала ниже критического минимума?

Если значение на ареометре менее 1,18, необходимо предпринимать меры по увеличению плотности раствора до требуемого значения. Чтобы этого добиться, придётся слить его полностью, что с помощью отсасывания химиката ареометром не получится. Что же тогда делать с низкой плотностью электролита в аккумуляторе? В этой ситуации после удаления раствора обычным способом батарею нужно перевернуть вверх дном и просверлить в ней отверстия небольшого диаметра (10–12 мм). Опять поставьте АКБ вверх ногами и полностью удалите электролит. И только после этого заполняйте аккумулятор корректирующим раствором и ставьте на зарядку. Недостаток данного метода заключается в снижении эксплуатационного срока батареи. Но, зная, как увеличить плотность электролита в аккумуляторе, целесообразнее продлить жизнь изделия на несколько месяцев, чем отправиться за покупкой нового.

На следующем этапе потребуется промыть банки с помощью дистиллированной воды. Затем просверленные отверстия нужно запаять подходящим (стойким к воздействию кислотных сред) пластиком. Здесь лучший вариант – пробки-заглушки с отработавших своё батарей. Теперь можно заполнять банки электролитом. Стоит помнить, что его чрезмерная плотность ведёт к коррозии плюсового электрода, а слишком низкая – к замерзанию раствора при отрицательной температуре.

Как видно из вышесказанного, процедура увеличения плотности электролита не отличается особой сложностью. Однако избежать ненужных действий можно, если следить за обслуживаемой АКБ (есть изделия, не требующие вмешательства в течение всего эксплуатационного срока, но стоят они дороже) и проверять вовремя её состояние. Делать это рекомендуется хотя бы раз в две недели при условии каждодневной интенсивной езды. Особенно это важно для автомобилей, возраст которых уже перевалил за 5 лет.

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе в домашних условиях

У грамотного владельца автомобиля аккумулятор всегда заряжен. Владение знаниями и навыками проверки плотности электролита гарантирует отсутствие неприятностей при старте двигателя и работе сигнализации.

Важность аккумулятора в системе обеспечения функционирования автомобиля нельзя переоценить. Сам запуск двигателя, в первую очередь, зависит от стабильной работы аккумулятора. Одной из причин внезапной или несвоевременной разрядки АКБ является отклонение значения параметра густоты электролита от нормы.

Содержание статьи

• Какая должна быть концентрация кислоты?
• Почему падает насыщенность раствора в АКБ
• Опасности низкой и высокой концентрации кислоты
• Как поднять самостоятельно плотность
• Подробная инструкция
• Полезное видео
• Заключение.

Какая должна быть концентрация кислоты?

Плотность отражает отношение массовой доли серной кислоты и дистиллированной воды в составе электролита.

Требуемое соотношение – 1:2, в процентах это выглядит как 35%/65%. Более привычным для автомобилистов и специалистов по обслуживанию является измерение в граммах на кубический сантиметр (г/см³).

Измеряется показатель специальным прибором — ареометром. Показания в диапазоне 1,27-1,29 г/см³ говорят о нормальной плотности, обеспечивающей стабильную работу аккумулятора.

Важно! Именно благодаря наличию электролита строго определенной плотности происходит накопление заряда.

Аккумуляторная батарея – это последовательно подключенные изолированные друг от друга отсеки, в которых загружены пластины-электроды (плюс и минус). Каждый отсек генерирует такое напряжение, которое в сумме составляет примерно 12 вольт.

Почему падает насыщенность раствора в АКБ

Изменения концентрации электролита во время использования АКБ закономерно. Основными причинами падения значения параметра являются:

1. Испарение раствора в результате закипания, которое может произойти при долгой зарядке;
2. Просачивание жидкости через пробки на корпус, когда автомобиль эксплуатируется на дорогах с ухабами или на бездорожье;
3. Разрядка АКБ, которая приводит к оседанию серной кислоты на пластинах (сульфатация)

Подробно рассмотрим почему падает плотность:

Испарение электролита. Обычно это длительный процесс, который продолжительное время позволяет АКБ работать, обеспечивая двигатель питанием, но он может быть стремительным, в случае закипания жидкости.

Аккумулятор у большинства автомобилей располагается рядом с двигателем. Нагрев устройства происходит естественным образом во время работы двигателя. В летний период, когда температура окружающей среды способствует скорейшему испарению жидкостей, следует проверять плотность электролита еженедельно.

При испарении достаточным действием является доливание дистиллированной воды в банки АКБ, поскольку испариться может только вода. Обязательной должна стать процедура перемешивания добавленной воды с имеющимся в банках раствором кислоты. Крайне важным этот процесс становится в период холодов, когда вода может замерзнуть.

Вытекание. Если замечено выплескивание или вытекание из отсеков аккумулятора смеси кислоты и дистиллированной воды, следует доливать электролит. Предварительно важно удалить с поверхности АКБ пролитый электролит при помощи чистой ветоши, раствором кальцинированной соды или нашатырным спиртом.

Верхнюю часть корпуса батареи необходимо содержать в чистоте всегда.

Механическая очистка производится щеткой, имеющей жесткую щетину, исключая попадание устройства грязи.. Разрядка аккумулятора приводит к появлению на пластинах кристаллов сульфата свинца. Продолжительное отсутствие зарядки усугубляет ситуацию – кристаллы увеличиваются в размерах, покрывая всю поверхность металла. Это приводит в невозможности зарядки аккумулятора в связи с отсутствием контакта пластин с раствором кислоты.

Сульфатация. Процесс образования сульфита свинца – плохо растворимого кристаллического вещества, является результатом взаимодействия серной кислоты и не дистиллированной воды в аккумуляторе. Оседая на металлических пластинах, кристаллы становятся препятствием для прохождения заряда между электролитом и активной массой. Реакция возникает при особых условиях, в которых находиться аккумуляторная батарея. Например:

• АКБ хранился без зарядки продолжительное время
• использовался при высокой температуре
• зарядка АКБ производилась частично. Ежемесячно необходим 100% заряд батареи
• батарея оказалась разряженной по предельного минимального значения.

Начавшийся процесс сульфатации можно остановить зарядным устройством, используя специальные режимы зарядки.

Внимание! После зарядки удельный вес кислоты повышается.

Опасности низкой и высокой концентрации кислоты

Повышенный показатель плотности раствора, сохраняющийся стабильно станет причиной сокращения срока эксплуатации аккумуляторной батареи. В результате повышения концентрации кислоты в электролите выше нормы, произойдет разрушение металлических пластин, ведь растворы с высокой концентрацией серной кислоты способны разрушить даже изделия из стали.

Свинцовые пластины, станут легкой добычей кислоты уже при плотности 1,35 г./см³.

Низкая концентрация раствора серной кислоты (менее 1,27 г/см³) станет причиной такого процесса, как сульфатация. Это оседание на пластинах кристаллов сульфита свинца, что лишает металл возможности накопления заряда.

При низком значении плотности (1,17 г/см³) порог замерзания -5 градусов. Жидкость замерзнет и сломает металлические пластины. Восстановить АКБ после замерзания и подобных деформаций еще никому не удавалось.

Внимание! Электролит замерзнет при температуре -7 градусов, если его густота 1,11 г/см³ и ниже, но если его плотность 1,28 г/см³, то он замёрзнет только при -58 градусах.

В таблице приведены данные зависимости плотности от температуры.

плотность г/см3	температура замерзания	плотность г/см3	температура замерзания
1,1	-8 °С	1,19	-25 °С
1,11	-9 °С	1,2	-28 °С
1,12	-10 °С	1,21	-34 °С
1,13	-12 °С	1,22	-40 °С
1,14	-14 °С	1,23	-45 °С
1,15	-16 °С	1,24	-50 °С
1,16	-18 °С	1,25	-54 °С
1,17	-20 °С	1,28	-58 °С
1,18	-22 °С

Низкая концентрация электролита становится причиной затруднительного запуска двигателя и приводит к замерзанию жидкости при минусовых температурах.

А теперь посмотрим что делать при неполадках.

Как поднять самостоятельно плотность

Чтобы устранить причину неудовлетворительного состояния АКБ, необходимо выяснить причину падения плотности электролита.

В случае повреждения пластин, придется привлекать специалистов, учитывая, что вероятность восстановления батареи минимальна.

При условии, что падение концентрации произошло в результате изменения количества раствора или его состава, поднять плотность возможно в домашних условиях, следуя инструкции:

1. Измерить концентрацию электролита в каждом отсеке (банке) отдельно.
2. При полученных значениях густоты в диапазоне 1,18-1,20 г/см³, правильным решением станет процедура замены части электролита в банке на новый, нормальной концентрации- 1,27 г/см³.
3. Грушей откачать отработанный раствор, замерить объем.
4. Долить половину от изъятого объема новым. Потрясти АКБ, чтобы перемешать жидкость в банке.
5. Измерить плотность.
6. Повторять действия из пунктов 1-4 до получения необходимого значения параметра.
7. Закрыть банки, приступить к зарядке аккумулятора.

Для проведения мероприятий, направленных на повышение плотности раствора серной кислоты понадобятся:

1. Перчатки резиновые
2. Прибор для измерения плотности –ареометр
3. Резиновая груша
4. Электролит
5. Мерный стакан
6. Емкость для слива жидкости из отсеков.

Внимание! Контакт со смесью кислоты и воды может вызвать ожоги, причем, не только кожных покровов, но и дыхательных путей. Самостоятельной заменой раствора кислоты следует заниматься с высокой степенью осторожности.

При отсутствии готового электролита возможно приготовление нужного раствора. Правильно вливать кислоту в воду, важно помнить, что вливать

воду в кислоту – ОПАСНО.

Вот подробная инструкция, как восстановить концентрацию кислоты в домашних условиях.

Подробная инструкция

Для обоснования необходимости проведения процедуры корректировки плотности электролита, измерение этого показателя обязательно должно быть произведено только при полностью заряженной батарее.

До начала процедуры важно определиться с уровнем густоты состава, который является целью. Корректировка плотности заключается в замене части раствора кислоты, находящегося в отсеках АКБ, тем же объемом электролита нужной плотности.

Вот подробная инструкция, как восстановить концентрацию кислоты в домашних условиях.

1. Замену кислотно-водного раствора необходимо производить только после полной разрядки батареи током 10-часового разряда.
2. Проверить уровень электролита в каждом отсеке, используя трубку для измерения. В процессе корректировки проверять уровень необходимо регулярно. Нормальным считается уровень, выше верхнего края пластин на 15-20 мм.
3. Подготовить корректирующий раствор кислоты. Концентрация кислоты в таком составе должна быть не менее, чем 1,4 г/см³, если необходимо повысить плотность. Понижение плотности происходит путем замены части электролита на дистиллированную воду.
4. АКБ должен простоять выключенным не менее 30 минут. Это время необходимо для выравнивания концентрации в отсеках.
5. Батарею поставить заряжаться минимальным током на 30 минут.
6. Отключить АКБ от зарядного устройства на 2 часа.
7. Получить значения показателей плотности и уровня электролита.
8. Повторять действия пунктов 2-6 до получения необходимого значения показателя.

Внимание!  Концентрация раствора кислоты в отсеках не должна отличаться более, чем на 0,02 г/см³. В противном случае необходимо подзарядить АКБ током от 1 до 2 А в течение 24 часов.

Полезное видео

Популярный блогер подробно рассказал о плотности электролита в видео:

 

Заключение.

Проводить проверку уровня плотности раствора, содержащегося в банках автомобильного аккумулятора необходимо не дожидаясь признаков изменения этого параметра. Специалисты рекомендуют делать это не реже одного раза в месяц, если владелец автомобиля не отмечает изменений в работе АКБ, и значительно чаще, при особых условиях эксплуатации.

Только поддержание значения показателя плотности на оптимальном (рекомендованном) уровне, гарантирует стабильное накопление и сохранение заряда, что обеспечит безупречную работу двигателя.

Как мы доберемся до следующего крупного прорыва в области батарей

Электрические самолеты могут стать будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем современные самолеты. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одном заряде могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, что сократит глобальные выбросы углерода авиации примерно на 15%.

Та же история с электромобилями. Электромобиль — это не просто более чистая версия своего экологически чистого кузена. По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель малошумный и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля стоит намного меньше, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что делает их более дешевыми в обслуживании.

Реклама

Так почему же электромобили еще не везде? Это связано с тем, что батареи дорогие, что делает первоначальную стоимость электромобиля намного выше, чем у аналогичной модели с бензиновым двигателем. И если вы не ездите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему неэкономичны.

Точно так же современные аккумуляторы не содержат достаточно энергии по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в технологии аккумуляторов, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть гораздо больше того, что батареи могут разрушить, если бы только можно было делать более безопасные, мощные и энергоемкие батареи дешевле. Ни один закон физики не исключает их существования.

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

Реклама

Не существует универсальной литий-ионной батареи

У каждой батареи есть два электрода: катод и анод. Большинство анодов литий-ионных аккумуляторов изготовлены из графита, а вот катоды изготавливаются из различных материалов в зависимости от того, для чего будет использоваться аккумулятор. Ниже вы можете увидеть, как разные катодные материалы меняют работу типов батарей по шести показателям.

Проблемы с питанием

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» взаимозаменяемо, но важно различать их, когда речь идет о батареях. Мощность – это скорость, с которой может быть высвобождена энергия.

Advertisement

Батарея, достаточно мощная, чтобы запустить и поддерживать в воздухе коммерческий самолет на расстоянии 1000 км, требует много энергии для высвобождения за очень короткое время, особенно во время взлета. Таким образом, речь идет не только о накоплении большого количества энергии, но и о способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы с электропитанием требует от нас заглянуть внутрь черного ящика коммерческих аккумуляторов. Это будет немного занудно, но потерпите меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличивают, потому что большинство людей недостаточно внимательно изучают детали.

Самый передовой химический аккумулятор, который у нас есть в настоящее время, — это литий-ионный. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет разрушить литий-ион, по крайней мере, в ближайшие десять или более лет. Литий-ионная батарея имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначенный для предотвращения короткого замыкания) посередине и электролит (обычно жидкий), чтобы обеспечить поток ионов лития обратно и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Объявление

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

В разряженном состоянии, т. е. после того, как из него истощилась энергия, буханка NMC содержит ионы лития, зажатые между каждым ломтиком. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит. Сепаратор действует как контрольная точка, гарантируя, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной части батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитовой буханки. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока в аноде их не останется. Вот когда аккумулятор нужно снова зарядить.

Емкость батареи определяется, в основном, тем, насколько быстро происходит этот процесс. Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое вытягивание ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся нашим смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже становится время их автономной работы. Каждая зарядка и разрядка немного ослабляют буханку.

Различные компании работают над решением проблемы. Одна из идей состоит в том, чтобы заменить слоистые электроды чем-то конструктивно более прочным. Например, 100-летняя швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché работает над технологией, в которой в качестве катода используется литий-железо-фосфат (LFP) со структурой «оливин» и оксид титаната лития (LTO), имеющий структура «шпинель» в качестве анода. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материале и из него.

Реклама

Leclanché в настоящее время использует свои аккумуляторные батареи в автономных складских погрузчиках, которые можно зарядить до 100% за девять минут. Для сравнения, лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут. Leclanché также размещает свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи сидят на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль пришвартовывается, аккумуляторы док-станции быстро заряжают автомобильный аккумулятор. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает подзаряжаться.

Усилия, подобные усилиям Лекланше, показывают, что можно изменить химический состав батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставлять энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации. Стартапы стремятся построить самолеты меньшего размера (вместимостью до 12 человек), которые могли бы летать на батареях с относительно меньшей плотностью мощности, или электрические гибридные самолеты, в которых реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи — движение по инерции.

Но на самом деле ни одна компания, работающая в этой области, не близка к коммерциализации. Кроме того, технологический скачок, необходимый для создания полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, говорит Венкат Вишванатан, эксперт по батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Двухместный электрический самолет словенской фирмы Pipistrel стоит возле ангара в аэропорту Осло, Норвегия. Изображение: Reuters/Alister Doyle

Реклама начинается от 35 000 долларов. Он работает от батареи емкостью 50 кВтч, которая стоит примерно 8750 долларов, или 25% от общей стоимости автомобиля.

Это по-прежнему удивительно доступно по сравнению с тем, что было не так давно. По данным Bloomberg New Energy Finance, средняя мировая стоимость литий-ионных аккумуляторов в 2018 году составляла около 175 долларов за кВтч — по сравнению с почти 1200 долларами за кВтч в 2010 году9.0003

Министерство энергетики США подсчитало, что как только стоимость аккумуляторов упадет ниже 125 долларов за кВтч, владение электромобилем и его эксплуатация станут дешевле, чем автомобиль с бензиновым двигателем в большинстве частей мира. Это не означает, что электромобили победят бензиновые автомобили во всех нишах и областях — например, у магистральных грузовиков пока нет электрического решения. Но это переломный момент, когда люди начнут предпочитать электромобили просто потому, что в большинстве случаев они более экономичны.

Один из способов добиться этого — увеличить удельную энергию аккумуляторов — втиснуть в аккумулятор больше кВтч, не снижая его цены. Теоретически химик-аккумулятор может сделать это, увеличив плотность энергии либо катода, либо анода, либо того и другого.

Реклама

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

Однако увеличение на 10 % — это не так уж и много в общей картине.
И, несмотря на то, что за последние несколько десятилетий благодаря ряду инноваций плотность энергии катодов стала еще выше, самые большие возможности для увеличения плотности энергии открываются в анодах.

Графит был и остается доминирующим анодным материалом. Это дешево, надежно и относительно энергоемко, особенно по сравнению с современными катодными материалами. Но он довольно слаб по сравнению с другими потенциальными материалами анода, такими как кремний и литий.

Реклама

Кремний, например, теоретически намного лучше поглощает ионы лития в виде графита. Вот почему ряд компаний, производящих аккумуляторы, пытаются приправить немного кремния графитом в конструкции своих анодов; Генеральный директор Tesla Илон Маск заявил, что его компания уже делает это в своих литий-ионных батареях.

Более важным шагом будет разработка коммерчески жизнеспособного анода, полностью изготовленного из кремния. Но у элемента есть черты, которые затрудняют это. Когда графит поглощает ионы лития, его объем сильно не меняется. Однако кремниевый анод в том же сценарии увеличивается в четыре раза по сравнению с первоначальным объемом.

К сожалению, вы не можете просто сделать корпус больше, чтобы компенсировать это вздутие, потому что расширение разрушает так называемую «межфазу твердого электролита» или SEI кремниевого анода.

Реклама

Вы можете думать о SEI как о своего рода защитном слое, который анод создает для себя, подобно тому, как железо образует ржавчину, также известную как оксид железа, чтобы защитить себя от элементов: когда вы оставляете кусок только что выкованого железа снаружи, он медленно вступает в реакцию с кислородом воздуха, вызывая ржавчину. Остальную часть железа под слоем ржавчины не постигла та же участь, и поэтому она сохранила структурную целостность.

В конце первой зарядки аккумулятора на электроде образуется собственный слой «ржавчины» — SEI, отделяющий неразъеденную часть электрода от электролита. SEI предотвращает дополнительные химические реакции от потребления электрода, обеспечивая максимально плавный поток ионов лития.

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

За последнее десятилетие несколько стартапов Силиконовой долины работали над решением этой проблемы. Например, подход Sila Nano заключается в заключении атомов кремния в наноразмерную оболочку с большим количеством пустого пространства внутри. Таким образом, СЭИ формируется снаружи оболочки, а внутри нее происходит расширение атомов кремния без разрушения СЭИ после каждого цикла заряда-разряда. Компания, стоимость которой оценивается в 350 миллионов долларов, заявляет, что ее технология будет использоваться для устройств уже в 2020 году.

0003

Enovix, с другой стороны, применяет специальную производственную технологию, чтобы подвергать анод из 100% кремния колоссальному физическому давлению, заставляя его поглощать меньше ионов лития и тем самым ограничивая расширение анода и предотвращая разрушение SEI. У компании есть инвестиции от Intel и Qualcomm, и к 2020 году она также планирует использовать свои батареи в устройствах.

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

В 2020 году новый Tesla Roadster должен стать первым электромобилем, способным проехать 1000 км (620 миль) без подзарядки. батареи могут идти в ущерб безопасности. С момента своего изобретения литий-ионный аккумулятор вызывает головную боль из-за того, как часто он загорается. Например, в 1990-х годах канадская компания Moli Energy выпустила на рынок литий-металлический аккумулятор для использования в телефонах. Но в реальном мире его батареи начали загораться, и Моли был вынужден отозвать свою продукцию и, в конце концов, объявить себя банкротом. (Некоторые из ее активов были куплены тайваньской компанией, и она до сих пор продает литий-ионные батареи под торговой маркой E-One Moli Energy.) Совсем недавно смартфоны Samsung Galaxy Note 7, которые были сделаны с современными литий-ионными батареями, начали взрываться. в карманах людей. В результате отзыв продукции в 2016 году обошелся южнокорейскому гиганту в 5,3 миллиарда долларов.

Реклама

Современные литий-ионные аккумуляторы по-прежнему сопряжены с неотъемлемыми рисками, поскольку в качестве электролита в них почти всегда используются легковоспламеняющиеся жидкости. Одна из неудачных (для нас, людей) причуд природы состоит в том, что жидкости, способные легко переносить ионы, имеют более низкий порог возгорания. Одним из решений является использование твердых электролитов. Но это означает другие компромиссы. Конструкция батареи может легко включать жидкий электролит, контактирующий с каждым элементом электродов, что позволяет эффективно передавать ионы. С твердыми гораздо сложнее. Представьте, что вы бросаете пару игральных костей в чашку с водой. Теперь представьте, что вы бросаете те же кости в чашку с песком. Очевидно, что вода будет касаться гораздо большей поверхности игральных костей, чем песок.

До сих пор коммерческое использование литий-ионных аккумуляторов с твердыми электролитами ограничивалось приложениями с низким энергопотреблением, например датчиками, подключенными к Интернету. Усилия по расширению твердотельных батарей, то есть не содержащих жидкого электролита, можно разделить на две категории: твердые полимеры при высоких температурах и керамика при комнатной температуре.

Твердые полимеры при высоких температурах

Полимеры представляют собой длинные цепочки молекул, соединенных вместе. Они чрезвычайно распространены в повседневном использовании — например, одноразовые пластиковые пакеты изготавливаются из полимеров. При нагревании некоторые типы полимеров ведут себя как жидкости, но без воспламеняемости жидких электролитов, используемых в большинстве аккумуляторов. Другими словами, они обладают высокой ионной проводимостью как жидкий электролит без рисков.

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

Реклама

Керамика при комнатной температуре

За последнее десятилетие два класса керамики — LLZO (литий, лантан и оксид циркония) и LGPS (литий, германий, сульфид фосфора) — показали почти такую ​​же хорошую проводимость ионов при комнатной температуре в виде жидкостей.

Toyota, а также стартап из Силиконовой долины QuantumScape (который в прошлом году привлек $100 млн финансирования от Volkswagen) работают над использованием керамики в литий-ионных батареях. Включение крупных игроков в пространство свидетельствует о том, что прорыв может быть ближе, чем многие думают.

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

Реклама

Уравновешивание

Батарейки уже стали крупным бизнесом, и рынок для них продолжает расти. Все эти деньги привлекают множество предпринимателей с еще большим количеством идей. Но стартапы с батареями — это трудная ставка — они терпят неудачу даже чаще, чем компании-разработчики программного обеспечения, которые известны своим высоким уровнем отказов. Это потому, что инновации в материаловедении сложны.

До сих пор химики-аккумуляторы обнаружили, что, когда они пытаются улучшить одну характеристику (скажем, плотность энергии), им приходится идти на компромисс с какой-то другой характеристикой (скажем, безопасностью). Такой баланс означает, что прогресс на каждом фронте был медленным и чреват проблемами.

Но чем больше внимания уделяется проблеме — Йет-Минг Чан из Массачусетского технологического института считает, что сегодня в США в три раза больше ученых-батарейщиков, чем всего 10 лет назад — шансы на успех возрастают. Потенциал батарей остается огромным, но, учитывая предстоящие проблемы, лучше смотреть на каждое заявление о новых батареях с изрядной долей скептицизма.

Новые батареи, которые сделают вас поклонником электромобилей

Эта история является частью Plugged In, центра CNET, посвященного электромобилям и будущему электрифицированной мобильности. От обзоров автомобилей до полезных советов и последних отраслевых новостей — мы обеспечим вас.

Увеличенный запас хода, более быстрая зарядка, меньшее снижение запаса хода и более низкая прейскурантная цена: это все, что новые аккумуляторные технологии привносят в электромобили. И хотя с практической точки зрения я по-прежнему больше воодушевлен разработками в области зарядки, такими как недавнее расширение GM с помощью Pilot и EVgo или нагнетателей Tesla, охватывающих весь мир, вот несколько новых аккумуляторных технологий, которые являются сильными соперниками для моего энтузиазма.

Литий-ионный процесс еще далек от завершения

Sila Nanotechnologies заменяет графитовый анод, составляющий большую часть и около 15% веса современных литий-ионных аккумуляторов, на форму кремния, которая, как утверждается, придаст элементам аккумуляторов От 20 до 40% увеличение плотности энергии при более быстрой зарядке. Это изменение было бы примерно аналогично Ford F-150, получающему 25 миль на галлон в этом году, но 35 миль на галлон в следующем модельном году, неслыханный скачок.

Mercedes выглядит первым покупателем, предложившим технологию Sila в качестве элитной опции в новом электрическом EQG в 2025 году. Плотность энергии особенно важна для тяжелых транспортных средств, таких как EQG, потому что их избыточность имеет тенденцию увеличивать недостатки современных аккумуляторов, которые должны быть большим и тяжелым, чтобы переместить что-то большое и тяжелое даже на приличное количество миль, установив определенный порочный круг.

Сила утверждает, что традиционная технология литий-ионных аккумуляторов осталась неизменной с точки зрения плотности энергии.

Сила

Group14 — еще одна компания, за которой следует следить за сочетанием кремния и лития, выстроив Porsche в качестве ведущего партнера. OneD придерживается стратегии выращивания кремниевых нанопроволок на графитовом аноде литиевой батареи. Все эти подходы используют хорошую производительность и широкое признание технологий литиевых батарей для быстрого выхода на рынок.

Натрий-ионные батареи

Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория недавно объявила о прорыве в технологии натрий-ионных аккумуляторов, который обещает большую устойчивость к требованиям регулирования температуры, с которыми сталкиваются современные аккумуляторы для электромобилей, многократную зарядку без деградации, естественное гашение и меньшую токсическую головную боль. PNNL заявляет, что нашла способ укротить нестабильные аспекты технологии натрий-иона, но все еще должна решить проблему ее значительно более низкой плотности энергии по сравнению с литий-ионом. В качестве бонуса исследователи PNNL считают, что они смогут уменьшить или удалить кобальт из формулы, спорный и токсичный элемент в батареях для электромобилей сегодня.

Сара Левин/Pacific Northwest National Lab

Твердотельные аккумуляторы

Технология твердотельных аккумуляторов названа очень точно: обычно это относится к аккумуляторам, изготовленным из плотно сжатых твердых материалов, а не из мягкого влажного материала, из которого состоит типичная литиевая батарея.

Современные аккумуляторные элементы представляют собой полужесткие изделия с влажным раствором электролита внутри. Твердотельные батареи физически различны, что означает материалы, которые делают их значительно более перспективными.

Брайан Кули/CNET

Тот факт, что твердотельная батарея состоит из твердых материалов в жестком корпусе, не делает ее более эффективной, но это простой способ описать конструкцию, которая обещает множество преимуществ:

Большая плотность энергии : Это может привести к электромобилю с гораздо большей дальностью действия от батареи того же размера или сегодняшней дальности от гораздо меньшей и более дешевой батареи завтра. Последнее, на мой взгляд, более трансформационно.

Быстрая зарядка : В то время как полная зарядка менее чем за 30 минут сегодня является довольно элитной, твердотельные батареи нацелены на это как само собой разумеющееся. Короткое время зарядки может полностью изменить представление об электромобилях.

Увеличенный срок службы : Вы, возможно, видели мой недавний рассказ о проблеме выбрасывания аккумуляторов электромобилей на пастбище, поскольку они теряют значительную часть своей емкости из-за циклов зарядки. Твердотельная технология является ключевой частью плана GM по производству аккумуляторов с ресурсом в миллион миль.

Термическая стабильность : Твердотельные конструкции практически не имеют шансов на тепловой выход из строя, что сделало современные литиевые батареи синонимом пожароопасности. Говорят, что кремниевые батареи, подобные упомянутым ранее, также в значительной степени устраняют эту проблему.

Большинство разрабатываемых новых аккумуляторных технологий почти невосприимчивы к тепловому выходу из строя, что сделало литий-ионные аккумуляторы своего рода синонимом пожара.

Брайан Кули/CNET

Кто должен доставить это волшебство?

Solid Power недавно попала в заголовки газет, когда объявила о начале мелкосерийного производства при поддержке Ford и BMW. Примечательно, что производство может осуществляться на линиях, которые сегодня делают обычные литий-ионные батареи, что потенциально является огромным промышленным преимуществом. Массовое производство может начаться уже в 2024 году.

Возможно, самой обсуждаемой компанией была QuantumScape при поддержке VW, который говорит, что технология является не чем иным, как «самым многообещающим подходом к электромобильности будущего». Компания QuantumScape разработала керамический сепаратор между анодом и катодом, который помогает элементам заряжаться от 10% до 80% менее чем за 15 минут, позволяя батарее терять очень небольшую емкость после повторных зарядок.

Nikkei недавно сообщил, что Toyota на сегодняшний день является мировым лидером в патентах на твердотельные батареи, и заявила, что к 2025 году у нее будет ограниченное производство автомобилей, использующих эту технологию. -производитель ProLogium для аккумуляторов, которые могут появиться в электромобилях вьетнамского производителя к 2024 году.

Стоит ли ждать?

Некоторые из намеченных сроков, о которых я говорил выше, кажутся дразняще близкими, но относитесь к ним с долей скептицизма: пропущенные даты массового производства любой из этих аккумуляторных технологий никого не удивят. Вдобавок ко всему, автомобильная промышленность, как правило, имеет много времени от того, чтобы новая технология была технически доступна, до того, как она стала широко доступной в автомобилях по популярным ценам. Добавьте к этому мое общее отвращение к покупке новой машины, и вы начнете приближаться к более длинному концу в пять-десять лет. Я бы проанализировал электромобиль на основе сегодняшних предложений, поскольку эти захватывающие новые аккумуляторные технологии, вероятно, являются полным циклом владения автомобилем для умного и экономного покупателя.