Состав аккумулятора: Устройство автомобильного аккумулятора. Характеристики и принцип работы.

Содержание

Устройство автомобильного аккумулятора. Характеристики и принцип работы.

Стандартный автомобильный аккумулятор состоит из шести 2-вольтовых элементов, что дает на выходе 12 вольт. Каждый элемент состоит из свинцовых решетчатых пластин, покрытых активным веществом и погруженных в электролит. Отрицательные пластины покрыты мелкопористым свинцом, а положительные двуокисью свинца.

Когда к АКБ подключают нагрузку, активное вещество вступает в химическую реакцию с сернокислотным электролитом, вырабатывая электрический ток. На пластинах при этом осаждается сульфат свинца, и электролит, соответственно, истощается. При зарядке эта реакция проходит в обратном направлении, и способность аккумулятора давать ток восстанавливается. То есть принцип работы аккумуляторных батарей основывается на химических реакциях между свинцом и диоксидом свинца в сернокислотной среде, в результате которых вырабатывается электричество.

Показатели АКБ

Наиболее существенными у автомобильных аккумуляторов являются четыре следующих показателя:

  1. Емкость, выраженная в ампер-часах. Она характеризует способность АКБ давать определенный ток в течение некоторого времени. Например, ёмкость 40 ампер-час означает, что аккумулятор может давать ток в 1 ампер в течение 40 часов (или в 2 ампера в течение 20 часов и т.д.).
  2. Характеристики стартовых токов, что наиболее востребовано у европейских марок автомобилей и позволяет завести машину при любых погодных условиях (высокие показатели тока холодной прокрутки).
  3. Резервная емкость. Этот параметр показывает интервал времени (в минутах), в течение которого аккумулятор способен давать ток 25 А (т.е. в течение какого времени он сможет подменять собой вышедший из строя генератор).
  4. Габаритные размеры, полярность. Для определения полярности на выводных клеммах аккумулятора проставляют знаки «+» и «-». При установке аккумуляторной батареи на автомобиль отрицательную клемму присоединяют к «массе», а положительную - в цепь.

Свинцово-кислотный аккумулятор, кроме видимой части, а это корпус аккумулятора, крышка, клеммы, индикатор заряда, имеет сложную внутреннюю конструкцию. Внутри аккумулятора находятся электроды (положительные и отрицательные), представляющие собой свинцовые решётки, и разделенные изоляторами (сепараторами), которые погружены в электролит.

Сепараторы предохраняют пластины (решётки) от соприкосновения друг с другом. Если будет соприкосновение разноименных пластин, произойдет короткое замыкание и аккумулятор не будет действовать. Сепараторы, не допуская короткого замыкания, в тоже время должны пропускать ток через электролит. Материалом для сепараторов служит, как правило, микропористая пластмасса.

Электроды погружены в химическое вещество электролит, состоящий из разбавленной дистиллированной водой серной кислоты (h3SO4). При разряжении аккумулятора активно расходуется серная кислота, в результате чего образуется вода. С образованием воды, общая плотность электролита снижается.

При зарядке аккумуляторной батареи, все происходит в обратном порядке. Вода «используется» на создание серной кислоты, соответственно общая плотность электролита повышается. Срок службы автомобильного аккумулятора и его характеристики напрямую зависят от качества серной кислоты и воды, входящих в состав электролита.

Электроды или решетки, изготавливаются из свинцовых сплавов. Эти сплавы содержат в себе такие компоненты, как сурьма, кальций, олово, наделяющие сплав определенными свойствами, и защищающие свинец от коррозии. Состав сплава свинца, а также форма решетки электрода, значительно влияют на характеристику батареи, например, мощность кислотно-свинцового аккумулятора или пусковой ток аккумулятора. Решетка заполнена активной пастой, которую изготавливают из свинцово-оксидного порошка. Состав свинцово-оксидного порошка и свойства пасты влияют на свойства аккумулятора

Корпус аккумулятора обычно изготавливают из ударопрочного, термостойкого пропилена.

Из чего состоит автомобильный аккумулятор [Строение подробно]

Информация из чего состоит автомобильный аккумулятор может заинтересовать не только автомобилистов, но и предприимчивых предпринимателей, которые хотят заработать. Содержащийся в АКБ лом, является цветным, а значит имеет высокую стоимость и может принести достаточно высокий доход, если сдать его в пункт приема. Давайте разберемся из чего изготавливают автомобильные аккумуляторы и какие вещества в нем содержатся, а также рассмотрим виды электролитов и принцип работы АКБ в современных транспортных средствах.

Из чего сделан автомобильный аккумулятор

Аккумуляторная батарея обеспечивает необходимым электричеством автомобиль, поэтому его можно встретить во всех машинах. Но в зависимости от модели и типа, АКБ могут иметь различный состав, конструкцию и принцип работы. В общем автомобильные аккумуляторы похожи, но только по внешним признакам и элементам. А вот состав деталей и конструктивные особенности значительно отличаются у обслуживаемых и необслуживаемых АКБ.

Элементы аккумулятора

Устройство АКБ может отличаться в зависимости от его разновидности, но при этом обычно во всех используется стандартный набор элементов. Эти части могут изготавливаться из разных материалов, но все компоненты играют важную роль в устройстве аккумулятора. Стандартный АКБ состоит из следующих частей:

  • Корпус – в современных моделях он изготавливается из ударопрочных видов полипропилена, что позволяет увеличить переносимость механического воздействия, постоянную вибрацию, внутри корпуса располагается 6 секций;
  • Сепараторы – выполняют роль диэлектриков, которые предохраняют элементы АКБ от замыкания, их изготавливают также обычно из устойчивого к кислоте полимера, установлены они между электродами;
  • Электроды – большинство современных АКБ имеют в роли этих элементов свинцовые пластины, в сплаве которых используются примеси, например, свинца и серной кислоты или легированного свинца;
  • Электролит – раствор из дистиллированной воды и серной кислоты, позволяющий протекать электрическому току от отрицательных к положительным электродам, в некоторых моделях используются отличительные составы, например, в дорогостоящих АКБ применяют гелевый электролитов.
  • Клеммы – обычно в автомобильных АКБ установлены 2 клеммы, но в некоторых моделях используют 4 клеммы, стандартного, азиатского или винтового типа.

В необслуживаемых аккумуляторных батареях вместо 6 пробок на корпусе установлено 2 клапана для сброса давления - через них сбрасывается газ который образовывается в процессе закипания электролита. Также некоторые модели дополнительно оснащаются «глазком», который позволяет контролировать уровень заряда и количество электролита.

Виды электролита АКБ

Основным отличительным компонентом автомобильной аккумуляторной батареи является электролит. На его основе формируется также наименование современных АКБ, что позволяет производителю заранее раскрыть карты перед потребителем и помочь с выбором определенной разновидности батареи. Раствор из активных веществ, которые обеспечивают накопление и удержание внутренней энергии в автомобильном источнике питания может быть щелочным или кислотным.

Самый популярный электролит в АКБ, это раствор из дистиллированной воды и кислоты. Такой состав регулярно требует обслуживания, так как при эксплуатации кислотной батареи, при заряде или из-за эксплуатации, происходит испарение электролита. В роли кислоты применяются различные химические составы, с применением мышьяка, хлора, железа, марганца.

Щелочные аккумуляторы изготавливаются с применением электролита из калиево-литиевого состава и дистиллированной воды. Такой состав является едким и опасным, поэтому обслуживание щелочных АКБ в домашних условиях не рекомендуется производить.

В некоторых современных моделях используются инновационные составы электролита. К таковым относятся составы из гелия, с графитом и углеродом, а также кремнием. Обычно производитель указывает это на упаковке. Такие составы повышают КПД в автомобильных аккумуляторах и увеличивают их срок службы.

Возможна ли переработка аккумуляторов

Вышедший из строя автомобильный аккумулятор нужно утилизировать, для чего автолюбители обращаются в специализированные сервисы по переработке электролита. На этом можно заработать, если обратиться в пункт приема «ВторБаза», который занимается переработкой АКБ, разбором и переплавкой металла из батареи. В организации помогут избавиться от отработанной батареи, нейтрализуя вредные вещества в электролите, безопасным для окружающей среды способом. Утилизация АКБ в Москве производится во всех приемных пунктах «ВторБаза» - кроме необходимого оборудования, все сотрудники компании умеют обращаться с ядовитыми химическими соединениями и соблюдают технику безопасности. Это гарантирует чистоту окружающей среды и вторичное использование всех элементов аккумуляторной батареи для автомобиля.

Принцип работы АКБ и основные характеристики

Чтобы понять, как работает автомобильный аккумулятор, нужно разбираться не только в физике, но и химии. Принцип работы этого устройства основан на электрохимической реакции, которая происходит со свинцом внутри электролита. При заряде АКБ, диоксид свинца уменьшается в количестве на отрицательных пластинах, при этом на положительных увеличивается количество металла. При разряде батареи и ее эксплуатации, происходит процесс окисления свинца на положительных пластинах, в то время как на отрицательных восстанавливается количество диоксида свинца. Одновременно с этим увеличивается количество воды, а серная кислота уменьшается в пропорциях. При зарядке АКБ – состав электролита приходит в норму при помощи обратного химического процесса.

Приобретая аккумулятор для своего автомобиля, не обязательно знать все параметры и характеристики, указываемые на батарее, а только к какой категории принадлежит ваш ДВС и какой объем двигателя у вашего автомобиля. Из особенностей которые нужно учитывать при выборе АКБ можно выделить следующее:

  • Чем больше объем двигателя, тем более емкий аккумулятор требуется;
  • В дизельных моторах используются АКБ с большей емкостью, чем в бензиновых, того же объема;
  • Если вы эксплуатируется автомобиль в условиях сильных морозов, нельзя покупать гелиевые АКБ.

Конечно многие обращают внимание и на другие параметры, указанные на аккумуляторе, что не обязательно. Обычно на самой батарее или в ее названии указывают какого типа батарея (например стартерная), ее емкость, мощность, время заряда, масса залитой батареи, параметры согласно стандартов других стран.

Перед тем как покупать АКБ, изучите технический паспорт своего транспортного средства, либо ознакомьтесь с параметрами старой батареи – это поможет не ошибиться с выбором и правильно сделать выбор с учетом особенностей вашего автомобиля. Если самостоятельно выбрать аккумулятор не получается, можно обратиться за консультацией к специалисту, например, к продавцу в автомобильном магазине.

Строение автомобильного АКБ

Устройство аккумуляторов

Аккумуляторы, а в быту мы их называем «батареи», используются сейчас повсеместно в виду появления все большего числа различной электроники (например, смартфоны, ноутбуки, планшеты, фотокамеры и др.). Вообще, аккумуляторы в электротехнике в широком смысле понимаются как специальные приборы, которые способны как накапливать заряд, так и расходовать его в зависимости от ситуации. С момента появления данные устройства существенно модернизировались и теперь облегчают жизнь человека в различных сферах. Но несмотря на большую распространенность аккумуляторов мало кто из потребителей полноценно знаком со спецификой их функционирования и, соответственно, с правилами их использования. 

Главное предназначение любого типа аккумулятора – это накапливание электроэнергии для последующего ее использования в совершении каких-либо масштабных работ.

Помимо выше указанных аккумуляторов, используемых в современной цифровой технике, существуют более серьезные устройства. Одним из таких является гидравлический аккумулятор, который применяется, как правило, в шлюзах. Такие аккумуляторы способны поднимать судна на более высокие уровни русла рек.

Электрический аккумулятор функционирует по аналогичному принципу, что и гидравлическое устройство. То есть, первоначально электричество аккумулируется в устройстве от внешнего источника. После оно передается потребителям и используется для совершения тех или иных работ. Данные аккумуляторы являются химическими и отличаются возможностью неоднократного заряда/разряда.

В процессе заряда в аккумуляторе в непрерывном режиме совершаются те или иные химические реакции между электродными пластинами и тем химическим веществом, что заполняет пространство между ними. Последнее вещество именуется электролитом.
  
Примитивным образом схему устройства аккумулятора можно изобразить так: внутри корпуса размещается пара металлических пластин, оснащенных специальными выводами для контактов, а промежуток между ними заполняется электролитом. 

Функционирование аккумулятора в процессе разряда и заряда

Разряд

Через замкнутую электрическую цепь протекает ток разряда. Например, при подключении к электродам нагрузки. Данный ток сформирован двигающимися в металлических элементах электронами, а также анионами и катионами, что находятся в электролите.

Данный процесс схематично отображен на рисунке с никель-кадмиевыми электродами. Материалом положительного электрода является окись никеля с добавлением графита, за счет чего возрастает электропроводимость. Основа отрицательно заряженного электрода – губчатый кадмий. При разряде из окиси никеля выделяются микрочастицы активного кислорода в электролит, после чего передаются на отрицательно заряженные пластины. Здесь происходит окисление кадмия.

Заряд

Во время отсутствия нагрузки на клеммы пластин из однородного металла происходит подача постоянного (реже пульсирующего) напряжения. Показатель данного напряжения несколько превышает то, которое присуще заряжаемому аккумулятору.

Все зарядные устройства имеют гораздо большую мощность, способную подавить энергию, неизрасходованную аккумулятором. В следствие чего возникает электрический ток, направление которого противоположно направлению разряда. При этом химические процессы претерпевают изменения. 

Важно отметить, что процессы разряда и заряда изменяют химический состав электродов. Электролит же при этом не испытывает никаких изменений.

Каким образом могут соединяться аккумуляторы?

Аккумуляторы могут соединяться между собой двумя способами: параллельным соединением и последовательным.

Параллельный способ

То, какой показатель тока разряда может выдержать корпус аккумулятора, напрямую зависит от различных факторов. Например, очень важным моментом являются конструктивные особенности, используемые материалы, а также размеры. Таким образом, чем больше площадь имеющихся пластин, тем выше способность выдержать большие токи.

На данном принципе основано параллельное подключение аккумуляторов одного типа с существующей необходимостью увеличения показателя тока нагрузки. В данной ситуации необходимо будет увеличить мощность источника питания.

Данный метод крайне редко применяется в готовых конструкциях, поскольку сегодня гораздо удобнее купить полноценный аккумулятор. В основном параллельный способ применим в производстве кислотных автомобильных аккумуляторах для соединения пластин в единый блок.

Последовательный способ

В популярных в бытовом применении аккумуляторах напряжение между пластинами достигает 1,5 В или 2 В (на данный показатель также влияет используемый материал). Большая часть используемого электрооборудования требует более высокого напряжения. Для этого аккумуляторы одного типа соединяют последовательным образом, помещая их под единый корпус. Самый яркий пример – автомобильный аккумулятор, в основе которого серная кислота и электродные пластины из свинца.

Отметим важный и интересный факт: сегодня автолюбители привыкли называть аккумулятором любой источник питания, что не совсем верно. Например, правильное наименование напрямую зависит от числа составных элементов. Так, если несколько так называемых «банок» соединены единой схемой, то это уже батарея, а сокращенно АКБ – автомобильная аккумуляторная батарея.

Каждая «банка» имеет в своем составе два блока с пластинами, часть которых предназначена для отрицательных электродов, а часть – для положительных. Данные блоки не имеют металлического контакта между собой, а имеют крепкую гальваническую связь посредством электролита.

Между контактными пластинами установлен сепаратор – разделитель в виде дополнительной решетки с целью увеличения расстояния. Таким образом, соединенные в блоки пластины увеличивают показатель мощности подаваемых нагрузок.

Корпус данных АКБ изготовлен из прочной пластмассы и плотно закрывается крышкой. Сверху имеются две клеммы, используемые в подключении к электросхеме автомобиля. Обязательно каждая клемма маркирована знаками полярности, а именно знаки "+" и "-". также во избежание ошибочного подключения положительная клемма имеет больший диаметр, чем отрицательная.

Над каждой банкой также располагается специальная горловина, которая предназначена для отслеживания уровня электролита, а также для доливания воды при возникновении таковой необходимости вовремя эксплуатации. Горловина закрывается пробкой, дабы избежать попадания внутрь банки посторонних частиц и предотвратить выливание электролита при движении аккумуляторной батареи.

Пробки имеют отверстия, которые служат отводами возникающих при быстрой езде газов в электролите. Тем самым предотвращается возникновение давления внутри банок. То есть, через отверстия пробок выходят кислород и водород, а также образующиеся электролитом пары. Безусловно, лучше избегать ситуации, которые возникают из-за высоких токов заряда.

Свинцово-кислотные АКБ основаны на принципе двойной сульфатации. В таких устройства при заряде или разряде происходят электрохимические процессы, которые изменяют химический состав основной доли активных электродов, при этом либо выделяя в серную кислоту воду, либо поглощая ее из электролита.

Именно данные нюансы объясняют рост показателя плотности электролита во время заряда, а также его снижение во время разряда. Таким образом, степень плотности является показателем оценки состояния батареи. С целью измерения используется специально предназначенный для этого прибор – ареометр.

Как было сказано выше, в состав электролита кислотных АКБ входит вода. Известно, что при низких температурах она замерзает. Следовательно, для предотвращения замерзания АКБ с наступлением холодов необходимо следовать всем правилам эксплуатации. 

Сегодня производители выпускают свыше 30 аккумуляторов. Различаются изделия между собой составом электродов и самого электролита. Например, в основу 12 популярных типов входит литий.

Электроды могут изготавливаться из свинца, железа, лития, титана, кобальта, кадмия, никеля, цинка, ванадия, серебра, алюминия и др. От того, какие вещества использованы в электродах, зависят свойства и характеристики аккумулятора и, соответственно, сфера использования.

Например, свинцово-кислотные АКБ используются в ИБП, автотранспорте, системах электроснабжения за счет высокой способности выдерживать колоссальные кратковременные нагрузки.

Гальванические стандартные батареи сегодня вытесняются никель-кадмиевыми, никель-цинковыми, никель-металлгидридными аккумуляторами.

В мобильных устройствах и другой цифровой технике, а также в электроинструментах, используются литий-ионные и литий-полимерные типы аккумуляторов.

Аккумуляторы различаются между собой также типом используемого электролита. Таким образом, устройства бывают щелочными и кислотными.

Также классифицируются устройства и по назначению. Например, сегодня особенно популярными внешние аккумуляторы, которые спасают владельцев современных смартфонов в ситуации отсутствия возможности подзарядки от электросети.

Важные характеристики аккумулятора – это емкость, плотность энергии, самозаряд и температура эксплуатации.

Торговая сеть "Планета Электрика" имеет в своем ассортименте аккумуляторы. 


Какие бывают аккумуляторы для инверторов и ИБП: основные типы и отличия

Простые источники бесперебойного питания, которые мы используем в быту, состоят из аккумулятора и инвертора напряжения. Более сложные источники имеют множество расширенных возможностей и аккумуляторов, соединенных между собой параллельно, за счет чего достигается их большая мощность, такими являются промышленные и серверные ИБП. Перемычки для соединения аккумуляторов применяются в источниках с более чем одним аккумулятором. Они обеспечивают соединение батарей в ИБП и увеличение его мощности.

Наиболее слабой частью ИБП является аккумуляторная батарея, так как для обеспечения ее продолжительной службы нужны идеальные условия, которые невозможно воспроизвести в быту. Именно аккумуляторные батареи определяют длительность резервного питания и мощность источника. ИБП без аккумулятора существовать не может. Поэтому важно грамотно подходить к выбору батарей для источников. В этой статье мы рассмотрим аккумуляторы для инверторов и ИБП: какие они бывают, когда требуется замена батареи UPS и какие АКБ лучше выбрать.

Виды батарей для ИБП

В современном мире выпускается много различных типов аккумуляторных батарей, вот некоторые из них: марганцево-цинковые, никель-водородные, литий-полимерные, литий-ионные, серебряно-цинковые, никель-кадмиевые, медно-литиевые, свинцово-кислотные. Каждый вид АКБ имеет различное предназначение, различные свойства, различную конструкцию и различную стоимость.


Литий-ионный аккумулятор для ИБП

Литий-ионные батареи обладают большой удельной емкостью, что позволяет использовать их для питания мощных потребителей. При этом Li-Ion батареи имеют компактные размеры и малый вес.

Достоинства литий-ионных аккумуляторов: низкая стоимость обслуживания, отсутствие потери емкости, низкая скорость саморазряда, высокая энергетическая плотность, высокая надежность работы.

Недостатки: требуются специальные зарядные устройства, обладают эффектом старения, хранение допускается только в заряженном виде, малый диапазон рабочих температур, высокая стоимость.

Свинцово-кислотный аккумулятор для ИБП

Данный вид батарей получил наибольшее распространение, и не только в компьютерных ИБП.

Достоинства: длительность циклов работы, расширенный диапазон рабочих температур, стабильность напряжения, высокая надежность, низкий саморазряд, низкая стоимость, совершение до тысячи циклов разряда-заряда.

Недостатки свинцово-кислотных аккумуляторов: потеря работоспособности после глубоких разрядов, малая удельная емкость, большие габариты и вес.

Никель-металлогидридный аккумулятор для ИБП

Ni-MH аккумуляторы не получили широкого распространения в связи со сложностями в эксплуатации.

Достоинства Ni-MH батарей: отсутствие снижения уровня емкости, большая энергетическая плотность, стабильная работа, высокая удельная емкость.

Недостатки: высокий уровень расходов на эксплуатацию, сложный процесс заряда, высокий уровень саморазряда, глубокие разряды губительно влияют на батарею, малая нагрузочная способность, малый диапазон рабочих температур, высокая стоимость, малое число циклов разряда-заряда.

Никель-кадмиевые аккумуляторы для ИБП

Ni-Cd аккумуляторы для компьютерных бесперебойников в последние годы приобретают все большую популярность за счет малых размеров и веса, благодаря этому их все чаще применяют в портативной электронике.Также они используются как АКБ для бесперебойника. 

Достоинства: стойкость к температурным перепадам, простота эксплуатации, высокая надежность, низкая стоимость, низкий процент саморазряда, выдерживает до 1500 циклов перезарядки, высокая энергетическая плотность.

Недостатки: высокая стоимость утилизации и переработки, изготавливается из высокотоксичного вещества, потеря емкости, «эффект памяти».

Типы электролитов в АКБ

Также аккумуляторы могут различаться по типу используемого электролита: батареи по технологии AGM, батареи с жидким электролитом, батареи по технологии GEL. Ниже представлены описания каждого из них.

АКБ с жидким электролитом

Данный тип батарей получил наибольшее распространение и популярность. В качестве электролита используется раствор серной кислоты. Основным недостатком батарей такого типа является отсутствие у них герметичности, что негативно сказывается на экологии. Для обслуживания и зарядки требуются специальные нежилые помещения. Из-за этого они редко используются в ИБП. Однако такие батареи обладают низкой стоимостью.

Батареи по технологии GEL

Гелевые аккумуляторы для ИБП содержат в свое составе загуститель, который доводит электролит до желеобразного состояния. Во время работы данный тип аккумуляторов не выделяет никаких газов, за счет чего становится возможным изготовление герметичного корпуса. Специального обслуживания для таких аккумуляторов не требуется, при этом они безопасны для здоровья.

Гелевые аккумуляторы для бесперебойников обладают длительным сроком эксплуатации, высокой емкостью, широким диапазоном рабочих температур, высокой надежностью, однако такие батареи более дорогие и не выносят глубокого разряда.

Батареи по технологии AGM

Данный тип батарей является наиболее современным. Это усовершенствованная версия гелевых аккумуляторов. Электролит в таких батареях абсорбирован пористыми волокнами для придания ему желеобразной структуры. Эти батареи изготавливаются в герметичных корпусах и обладают уменьшенным электрическим сопротивлением, что положительно сказывается на их свойствах. В ИБП такой тип аккумуляторов используется все чаще. К достоинствам AGM батарей можно отнести продолжительный срок службы, низкую стоимость обслуживания, низкую себестоимость, большую эпикритическую емкость, высокую надежность.

Все аккумуляторные батареи со временем приходят в негодность, поэтому приходится искать куда сдать аккумуляторы от ИБП. Однако некоторые из них можно попытаться реанимировать. Но тут же встает вопрос: «Чем заряжать аккумулятор от бесперебойника?». Без специального зарядного устройства восстановить ИБП не получится. Мы с вами рассмотрели, какие аккумуляторы в бесперебойнике используются сегодня. Теперь можно идти в магазин за новым аккумулятором для ИБП, а старый утилизировать и не мучиться с его восстановлением.

Эпоха новых аккумуляторов — Будущее на vc.ru

Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.

{"id":44033,"url":"https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov","title":"\u042d\u043f\u043e\u0445\u0430 \u043d\u043e\u0432\u044b\u0445 \u0430\u043a\u043a\u0443\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432","services":{"facebook":{"url":"https:\/\/www.facebook.com\/sharer\/sharer.php?u=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov","short_name":"FB","title":"Facebook","width":600,"height":450},"vkontakte":{"url":"https:\/\/vk.com\/share.php?url=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov&title=\u042d\u043f\u043e\u0445\u0430 \u043d\u043e\u0432\u044b\u0445 \u0430\u043a\u043a\u0443\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432","short_name":"VK","title":"\u0412\u041a\u043e\u043d\u0442\u0430\u043a\u0442\u0435","width":600,"height":450},"twitter":{"url":"https:\/\/twitter.com\/intent\/tweet?url=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov&text=\u042d\u043f\u043e\u0445\u0430 \u043d\u043e\u0432\u044b\u0445 \u0430\u043a\u043a\u0443\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432","short_name":"TW","title":"Twitter","width":600,"height":450},"telegram":{"url":"tg:\/\/msg_url?url=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov&text=\u042d\u043f\u043e\u0445\u0430 \u043d\u043e\u0432\u044b\u0445 \u0430\u043a\u043a\u0443\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432","short_name":"TG","title":"Telegram","width":600,"height":450},"odnoklassniki":{"url":"http:\/\/connect.ok.ru\/dk?st.cmd=WidgetSharePreview&service=odnoklassniki&st.shareUrl=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov","short_name":"OK","title":"\u041e\u0434\u043d\u043e\u043a\u043b\u0430\u0441\u0441\u043d\u0438\u043a\u0438","width":600,"height":450},"email":{"url":"mailto:?subject=\u042d\u043f\u043e\u0445\u0430 \u043d\u043e\u0432\u044b\u0445 \u0430\u043a\u043a\u0443\u043c\u0443\u043b\u044f\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432&body=https:\/\/vc.ru\/future\/44033-epoha-novyh-akkumulyatorov","short_name":"Email","title":"\u041e\u0442\u043f\u0440\u0430\u0432\u0438\u0442\u044c \u043d\u0430 \u043f\u043e\u0447\u0442\u0443","width":600,"height":450}},"isFavorited":false}

55 769 просмотров

Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.

В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.

Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году. Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона.

Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы. Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день.

Как работает аккумулятор

В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция. Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделённые электролитом.

Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция. Атомы металла теряют электроны и становятся положительно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду.

Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду. В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.

Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается. Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду.

Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.

В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.

В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1. Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором.

В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.

Несмотря на тысячи опубликованных исследований, миллиарды потраченных долларов и десятки стартапов технология работы аккумулятора не сильно изменилась с 1991 года. Аккумулятор IPhone X по составу практически идентичен аккумулятору видеокамеры Sony.

Альтернативы литий-ионному аккумулятору

На основе кремния

В 2011 году бывший сотрудник Tesla Джин Бердичевский вместе с Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным основал компанию Sila Nanotechnologies. Они решили использовать кремний как наиболее перспективный материал для производства аккумуляторов: атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития.

Эксперименты с кремнием проводились до 2011 года, однако безуспешно. При зарядке анод поглощает ионы лития и увеличивается в объёме, а при разрядке возвращается к прежнему размеру.

Расширение и сжатие анода — одна из причин, почему аккумулятор смартфонов теряет ёмкость со временем. Графитовый анод может служить около двух лет (1000 циклов разрядки), однако кремния хватает на пару циклов.

Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода. По словам Бердичевского, материал будет доступен для производства в 2019 году и сможет повысить уровень безопасности использования аккумуляторов и увеличить энергоёмкость на 20% (а в будущем, возможно, до 40%).

Энергоёмкость современных аккумуляторов постоянно увеличивается, но вместе с ней увеличиваются и риски, потому что слои анода и катода становятся тоньше и располагаются всё ближе друг к другу. Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.

Так как литий опасен, то его количество в литий-ионном аккумуляторе не превышает 2%. Если бы можно было использовать чистый литий, энергоёмкость аккумулятора увеличилась бы в десятки раз. Основатель и генеральный директор Ionic Materials Майк Циммерман, возможно, нашёл способ использовать чистый литий в аккумуляторах.

По его мнению, проблема заключается в электролите. В последнее время заметна тенденция использования гелей и полимеров вместо жидких электролитов, однако они в основном огнеопасны. Ionic Materials создала недорогой, гибкий и прочный полимер с электропроводностью при комнатной температуре. Компания вбивала гвозди в аккумуляторы, стреляла в них из огнестрельного оружия и разрезала ножницами, но аккумуляторы не горели.

Циммерман считает, что новый полимер позволит использовать чистый литий и ускорит появление литий-серных и литий-кислородных аккумуляторов на рынке. Но будущее, возможно, не за литием.

На основе углерода

В 2013 году инженер-разработчик в Netscape Стивен Воллер основал компанию ZapGo, занимающуюся разработкой аккумуляторов на основе углерода. Эти аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, сохранять заряд так же долго, как литий-ионные аккумуляторы.

Если аккумуляторы накапливают энергию благодаря химическим реакциям, то суперконденсаторы запасаются ею в электрическом поле. Однако они не могут накопить столько же энергии, как аккумуляторы, и теряют её очень быстро.

Некоторые учёные считают, что объединение суперконденсаторов с аккумуляторами может стать решением всех проблем. Суперконденсаторы могут лечь в основу гибридного телефона, который заряжается за пару минут и у которого есть запасной литий-ионный аккумулятор.

ZapGo разработала аккумулятор с твёрдым невзрывающимся электролитом и двумя электродами из тонких слоёв алюминия, покрытых наноуглеродным материалом. В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники. Однако Воллер утверждает, что ZapGo может искусственно уменьшить его срок службы.

Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. Современное зарядное устройство замедляет количество электрического тока, поступающего в аккумулятор, чтобы он не износился раньше времени и не загорелся.

Для аккумулятора компании ZapGo или любого другого, работающего на базе суперконденсатора, нужно зарядное устройство, которое, наоборот, накапливало бы энергию из розетки и подавало бы её в телефон в один миг.

Углеродные аккумуляторы — это, возможно, один из шагов на пути к будущему, в котором у телефонов есть гибкие экраны и 5G-интернет.

Аккумуляторные батареи для мобильных телефонов / Смартфоны

Автор: Captain Nemo

Данная статья посвящена аккумулятором, применяемых в качестве элементов питания в сотовых телефонах. Однако общие эксплутационные характеристики применимы и для аккумуляторов, используемых в другой технике.

1. Виды аккумуляторов.

В современной промышленности применяются батареи, основанные на различных химических реакциях. Рассмотрим некоторые из них:

Аккумуляторы, применяемые в качестве элементов питания сотовых телефонов:

  • Никель-кадмиевые (NiCd) (nickel cadmium)
  • Никель-металл гидридные (NiMH) (nickel metal-hydride)
  • Литий-ионные (Li-Ion) (lithium ion)
Другие виды аккумуляторов (например SLA - Sealed lead acid, герметичные свинцово-кислотные батареи) в данной статье рассматриваться не будут, т.к. они практически не применяться в современных сотовых телефонах.

Литий-полимерные (Li-Pol) (lithium polymer) аккумуляторы не будут рассмотрены по причине малой распространённости и отсутствии их точных характеристик, которые в принципе соизмеримы с характеристиками других аккумуляторов на основе лития. Данный вид аккумуляторов набирает популярность благодаря своей некритичности к форме конечного элемента питания.
 

2. Никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы.

Технические характеристики:

Внутреннее сопротивление 150 - 400 mOm.
Энергетическая плотность > 4 Wh
Степень саморазряда первые 7 дней > 15%
Степень саморазряда за первый месяц > 20%
Номинальное количество циклов заряда/разряда > 1000
Максимальное количество циклов заряда/разряда > 2500
Срок хранения нового аккумулятора до 4х лет.
Cрок службы ограничен кол-вом циклов зар./разр.

Достоинства: Низкая стоимость, высокая вероятность восстановления, работа в широком диапазоне температур, быстрая зарядка.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, эффект "памяти", большие размеры, токсичность при неправильной утилизации.

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться полностью разряженным. Аккумулятор не должен находится в зарядном устройстве значительное время (более 2х суток), т.к. это ухудшает его характеристики. Для избежания проявления эффекта "памяти" рекомендуется полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой (по крайней мере раз в неделю). Никель-кадмиевый элемент питания можно восстановить от образовавшихся кристаллов с вероятностью около 60%.

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор более эффективен при использовании в режиме сильного разряда, т.е. если Вы много разговариваете - это предпочтительный режим разрядки.
 

3. Никель-металл гидридные (NiMH) аккумуляторы.

Технические характеристики:
Внутреннее сопротивление 250 - 700 mOm
Энергетическая плотность > 5,5 Wh
Степень саморазряда первые 7 дней > 15%
Степень саморазряда > 30%
Номинальное количество циклов заряда/разряда за первый месяц > 350
Максимальное количество циклов заряда/разряда > 800
Срок хранения нового аккумулятора до 4х лет
Cрок службы ограничен кол-вом циклов зар./разр.

Достоинства: Низкая стоимость, незначительный эффект памяти, высокая ёмкость, низкая токсичность.

Недостатки: Высокая степень саморазряда, малое количество циклов заряда/разряда, более сложное (и дорогое) устройство зарядки (в сравнении с NiCd).

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться полностью разряженным. Аккумулятор не должен находится в зарядном устройстве значительное время (более 2х суток), т.к. это ухудшает его характеристики. Эффект "памяти" не значителен, однако рекомендуется эксплуатировать данный вид аккумуляторов, как и NiCd (полностью разряжать аккумулятор перед зарядкой (по крайней мере раз в неделю). Восстановлению NiMH аккумуляторы поддаются плохо. Вероятность около 15 процентов.

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор более эффективен при использовании в режиме постоянного слабого (порядка 1/2 - 1/3 паспортного) разряда, в связи с чем оптимален при частом нахождении телефона в режиме ожидания. Однако частично данное свойство компенсируется высокой степенью саморазряда. Многие фирмы-производители сотовых телефонов (в том числе и уважаемая мною NOKIA) указывают в своих инструкциях что данные аккумуляторы не обладают эффектом "памяти". Отнеситесь к данным утверждениям скептически - это маркетинговый ход, который основан на том, что в сравнении с NiCd аккумуляторами данный эффект проявляется в меньшей степени.
 

4. Литий-ионные (Li-Ion) аккумуляторы.

Технические характеристики:
Внутреннее сопротивление 300 - 600 mOm.
Энергетическая плотность > 6,5 Wh
Степень саморазряда пренебрежимо мала (> 3% в месяц.)
Номинальное количество циклов заряда/разряда > 1000.
Максимальное количество циклов заряда/разряда > 2000.
Срок хранения нового аккумулятора около года.
Cрок службы около полутора лет.

Достоинства: Высокая ёмкость, отсутствие эффекта "памяти", малые габариты, большое количество циклов заряда/разряда.

Недостатки: Высокая стоимость, быстрое старение (через 1,5 - 2 года аккумулятор может стать непригоден к использованию) в не зависимости от интенсивности использования, потенциальная опасность при использовании (первые модели этих батарей часто взрывались при зарядке).

Общая информация: Аккумулятор должен поставляться заряженным на 80-90% . Аккумулятор может (и должен, если не используется) находиться в зарядном устройстве значительное время. Восстановлению данные аккумуляторы не подлежат (не верьте "умельцам").

Специфика использования в мобильном телефоне: Аккумулятор эффективен при интенсивном использовании сотового телефона. На период своей службы (около года) он будет оптимален в сравнении с батареями на основе никеля.

5. Эффект "памяти".

Проявляется у аккумуляторов на основе никеля, является следствием неполной зарядки. Часть аккумулятора, которая не разряжается "отмирает" (образуются кристаллические соединения).
Для избежания данного эффекта рекомендуется полностью разряжать батарею перед зарядкой. Для этого существуют специальные устройства зарядки, которые перед циклом заряда производят полный разряд аккумулятора. Настоятельно рекомендуется приобретение зарядного устройства с данным алгоритмом работы. Идеальным является разряд/заряд в специальном анализаторе. Но из-за его высокой стоимости он редко является "элементом интерьера" комнаты обычного пользователя сотового телефона ;-).
Если возможности заряжать аккумулятор на специальном зарядном устройстве нет, то необходимо перед зарядкой полностью разрядить батарею в телефоне (например позвонив в по бесплатному номеру абонентской службы Bee line. Времени, в течении которого Вы будете ждать ответа оператора, вполне хватит что бы "добить" севшую батарею ;-). В некоторых компаниях - операторах есть специальный сервисный телефон для этих целей.
 

6. Методы зарядки.

Следует различать методы зарядки аккумуляторных батарей:
1. Быстрая зарядка - обычно производится самим телефоном с помощью сетевого адаптера, поставляемого в комплекте (за зарядку отвечает именно телефон, "шнурик" - это лишь преобразователь/стабилизатор). Зарядка идёт повышенным током, эффективность её ниже стандартной. Даёт выигрыш по времени, рекомендуется использовать лишь в случае необходимости.

2. Стандартная зарядка - производится специальным зарядным устройством. Процесс зарядки идёт оптимальным для данного аккумулятора током, длительность и эффективность зарядки выше, нежели "быстрой". Зачастую совмещена с процессом предварительного полного разряда батареи.

Рекомендуется пользоваться именно данным методом.

Эта информация актуальна лишь для батарей на основе никеля. Литиевые батареи к методу зарядки не критичны (конечно, необходимо, что бы зарядка осуществлялась с соответствии с требованиями производителя. Вполне допустимо заряжать только в телефоне).

Используйте оригинальные зарядные устройства.
 

7. Обслуживание.

Можно конечно использовать аккумулятор на полную, не заботясь о "каком то эффекте памяти" и т.д. Но и срок службы его заметно сохраниться.
Если же Вы не относитесь к "новым русским пофигистам" то:
1. Храните аккумулятор в прохладном месте (можно и в холодильнике, только в герметичной упаковке).
2. Старайтесь не использовать аккумулятор в предельных температурах.
3. Очищайте контакты батареи от образующихся на них окислов.
4. Перед началом эксплуатации нового аккумулятора полностью зарядите его. Не доверяйте индикации примитивных зарядных устройств (в том числе и встроенных в телефон) - заряжайте в этот период аккумулятор на 2-3 часа дольше, чем это необходимо по показанию индикаторов зарядного устройства. В идеале - данную процедуру осуществить на специализированном анализаторе.
5. Покупайте только фирменные зарядные устройства. Это тот случай, когда скупой платит дважды. Дешёвые устройства зачастую не соответствуют заявленным характеристикам, а зачастую и вовсе используют упрошённые алгоритмы зарядки/разрядки. Т.к. при зарядке аккумуляторов критична стабильность параметров заряда (при заряде аккумуляторов на основе никеля постоянен ток заряда, кислотных и литиевых - напряжение), то неверно работающим устройством Вы можете значительно сократить жизнь своей батареи.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Довольно часто, в "довесок" к телефону нерадивый продавец даёт ещё и китайскую вариацию на тему "автомобильное зарядное устройство". Категорически не рекомендую их использовать - есть довольно много фактов порчи ими аккумулятора, особенно это относится к современным низковольтовым батареям (например Nokia 61**, 3210 и т.д.). Если использовать такой аппарат с активизированными инженерными функциями (Nokia Net Monitor, 20 - 23), то можно самому проверить, нормальное ли напряжение обеспечивает адаптер питания.

6. Если есть возможность - периодически обслуживайте свой Ni** аккумулятор в специализированном сервис-центре - срок его службы продлится за счёт восстановления его первоначальных свойств на специальных анализаторах.
7. Не используйте аккумуляторы не по назначению.
8. Не разряжайте аккумуляторы кустарными способами (лампочкой и т.д.)


 

8. Аккумуляторы, бывшие в употреблении.

Я бы не рекомендовал приобретение таких батарей как отдельно, так и в комплекте сотового телефона. Степень износа (в случае никелевых) или "старости" (литиевые) аккумуляторов достоверно установить без соответствующей аппаратуры не представляется возможным.
Один совет - если Вы имели опыт эксплуатации данной марки аккумуляторов и знаете приблизительное время его полного заряда - можно попробовать его зарядить, предварительно разрядив. Чем больше будут отклонения по времени заряда от нового аккумулятора - тем хуже эта батарея (особенно критично, если аккумулятор зарядился (по индикации зарядного устройства) слишком быстро - верный признак его непригодности. Он разрядиться с той же "резвостью").

Покупка восстановленных NiCd аккумуляторов в фирмах, на этом специализирующихся вполне уместна. Требуйте полного тестирования аккумулятора.
 

9. Выводы.

В настоящее время выбор складывается практически из двух видов аккумуляторов - NiMH и Li-Ion. При одинаковой ёмкости, стоит определиться, что предпочтительнее - низкая цена и теоретически больший срок службы (NiMH), или простое обслуживание и больший срок службы при интенсивной эксплуатации (LiIon, тоже справедливо и для LiPol).
Никель-кадмиевые аккумуляторы сейчас практически не используются в новых моделях телефонов, где на их место пришли метал-гидридные собратья.
Если же у Вас телефон с морально устаревшей NiCd батареей, то не стоит расстраиваться - по некоторым параметрам они превосходят NiMH при должном обслуживании.

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Батареи для Tesla и накопителей электроэнергии: кто лидеры инноваций? | Экономика в Германии и мире: новости и аналитика | DW

Если ключевой элемент традиционного автомобиля - двигатель внутреннего сгорания, то во все более популярных электромобилях это - аккумуляторная батарея: от нее зависят дальность пробега, скорость зарядки, вес и, главное, цена машины.

Если в традиционной электроэнергетике принципиальную роль играет турбина, то для развития все более популярных возобновляемых источников энергии (ВИЭ) крайне важны накопители энергии: без них не решить главную проблему ветряных и солнечных электростанций - зависимость от переменчивости погоды.

Илон Маск: новое поколение аккумуляторов и Tesla за 25 000 долларов

Так что батареи и аккумуляторы - это сейчас одно из магистральных направлений технологического развития на планете. Весьма симптоматично, что американский предприниматель Илон Маск решил устроить 22 сентября специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, а Европейское патентное ведомство (EPO) и Международное энергетическое агентство (IEA) провели совместное исследование "Инновации в области батарей и накопителей электроэнергии". Его результаты опубликовали в тот же день.  

Электромобили Tesla на территории завода комапнии в Фримонте ждут отправки покупателям

Для главы компании Tesla аккумуляторные батареи - это ключ к массовому рынку. "У нас нет доступного автомобиля, но он у нас будет. Однако для этого мы должны снизить стоимость батарей", - заявил Илон Маск в ходе презентации, за которой в интернете следили 270 000 зрителей. Он обещал примерно через три года наладить серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, но обойдутся в два раза дешевле.

И тогда, заверил Илон Маск, "мы сможем выпускать очень убедительный электромобиль по цене 25 тысяч долларов" (это примерно 21 000 евро). Глава Tesla объявил, что на первом этапе выпускать аккумуляторы нового поколения будут вблизи головного завода компании в калифорнийском Фримонте, для чего потребуется специальная монтажная линия. Одновременно предприниматель сообщил, что на гигафабрике Tesla в Неваде будет налажена утилизация отслуживших аккумуляторных батарей.

Кобальт от "Норникеля" может и не понадобиться

Для России особенно важно то, что батареи нового поколения планируется выпускать практически без использования редкого, а потому весьма дорогого металла кобальта. Его единственным российским производителем и экспортером является компания "Норникель" в Норильске.

Кобальтовые слитки на заводе "Норникель". Главные производители этого металла - ДР Конго и Китай

После Battery Day курс акций Tesla, стремительно взлетевший в этом году, что превратило американского производителя электромобилей в самого дорогостоящего автостроителя мира, упал. Биржевых инвесторов и спекулянтов разочаровало то, что Илон Маск говорил о среднесрочной перспективе в три года, а они, похоже, рассчитывали на анонс немедленных прорывов.

Одновременно несколько снизились котировки акций поставщиков батарей для Tesla - японской корпорации Panasonic и южнокорейской LG Chem, входящей в группу LG. Но это тоже не более чем сиюминутное недовольство биржевых игроков: средне- и долгосрочные перспективы этих компаний представляются весьма многообещающими. Об этом свидетельствует совместное исследование Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства.  

Аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%

Эксперты двух организаций проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии, и на основании этого весьма объективного критерия сделали целый ряд выводов.

До 2011 года разработчики сосредотачивались на совершенствовании аккумуляторов для смартфонов

Первый и главный из них: "В последние десять лет патентирование в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее патентирования в других сферах". Иными словами, именно на этом направлении сосредоточены сейчас особенно крупные материальные и интеллектуальные ресурсы, именно здесь накапливаются многочисленные инновации.

Авторы исследования обнаружили, что число патентов, связанных с аккумуляторными батареями для электромобилей, еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники (прежде всего смартфонов), и с тех пор неуклонно растет. Они также подсчитали, что особое внимание изобретателей к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а аккумуляторы для стационарных установок в электроэнергетике - примерно на две трети.  

Япония и Южная Корея - лидеры в области батарейных технологий

Второй ключевой вывод исследования: "Япония и Республика Корея являются лидерами в глобальном соревновании в области батарейных технологий, что заставляет другие страны пытаться добиться конкурентных преимуществ в определенных нишах вдоль цепочки создания дополнительной стоимости при производстве батарей". Если говорить более просто: догнать ушедшие в этой сфере далеко вперед две азиатские страны уже настолько трудно, что остальным приходится довольствоваться узкой специализацией в отдельных сегментах.         

Аккумуляторные батареи для электромобилей - это сложная высокотехнологичная продукция

Так, девять из десяти крупнейших обладателей патентов - компании из Азии: семь японских во главе с Panasonic и Toyota, а также южнокорейские Samsung и LG Electronics. Единственный представитель других континентов в Топ-10 - немецкий концерн Bosch, занявший пятое место.

В Топ-25 ближе к концу вошли также немецкие Daimler, BASF и Volkswagen. Всего же в этом списке шесть представителей Европы: это еще ирландская многопрофильная компания Johnson Controls и французский научно-исследовательский институт атомной и альтернативной энергетики CEA. Америка представлена автостроителями General Motors и Ford.

Разные типы аккумуляторов: NMC, NCA и LFP

Вклад Китая в глобальное развитие батарейных технологий, отмечается в исследовании, к 2018 году практически сравнялся с американским и приблизился к европейскому. Явная специфика Европы и США - значительно число патентов регистрируют малые и средние предприятия, а также вузы и государственные научно-исследовательские институты. В Азии подавляющее большинство изобретений приходится на крупные концерны.

Третий вывод исследования касается перспективных направлений инновационной деятельности. В минувшем десятилетии стремительно нарастало число патентов, связанных с литий-никель-марганец-кобальт-оксидными аккумуляторами (NMC). Теперь многообещающей альтернативой, полагают авторы исследования, становятся литий-никель-кобальт-алюминий-оксидные аккумуляторы (NCA), которые, к примеру, производит Panasonic и использует Tesla.

BYD - крупнейший китайский производитель электрических легковых машин и автобусов

Однако стремление снизить долю кобальта или вовсе от него отказаться приведет к тому, что будет расти роль литий-железо-фосфатных аккумуляторов (LFP), на которые тоже делает ставку Tesla, а также, к примеру, китайский автостроитель BYD, указывается в исследовании. Если в 2010 году практически вообще не было патентов, связанных с данной технологией, то в последние годы их число стало заметно нарастать.

Поэтому можно предположить, что ее разработчикам просто еще нужно пару лет. Может быть, как раз те три года, о которых Илон Маск говорил на Tesla Battery Day. 

Смотрите также:

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Электростанция из аккумуляторов

    Как хранить в промышленных масштабах излишки электроэнергии, выработанной ветрогенераторами и солнечными панелями? Соединить как можно больше аккумуляторов! В Германии эту технологию с 2014 года отрабатывают в институте общества Фраунгофера в Магдебурге (фото). По соседству, в Шверине, тогда же заработала крупнейшая в Европе коммерческая аккумуляторная электростанция фирмы WEMAG мощностью 10 МВт.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Большие батареи на маленьком острове

    Крупнейшие аккумуляторные электростанции действуют в США и странах Азии. А на карибском острове Синт-Эстатиус (Нидерландские Антилы) с помощью этой технологии резко снизили завоз топлива для дизельных электрогенераторов. Днем местных жителей, их около 4 тысяч, электричеством с 2016 года снабжает солнечная электростанция, а вечером и ночью - ее аккумуляторы, установленные фирмой из ФРГ.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Главное - хорошие насосы

    Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - старейшая и хорошо отработанная технология хранения электроэнергии. Когда она в избытке, электронасосы перекачивают воду из нижнего водоема в верхний. Когда она нужна, вода сбрасывается вниз и приводит в действие гидрогенератор. Однако далеко не везде можно найти подходящий водоем и нужный перепад высот. В Хердеке в Рурской области условия подходящие.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Место хранения - норвежские фьорды

    Оптимальные природные условия для ГАЭС - в норвежских фьордах. Поэтому по такому кабелю с 2020 года подводная высоковольтная линия электропередачи NordLink длиной в 623 километра и мощностью в 1400 МВт будет перебрасывать излишки электроэнергии из ветропарков Северной Германии, где совершенно плоский рельеф, на скалистое побережье Норвегии. И там они будут храниться до востребования.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Электроэнергия превращается в газ

    Избытки электроэнергии можно хранить в виде газа. Методом электролиза из обычной воды выделяется водород, который с помощью СО2 превращается в метан. Его закачивают в газохранилища или на месте используют для заправки автомобилей. Идея технологии Power-to-Gas родилась в 2008 году в ФРГ, сейчас здесь около 30 опытно-промышленных установок. На снимке - пилотный проект в Рапперсвиле (Швейцария).

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Водород в сжиженном виде

    Идея Power-to-Gas дала толчок разработкам в разных направлениях. Зачем, к примеру, превращать в метан полученный благодаря электролизу водород? Он и сам по себе отличное топливо! Но как транспортировать этот быстро воспламеняющийся газ? Ученые университета Эрлангена-Нюрнберга и фирма Hydrogenious Technologies разработали технологию его безопасной перевозки в цистернах с органической жидкостью.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    В чем тут соль?

    Соль тут в тех круглых резервуарах, которые установлены посреди солнечной электростанции на краю Сахары близ города Уарзазат в Марокко. Хранящаяся в них расплавленная соль выступает в роли аккумуляторной системы. Днем ее нагревают, а ночью используют накопленное тепло для производства водяного пара, подаваемого в турбину для производства электричества.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Каверна в роли подземной батарейки

    На северо-западе Германии много каверн - пещер в соляных пластах. Одну из них энергетическая компания EWE и ученые университета Йены превратили в полигон для испытания технологии хранения электроэнергии в соляном растворе, обогащенном особыми полимерами, которые значительно повышают эффективность химических процессов. По сути дела, речь идет о попытке создать гигантскую подземную батарейку.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Крупнейший "кипятильник" Европы

    Человечество давно уже использует тепло для производства электроэнергии. Возобновляемая энергетика поставила задачу, наоборот, превращать электричество, в том числе и избыточное, в тепло (Power-to-Heat). Строительство в Берлине крупнейшего "кипятильника" Европы мощностью 120 МВт для отопления 30 тысяч домашних хозяйств компания Vattenfall намерена завершить к концу 2019 года.

  • Технологии хранения энергии из возобновляемых источников

    Накопители энергии на четырех колесах

    Когда по дорогам мира будут бегать миллионы электромобилей с мощными аккумуляторными батареями, они превратятся в еще один крупный накопитель энергии из возобновляемых источников. Этому поспособствуют умные сети энергоснабжения (Smart grid): они будут стимулировать подзарядку по низким ценам в моменты избытка электричества. (На фото - заправка для электромобилей в Китае).

    Автор: Андрей Гурков


 

 

Достижения в составе аккумуляторных батарей

Хотя термин «батарея» не использовался до экспериментов Бенджамина Франклина в 1749 году, то, что сейчас называется «багдадскими батареями», впервые было использовано в Месопотамии около 200 г. до н.э. Они состояли из сосуда, содержащего покрытый медью железный стержень и кислотный агент, такой как уксус. Их точное назначение неизвестно, но могло быть религиозным или лечебным по своей природе.

Первая современная батарея, известная сейчас как гальваническая батарея, была изобретена в 1799 году.Эта батарея состояла из чередующихся слоев меди и цинка, разделенных пропитанной рассолом тканью или бумагой. В 1836 году она была усовершенствована как ячейка Даниэля, в которой был стеклянный сосуд, содержащий медный диск, раствор сульфата меди, цинковый диск и раствор сульфата цинка. Ячейка Даниэля работала достаточно хорошо, поэтому ее использовали для питания телефонов и дверных звонков до того, как электричество стало обычным явлением.

Аккумуляторы, производимые серийно, появились на рынке в 1898 году и были произведены National Carbon Company.Эта компания в конечном итоге превратилась в Eveready Battery Company, которая существует до сих пор. Технология аккумуляторов продолжает развиваться, и на горизонте ждут еще более захватывающих достижений.

Современные батареи

Все батареи имеют две клеммы, положительную и отрицательную. Внутри корпуса батареи анод подключен к отрицательной клемме, а катод - к положительной клемме. Между ними находится разделитель, чтобы они не соприкасались, а электролит позволяет электрическому заряду течь между ними.Коллектор проводит заряд к внешней стороне батареи и через «нагрузку», то есть независимо от того, что батарея питает.

Когда нагрузка замыкает цепь, внутри батареи происходит серия химических реакций: окисление на аноде высвобождает электроны, а восстановление на катоде поглощает эти электроны. Какие химические вещества задействованы, зависит от типа батареи:

  • Дешевые сухие батареи: Батарейки низкого уровня AAA, AA, C и D часто бывают угольно-цинковыми.Анод изготовлен из цинка, а катод - из диоксида магния. Раствор электролита может быть хлоридом цинка или хлоридом аммония.
  • Сухие батареи высшего класса: Более дорогие батареи AA, C и D обычно известны как щелочные батареи, потому что раствор электролита имеет щелочную природу (pH больше 7). Анод изготовлен из цинкового порошка, катод - из диоксида магния и раствора электролита гидроксида калия. Эти батареи имеют большую емкость, чем угольно-цинковые батареи, а также более длительный срок хранения.Они также реже протекают.
  • Перезаряжаемые свинцово-кислотные батареи: Перезаряжаемые свинцово-кислотные батареи имеют анод из свинца и катод из диоксида свинца. Раствор электролита состоит из разбавленной серной кислоты. Свинцово-кислотные батареи, являющиеся первыми коммерчески жизнеспособными перезаряжаемыми батареями, используются в различных приложениях, включая автомобили, жилые дома, инвалидные коляски с электроприводом и даже солнечные аккумуляторы. Однако все чаще их заменяют перезаряжаемые литий-ионные батареи из-за превосходных свойств этих батарей.
  • Перезаряжаемые литий-ионные батареи: Анод литий-ионной батареи изготовлен из углерода (обычно, хотя и не всегда, графита), а катод - из оксида лития. Раствор электролита представляет собой соль лития в органическом растворителе. Литий-ионные батареи - это самые современные батареи, которые в настоящее время используются в коммерческих целях. У них значительно большая емкость, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, они намного эффективнее и имеют гораздо больший срок службы.

Дальнейшее развитие

Поскольку технологии продолжают быстро развиваться, батареи должны идти в ногу со временем.Некоторые из наиболее многообещающих достижений будут в технологии литий-ионных аккумуляторов. Исследователи экспериментируют с различными соединениями, которые могут накапливать больше лития, а также с различными типами углерода, чтобы оптимизировать характеристики анода.

Еще одна перспективная технология - это литий-серные аккумуляторные батареи. С серой в качестве катода и металлическим литием в качестве анода, эти батареи только сейчас прототипируются, но их теоретическая плотность энергии кажется невероятно высокой.

Твердотельные батареи заменят раствор электролита в традиционных батареях твердым, высокопроводящим составом электролита. Новые негорючие полимеры с высокой емкостью могут революционизировать безопасность, вес и даже срок хранения. Вполне возможно, что твердотельная технология может появиться одновременно с литий-серной технологией, создав совершенно новый класс батарей, предназначенных для электромобилей, аэрокосмической промышленности и других отраслей с тяжелыми нагрузками.

Noah Technologies предоставляет клиентам самые чистые химические вещества.Чтобы поговорить с квалифицированным химиком о нестандартных химикатах и ​​оптовых заказах, свяжитесь с нами сегодня!

Реакции батарей и химия | HowStuffWorks

Многое происходит внутри батареи, когда вы вставляете ее в фонарик, пульт дистанционного управления или другое беспроводное устройство. Хотя процессы, с помощью которых они производят электричество, немного отличаются от батареи к батарее, основная идея остается той же.

Когда нагрузка замыкает цепь между двумя выводами, батарея вырабатывает электричество посредством серии электромагнитных реакций между анодом, катодом и электролитом.Анод подвергается реакции окисления , в которой два или более иона (электрически заряженные атомы или молекулы) из электролита объединяются с анодом, образуя соединение и высвобождая один или несколько электронов. В то же время катод проходит через реакцию восстановления , в которой катодное вещество, ионы и свободные электроны также объединяются с образованием соединений. Хотя это действие может показаться сложным, на самом деле это очень просто: реакция на аноде создает электроны, а реакция на катоде их поглощает.Чистый продукт - электричество. Батарея будет продолжать вырабатывать электричество до тех пор, пока на одном или обоих электродах не закончится вещество, необходимое для протекания реакций.

В современных батареях для стимуляции реакций используются различные химические вещества. Обычный химический состав батарей включает:

  • Цинк-угольная батарея : химия цинк-уголь обычна во многих недорогих сухих батареях AAA, AA, C и D. Анод - цинк, катод - диоксид марганца, а электролит - хлорид аммония или хлорид цинка.
  • Щелочная батарея : Этот химический состав также характерен для сухих батарей AA, C и D. Катод состоит из смеси диоксида марганца, а анод - из цинкового порошка. Он получил свое название от электролита гидроксида калия, который является щелочным веществом.
  • Литий-ионный аккумулятор (перезаряжаемый) : Химический состав лития часто используется в высокопроизводительных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые камеры и даже электромобили.В литиевых батареях используются различные вещества, но наиболее распространенной комбинацией является катод из оксида лития-кобальта и угольный анод.
  • Свинцово-кислотный аккумулятор (перезаряжаемый) : это химический состав, используемый в типичном автомобильном аккумуляторе. Электроды обычно изготавливаются из диоксида свинца и металлического свинца, а электролит - это раствор серной кислоты.

Лучший способ понять эти реакции - увидеть их собственными глазами. Перейдите на следующую страницу, чтобы узнать о некоторых практических экспериментах с аккумулятором.

Аккумуляторы | Безграничная химия

Сухая батарея

В сухих батареях используется иммобилизованный электролит, который сводит к минимуму влажность и обеспечивает превосходную портативность.

Цели обучения

Обсудите рабочие компоненты сухой аккумуляторной батареи и их основные преимущества

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Батарея содержит электрохимические элементы, которые могут накапливать химическую энергию для преобразования в электрическую.
  • Сухая батарея аккумулирует энергию в виде иммобилизованной электролитной пасты, что сводит к минимуму потребность в воде.
  • Распространенные примеры батарей с сухими элементами включают угольно-цинковые батареи и щелочные батареи.
Ключевые термины
  • катод : электрод электрохимической ячейки, на которой происходит восстановление.
  • электролит : Вещество, которое в растворе или расплавленном состоянии ионизирует и проводит электричество.
  • анод : электрод электрохимической ячейки, на котором происходит окисление.

Определение сухой ячейки

В электричестве аккумулятор - это устройство, состоящее из одной или нескольких электрохимических ячеек, которые преобразуют накопленную химическую энергию в электрическую. Сухая ячейка - это один из многих общих типов электрохимических ячеек.

В сухом элементе электролит иммобилизован в виде пасты с достаточным количеством влаги для протекания тока. В отличие от влажного элемента, сухой элемент может работать в любой ориентации, не проливаясь, поскольку он не содержит свободной жидкости.Эта универсальность делает его пригодным для портативного оборудования. Для сравнения: первые батареи с жидкими элементами обычно представляли собой хрупкие стеклянные емкости со свинцовыми стержнями, свисающими с открытого верха. Поэтому с ними нужно было осторожно обращаться, чтобы избежать утечки. Разработка батарей с сухими элементами позволила значительно повысить безопасность и портативность батарей.

Обычная сухая батарея - это угольно-цинковая батарея, в которой используется элемент, который иногда называют элементом Лекланше. Ячейка состоит из внешнего цинкового контейнера, который действует как анод.Катод представляет собой центральный углеродный стержень, окруженный смесью углерода и диоксида марганца (IV) (MnO 2 ). Электролит представляет собой пасту из хлорида аммония (NH 4 Cl). Волокнистая ткань разделяет два электрода, а латунный штифт в центре ячейки проводит электричество во внешнюю цепь.

Цинк-углеродный сухой элемент : иллюстрация сухого цинк-углеродного элемента. В нем цинковый кожух действует как анод, окружая углеродный стержень, который действует как катод.- \ rightarrow 2 \ text {NH} _3 (\ text {g}) + \ text {H} _2 (\ text {g}) [/ latex]

Оксид марганца (IV) в ячейке удаляет водород, производимый хлоридом аммония, в соответствии со следующей реакцией:

[латекс] 2 \ text {MnO} _2 (\ text {s}) + \ text {H} _2 (\ text {g}) \ rightarrow \ text {Mn} _2 \ text {O} _3 (\ text { s}) + \ text {H} _2 \ text {O} (\ text {l}) [/ latex]

Совместный результат этих двух реакций имеет место на катоде. - [/ latex]

Следовательно, общее уравнение для ячейки:

[латекс] \ text {Zn} (\ text {s}) + 2 \ text {MnO} _2 (\ text {s}) + 2 \ text {NH} _4 (\ text {aq}) \ rightarrow \ text {Mn} _2 \ text {O} _3 (\ text {s}) + \ text {H} _2 \ text {O} (\ text {l}) + \ text {Zn} _2 + 2 \ text {NH} _3 (\ text {g}) [/ latex]

Потенциал указанной выше реакции равен 1.50 В.

Другим примером сухих элементов питания является щелочная батарея. Щелочные батареи почти такие же, как угольно-цинковые батареи, за исключением того, что в качестве электролита используется гидроксид калия (КОН), а не хлорид аммония. В некоторых более современных типах так называемых «высокомощных» батарей, которые имеют гораздо меньшую емкость, чем стандартные щелочные батареи, хлорид аммония заменен хлоридом цинка.

Ртутный аккумулятор

Ртутные батареи были обычными электрохимическими батареями, которые были постепенно выведены из основного использования в США.S. Законом о батареях 1996 года.

Цели обучения

Обсудить применение ртутно-оксидной батареи

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Ртутные батареи были очень распространены в 20 веке и использовались во многих обычных малых и больших приборах.
  • Преимущества ртутной батареи включают длительный срок хранения и стабильное выходное напряжение.
  • В ртутных батареях в качестве катода с цинковым анодом используется соединение ртути.
  • Наряду с другими батареями, которые основаны на тяжелых металлах, ртутные батареи были выведены из обращения в соответствии с Законом о батареях, который направлен на уменьшение воздействия одноразовых батарей на окружающую среду.
Ключевые термины
  • анод : электрод электрохимической ячейки, на которой происходит окисление.
  • электролит : Вещество, которое в растворе или расплавленном состоянии ионизирует и проводит электричество.
  • катод : электрод электрохимической ячейки, на котором происходит восстановление.

Ртутная батарея, также называемая батареей из оксида ртути или ртутным элементом, представляет собой неперезаряжаемую электрохимическую батарею. Эти батареи использовались в форме кнопочных элементов для часов, слуховых аппаратов и калькуляторов, а также в более крупных формах для других устройств, включая рации.

Батарейка для часов Mercury : Батарейки Mercury удобны из-за своего размера. Это маленькая ртутная батарейка для часов.

Батареи

Mercury имеют преимущества длительного срока хранения до 10 лет и стабильного выходного напряжения.Хотя эти батареи были очень распространены в середине 20-го века, Закон об управлении ртутьсодержащими и перезаряжаемыми батареями (Закон о батареях), принятый в США в 1996 году, в значительной степени отказался от ртутных батарей из-за экологических проблем.

В батареях

Mercury в качестве катода используется либо чистый оксид ртути, либо смесь оксида ртути с диоксидом марганца. Ячейки с оксидом ртути сконструированы с цинковым анодом, катодом из оксида ртути и гидроксидом калия или гидроксидом натрия в качестве электролита.Поскольку оксид ртути не является проводником, с ним примешивается немного графита. Это помогает предотвратить скопление ртути в крупные капли. Во время разряда цинк окисляется до оксида цинка, а оксид ртути восстанавливается до элементарной ртути. В элемент помещается немного дополнительного количества оксида ртути, чтобы предотвратить выделение газообразного водорода в конце срока его службы.

В ртутных батареях в качестве электролита используется гидроксид натрия или гидроксид калия. Ячейки с гидроксидом натрия имеют почти постоянное напряжение при низких токах разряда, что делает их идеальными для слуховых аппаратов, калькуляторов и электронных часов.Ячейки с гидроксидом калия, в свою очередь, обеспечивают постоянное напряжение при более высоких токах, что делает их пригодными для приложений, требующих скачков тока, таких как фотоаппараты со вспышкой и часы с подсветкой. Ячейки с гидроксидом калия также лучше работают при более низких температурах.

Закон о батареях

В 1996 году в США был принят Закон о ртутьсодержащих и перезаряжаемых батареях (Закон о батареях; Публичный закон 104-142). Предполагаемая цель закона заключалась в сокращении содержания тяжелых металлов в городских отходах, ручьях и грунтовых водах.Это произошло в результате утилизации ртути в одноразовых батареях, а также других токсичных металлов, таких как свинец из свинцово-кислотных батарей и кадмия в аккумуляторных батареях. Таким образом, закон стремился поэтапно отказаться от использования ртути в батареях из-за нанесенного ею ущерба окружающей среде.

Свинцовая аккумуляторная батарея

Свинцово-кислотные аккумуляторы вырабатывают большие токи и сохраняют заряд в течение длительного времени, что делает их незаменимыми для транспортных средств.

Цели обучения

Вспомните химическую реакцию, которая происходит в свинцовых аккумуляторных батареях

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Свинцово-кислотные батареи, также известные как свинцовые аккумуляторные батареи, могут накапливать большой заряд и обеспечивать высокий ток в течение коротких периодов времени.
  • Базовая конструкция свинцово-кислотных аккумуляторов не претерпела существенных изменений с 1859 года, когда их разработал Планте, хотя некоторые улучшения были внесены Форе.
  • Свинцово-кислотные аккумуляторы можно заряжать, что важно при их использовании в автомобилях.
  • Разрядка накопленной энергии зависит от того, как положительная, так и отрицательная пластины превращаются в сульфат свинца (II), а электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты.
Ключевые термины
  • лигносульфонат : водорастворимые анионные полиэлектролитные полимеры; они являются побочными продуктами производства древесной массы с использованием сульфитной варки.

Свинцовые батареи

Свинцовая аккумуляторная батарея, также известная как свинцово-кислотная батарея, является самым старым типом аккумуляторных батарей и одним из наиболее распространенных устройств хранения энергии. Эти батареи были изобретены в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, и они до сих пор используются во множестве приложений. Большинство людей привыкло использовать их в транспортных средствах, где они могут обеспечивать высокие токи для запуска.

Хотя батареи надежны, у них ограниченный срок службы, они тяжелы при транспортировке и содержат токсичные материалы, которые требуют специальных методов удаления по окончании срока службы.Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют умеренную удельную мощность и хорошее время отклика. В зависимости от используемой технологии преобразования энергии батареи могут перейти от приема энергии к мгновенной подаче энергии. Свинцово-кислотные аккумуляторы подвержены влиянию температуры и должны поддерживаться в надлежащем состоянии для достижения максимального срока службы.

Разработка свинцовой батареи

В конструкции свинцово-кислотного элемента Планте положительная и отрицательная пластины были сделаны из двух спиралей свинцовой фольги, разделенных листом ткани и скрученных.Ячейки изначально были малой вместимостью. Требовался медленный процесс «формования» для коррозии свинцовой фольги, образования диоксида свинца на пластинах и придания им шероховатости для увеличения площади поверхности. Пластины Планте все еще используются в некоторых стационарных приложениях, где на пластинах имеются механические канавки для увеличения площади поверхности.

Свинцовая аккумуляторная батарея : Схема, показывающая, как свинцовая аккумуляторная батарея состоит из шести последовательно соединенных двухвольтовых элементов. Также показан состав каждой ячейки.

Конструкция из клееных пластин Камиллы Альфонса Фор типична для современных автомобильных аккумуляторов. Каждая пластина состоит из прямоугольной свинцовой сетки. Отверстия решетки заполнены пастой из красного свинца и 33-процентной разбавленной серной кислоты. Эта пористая паста позволяет кислоте реагировать со свинцом внутри пластины, что увеличивает площадь поверхности. После высыхания пластины складываются с помощью подходящих разделителей и вставляются в аккумуляторный контейнер. Обычно используется нечетное количество пластин, на одну отрицательную пластину больше, чем положительной.Каждая альтернативная пластина подключается.

Паста содержит технический углерод, сульфат бария и лигносульфонат. Сульфат бария действует как затравочный кристалл для реакции сульфата свинца. Лигносульфонат предотвращает образование твердой массы отрицательной пластиной во время цикла разряда, а вместо этого позволяет формировать длинные игольчатые кристаллы. Технический углерод противодействует эффекту ингибирования образования, вызванному лигносульфонатами.

Разрядная химия

В разряженном состоянии как положительная, так и отрицательная пластины становятся сульфатом свинца (II) (PbSO 4 ).Электролит теряет большую часть растворенной серной кислоты и превращается в основном в воду. Процесс разряда управляется проводимостью электронов от отрицательной пластины обратно в ячейку на положительной пластине во внешней цепи.

Отрицательная реакция пластины: Pb (s) + HSO 4 - (водный) → PbSO 4 (s) + H + (водный) + 2e -

Положительная реакция пластины: PbO 2 (s) + HSO 4 - (водный) + 3H + (водный) + 2e - → PbSO 4 (s) + 2H 2 O (л)

Комбинируя эти две реакции, можно определить общую реакцию:

Pb (с) + PbO 2 (с) + 2H + (водный) + 2HSO 4 - (водный) → 2PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л)

Зарядная химия

Аккумулятор этого типа можно заряжать.В заряженном состоянии каждая ячейка содержит отрицательные пластины из элементарного свинца (Pb) и положительные пластины из оксида свинца (IV) (PbO 2 ) в электролите примерно 4,2 М серной кислоты (H 2 SO 4 ). . Процесс зарядки осуществляется за счет принудительного удаления электронов с положительной пластины и принудительного введения их в отрицательную пластину источником заряда.

Отрицательная реакция пластины: PbSO 4 (т.

Положительная реакция пластины: PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л) → PbO 2 (с) + HSO 4 - (водный) + 3H + (водный) + 2e

Объединение этих двух реакций дает полную реакцию, обратную реакции разряда:

2PbSO 4 (с) + 2H 2 O (л) → Pb (с) + PbO 2 (с) + 2H + (водный) + 2HSO 4 - (водный)

Обратите внимание, что реакция зарядки прямо противоположна реакции разряда.

Другие аккумуляторные батареи

Спрос на многие разновидности аккумуляторных батарей обусловлен их более низкой стоимостью и меньшим воздействием на окружающую среду.

Цели обучения

Обсудить общие характеристики аккумуляторов

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Перезаряжаемые батареи накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, которая позволяет снова сохранять заряд после разрядки батареи.
  • Перезаряжаемые батареи имеют более низкую общую стоимость использования и меньшее воздействие на окружающую среду, чем одноразовые батареи, что может быть причиной того, что спрос на аккумуляторные батареи в США растет намного быстрее, чем спрос на неперезаряжаемые батареи.
  • Общие типы аккумуляторных батарей: свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионные полимерные (LiPo) и перезаряжаемые щелочные батареи.
Ключевые термины
  • вторичный элемент : электрический элемент, который можно перезаряжать, поскольку он преобразует химическую энергию в электрическую с помощью обратимой химической реакции.
  • Плотность энергии : количество энергии, которое может храниться относительно объема батареи.

Аккумуляторы

Перезаряжаемый аккумулятор - это тип электрического аккумулятора, который состоит из одного или нескольких электрохимических элементов. Он известен как вторичный элемент, потому что его электрохимические реакции электрически обратимы. Другими словами, после того, как накопленный заряд был истощен, химические реакции батареи могут произойти снова, в обратном порядке, чтобы сохранить новый заряд.Спрос на аккумуляторные батареи в США растет вдвое быстрее, чем спрос на неперезаряжаемые батареи, отчасти потому, что аккумуляторные батареи оказывают меньшее воздействие на окружающую среду и общую стоимость использования, чем одноразовые.

Сетевые накопители энергии используют перезаряжаемые батареи для выравнивания нагрузки. Выравнивание нагрузки включает в себя хранение электроэнергии для использования в период пиковой нагрузки. Заряжая батареи в периоды низкого потребления электроэнергии для использования в периоды высокого спроса, выравнивание нагрузки помогает устранить необходимость в дорогостоящих пиковых электростанциях и помогает снизить стоимость генераторов в течение большего количества часов работы.

Конструкция аккумуляторной батареи

Как и все батареи, аккумуляторные батареи состоят из анода, катода и электролита. Во время зарядки материал анода окисляется, образуя электроны, а катод восстанавливается, потребляя электроны.

Зарядка аккумулятора : Схема зарядки аккумулятора.

Эти электроны составляют ток во внешней цепи. Электролит может служить простым буфером для внутреннего потока ионов между электродами, как в литий-ионных и никель-кадмиевых элементах, или он может быть активным участником электрохимической реакции, как в свинцово-кислотных элементах.

Типы аккумуляторных батарей

В аккумуляторных батареях обычно используется несколько различных комбинаций химикатов. Различные типы включают свинцово-кислотные, никель-кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH), литий-ионные (Li-ion), литий-ионные полимерные (LiPo) и перезаряжаемые щелочные батареи.

Свинцово-кислотные батареи

Свинцово-кислотные батареи, изобретенные в 1859 году французским физиком Гастоном Планте, являются старейшим типом аккумуляторных батарей. Их способность обеспечивать высокие импульсные токи означает, что элементы поддерживают относительно большое отношение мощности к весу.Эти особенности, наряду с их низкой стоимостью, делают их привлекательными для использования в автомобилях, требующих больших токов.

Никель-металлогидридные батареи

Никель-металлгидридная батарея, сокращенно NiMH или Ni-MH, очень похожа на никель-кадмиевый элемент (NiCd). В NiMH батареях используются положительные электроды из оксигидроксида никеля (NiOOH), как и в NiCd, но в отрицательных электродах вместо кадмия используется сплав, поглощающий водород. Аккумулятор NiMH может иметь емкость в два-три раза больше, чем аккумулятор NiCd аналогичного размера, а его плотность энергии приближается к плотности литий-ионного элемента.

Литий-ионные батареи

Литий-ионный аккумулятор - это семейство аккумуляторных батарей, в которых ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разряда и обратно при зарядке. Отрицательный электрод обычного литий-ионного элемента сделан из углерода. Положительный электрод представляет собой оксид металла, а электролит представляет собой соль лития в органическом растворителе. Это один из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших плотностей энергии и лишь медленной потерей заряда, когда они не используются.Литий-ионные аккумуляторы дороже никель-кадмиевых аккумуляторов, но работают в более широком диапазоне температур, при этом они меньше и легче. Они хрупкие и поэтому нуждаются в схеме защиты для ограничения пикового напряжения.

Литий-ионные полимерные батареи

Литий-ионные полимерные (LiPo) батареи обычно состоят из нескольких идентичных вторичных ячеек, включенных параллельно для увеличения разрядного тока. Они часто доступны в серии «упаковок» для увеличения общего доступного напряжения.Их основное отличие от литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что их электролит из литиевой соли не содержится в органическом растворителе. Вместо этого он находится в твердом полимерном композите, таком как полиэтиленоксид или полиакрилонитрил. Преимущества LiPo по сравнению с литий-ионной конструкцией включают потенциально более низкую стоимость производства, приспособляемость к большому разнообразию форм упаковки, надежность и прочность. Их главный недостаток - меньший заряд.

Щелочные батареи

Существуют также перезаряжаемые формы щелочных батарей, которые представляют собой тип первичных батарей, зависящих от реакции между цинком (Zn) и диоксидом марганца (MnO 2 ).Они производятся полностью заряженными и способны сохранять заряд в течение многих лет, дольше, чем большинство никель-кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов, которые саморазряжаются. Перезаряжаемые щелочные батареи также могут иметь высокую эффективность перезарядки и оказывать меньшее воздействие на окружающую среду, чем одноразовые элементы.

Литий-ионный аккумулятор

Литий-ионные батареи - это перезаряжаемые батареи, обычно используемые в бытовой электронике; они полагаются на миграцию Li + .

Цели обучения

Обсудите химические превращения, происходящие в литий-ионной батарее во время зарядки и разрядки

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Превосходная плотность энергии, отсутствие эффекта памяти и только медленная потеря заряда, когда они не используются, делают литий-ионные батареи обычным явлением для использования в бытовой электронике, военных, электромобилях и аэрокосмической отрасли.
  • Анод обычно представляет собой литийсодержащее соединение, а катод обычно представляет собой углеродсодержащее соединение.
  • Реакция разрядки основана на том, что ион лития из электролита извлекается с катода и перемещается к аноду, в то время как в реакции зарядки верно обратное.
Ключевые термины
  • анод : электрод электрохимической ячейки, на которой происходит окисление.
  • катод : электрод электрохимической ячейки, на котором происходит восстановление.
  • электролит : Вещество, которое в растворе или расплавленном состоянии ионизирует и проводит электричество.

Литий-ионные батареи (Li-ion или LIB) - это семейство аккумуляторных батарей, в которых ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному во время разряда. Ионы движутся по обратному пути, когда батарея заряжается. В литий-ионных батареях в качестве электродного материала используется соединение лития.

Применение литий-ионных батарей

Литий-ионные батареи широко используются в бытовой электронике.Они являются одними из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, потому что они имеют одну из лучших плотностей энергии и только медленную потерю заряда, когда они не используются.

Литий-ионный аккумулятор для ноутбука : Литий-ионный аккумулятор подходит для использования в портативной электронике, включая ноутбуки.

Помимо бытовой электроники, LIB также становятся все популярнее для военных, электромобилей и аэрокосмической отрасли. Исследования дают поток улучшений традиционной технологии LIB с упором на плотность энергии, долговечность, стоимость и безопасность.

Типы литий-ионных батарей

Химический состав, производительность, стоимость и характеристики безопасности зависят от типа LIB. В портативной электронике в основном используются LIB на основе оксида лития-кобальта (LCO), которые обладают высокой плотностью энергии, но имеют хорошо известные проблемы безопасности, особенно при повреждении. Литий-железо-фосфатные (LFP), литиево-марганцевые (LMO) и литий-никель-марганцево-кобальтовые (LiNMC) аккумуляторы имеют более низкую плотность энергии, но более длительный срок службы и внутреннюю безопасность. Эти химические составы или химические составы широко используются для питания электрических инструментов и медицинского оборудования.

Зарядка и разрядка

Три участника электрохимических реакций в литий-ионной батарее - это анод, катод и электролит. И анод, который представляет собой литийсодержащее соединение, и катод, который представляет собой углеродсодержащее соединение, являются материалами, в которые ионы лития могут мигрировать. Электролит представляет собой соль лития в органическом растворителе. Когда литиевая ячейка разряжается, положительный ион лития извлекается из катода и вставляется в анод, высвобождая накопленную энергию в процессе.Когда аккумулятор заряжается, происходит обратное.

Материалы для катодов и анодов

Самый популярный катодный материал - графит. Анод обычно представляет собой один из трех материалов: слоистый оксид (например, оксид лития-кобальта), полианион (например, фосфат лития-железа) или шпинель (например, оксид лития-марганца). Электролит обычно представляет собой смесь органических карбонатов, таких как этиленкарбонат или диэтилкарбонат, содержащих комплексы ионов лития.

В литий-ионной батарее ионы лития транспортируются к катоду или аноду и от них. Переходный металл, кобальт (Co), окисляется с Co 3+ до Co 4+ во время зарядки и восстанавливается с Co 4+ до Co 3+ во время разряда.

Топливные элементы

Топливные элементы - отличная альтернатива батареям, но они все еще находятся на ранних стадиях разработки.

Цели обучения

Обсудить работу типичного топливного элемента

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Топливный элемент - это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество посредством химической реакции с кислородом или другим окислителем.
  • Батареи работают в замкнутой системе, а топливные элементы требуют пополнения своих реагентов.
  • Использование водорода в качестве основного источника топлива в топливных элементах имеет несколько плюсов и минусов, которые делают его спорным для массового использования.
  • Топливные элементы состоят из трех смежных сегментов: анода, электролита и катода.
Ключевые термины
  • анод : электрод электрохимической ячейки, на которой происходит окисление.
  • топливный элемент : устройство, преобразующее химическую энергию топлива в электричество посредством химической реакции с кислородом или другим окислителем.
  • катод : электрод электрохимической ячейки, на котором происходит восстановление.
  • аккумулятор : устройство, вырабатывающее электричество в результате химической реакции между двумя веществами.

Введение и история

Топливный элемент - это устройство, которое преобразует химическую энергию топлива в электричество посредством химической реакции с кислородом или другим окислителем.Наиболее распространенным топливом является водород, но иногда используются углеводороды, такие как природный газ и спирты. Топливные элементы отличаются от батарей тем, что для работы им требуется постоянный источник топлива и кислорода, но они могут производить электричество непрерывно, пока есть эти входы. Разработка миниатюрных топливных элементов может стать дешевой, эффективной и многоразовой альтернативой батареям.

Уильям Гроув разработал первые неочищенные топливные элементы в 1839 году. Первое коммерческое использование топливных элементов было в космических программах НАСА для выработки энергии для зондов, спутников и космических капсул.В настоящее время топливные элементы используются в качестве основного и резервного источника питания для коммерческих, промышленных и жилых зданий, а также в удаленных или труднодоступных районах. Они используются для привода транспортных средств на топливных элементах, включая автомобили, автобусы, вилочные погрузчики, самолеты, лодки, мотоциклы и подводные лодки.

Конструкция и функции топливного элемента

Существует много типов топливных элементов, но все они состоят из анода, который является отрицательной стороной, катода, который является положительной стороной, и электролита, который позволяет зарядам перемещаться между двумя сторонами топливного элемента.

Топливный элемент : Топливные элементы преобразуют химическую энергию топлива в электричество посредством химической реакции с кислородом или другим окислителем. Однако использование водорода в качестве основного источника топлива в топливных элементах имеет несколько плюсов и минусов, которые делают его спорным для массового использования.

Электроны притягиваются от анода к катоду через внешнюю цепь, производя электричество постоянного тока. Топливные элементы классифицируются по используемому электролиту, что является основным различием между различными типами топливных элементов.Отдельные топливные элементы создают относительно небольшие электрические потенциалы, около 0,7 вольт, поэтому элементы «уложены друг на друга» или размещены последовательно для увеличения напряжения. Помимо электроэнергии, топливные элементы производят воду, тепло и, в зависимости от источника топлива, очень небольшие количества диоксида азота и другие выбросы. Энергоэффективность топливного элемента обычно составляет 40-60 процентов; он может достигать 85 процентов, если отходящее тепло улавливается для использования.

Несмотря на разнообразие типов топливных элементов, все они работают одинаково.На границах трех разных сегментов происходят две химические реакции. Конечным результатом этих двух реакций является потребление топлива, образование воды или углекислого газа и создание электрического тока, который можно использовать для питания электрических устройств, обычно называемых «нагрузкой».

На аноде катализатор окисляет топливо, обычно водород, превращая топливо в положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Электролит - это вещество, специально разработанное таким образом, чтобы ионы могли проходить через него, а электроны - нет.Освободившиеся электроны проходят по проводу, создавая электрический ток. Ионы проходят через электролит к катоду. Там ионы воссоединяются с электронами, и два реагируют с третьим химическим веществом, обычно кислородом, с образованием воды или углекислого газа.

Плюсы и минусы топливных элементов

Использование водородных топливных элементов в некоторых приложениях вызывает споры. Прежде всего, поскольку энергия, используемая для производства водорода, сравнима с энергией в водороде , это неэффективно и, следовательно, дорого.Если бы для производства водорода использовались обычные электростанции, в лучшем случае не было бы положительных изменений в текущих уровнях загрязнения. Другие типы топливных элементов не сталкиваются с этой проблемой. Например, биологические топливные элементы берут глюкозу и метанол из пищевых отходов и превращают их в водород и пищу для бактерий, которые его расщепляют.

Однако у водородных топливных элементов есть несколько преимуществ. Если электричество, произведенное из чистых возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, используется для производства водорода, энергию можно будет хранить легче, чем в больших аккумуляторных комплексах.

Есть и практические проблемы, которые необходимо преодолеть. Хотя использование топливных элементов в потребительских товарах возможно в ближайшем будущем, большинство современных конструкций не будут работать, если их перевернуть. Кроме того, существующие топливные элементы нельзя масштабировать до небольшого размера, необходимого для портативных устройств, таких как сотовые телефоны. Современные конструкции также требуют вентиляции и поэтому не могут работать под водой. Их нельзя использовать в самолетах из-за риска утечки топлива через вентиляционные отверстия. Наконец, еще не созданы технологии для безопасной заправки потребительских топливных элементов.

Топливный элемент в автомобиле : Топливный элемент является потенциальным источником энергии для автомобилей, которые не работают на бензине. Однако, хотя топливные элементы предлагают чистую возобновляемую энергию, есть несколько препятствий на пути их широкого распространения.

Материалы и обработка для литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор предполагается, что это технология чехарда для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарное хранение решения, позволяющие эффективно использование возобновляемых источников энергии.В технология уже используется для малой мощности такие приложения, как потребительские электроника и электроинструменты. Обширный исследования и разработки улучшили технологии до стадии, когда кажется очень вероятным, что безопасный и надежный литий-ионные батареи скоро будут бортовой гибридный электрический и электрический транспортных средств и подключенных к солнечным батареям и ветряные мельницы. Однако безопасность технология по-прежнему вызывает беспокойство, сервис жизни еще недостаточно, и стоит слишком высоки.Эта статья резюмирует современный литий-ионный аккумулятор технология для неспециалистов. В нем перечислены материалы и обработка для аккумуляторов и суммирует связанные с этим затраты с ними. Этот документ должен способствовать общее понимание материалов и обработка и необходимость преодоления оставшиеся препятствия на пути к успеху введение на рынок.

ВВЕДЕНИЕ

Мировой спрос на батареи в основном движется бытовой электроникой и прогнозируется рост количества электроинструментов в 6.9% годовых до 2010 г. 73,6 миллиарда долларов. 1

Эффективное использование низкоэмиссионных и безэмиссионные источники энергии, такие как как возобновляемый, но непостоянный ветер и солнечная энергия, требует стационарных, высокопроизводительных, долговечных и низких эксплуатационных расходов накопитель электроэнергии решения. В 2006 году Германия, ведущая нация в использовании энергии ветра как часть его общего производства энергии портфель, потратил впустую 15% ветроэнергетических энергии из-за отсутствия подходящих хранение электроэнергии. 2

Гибридные электромобили (HEV) и полностью электрические транспортные средства (электромобили) могут снизить зависимость США от иностранной нефти и будет способствовать увеличению спроса на батареи в будущее. Подсчет эффективности двигателя и включая производство электроэнергии, Электромобили могут сократить потребление бензина до одной четвертой сегодняшнего потребления и может снизить зависимость США на импортную нефть до одной шестой части сегодняшний уровень. 3

В центре внимания U.S. Отделение Energys (DOE) Автомобильные технологии Программа на литий-ионной основе электрохимическое накопление энергии за счет электрохимический потенциал и теоретические мощность, обеспечиваемая этой системой. Литий-ионные батареи могут обеспечить надежная аккумуляторная технология хранения. Изменения в этой программе включают литий-ионный, литий-ионный полимер, и литий-металлическая технология.

Краткосрочные цели DOE для HEV с усилителем достигнуты или превышены в восьми из 11 областей, показывая огромные успех программы.В восемь областей включают разрядный импульс мощность, регенеративная импульсная мощность, доступная энергия, эффективность, срок службы, система вес, объем системы и собственное увольнять. Тем не менее, три цели кажутся сложнее и остаются неудовлетворенными: рабочая температура от 30С до 52C, срок службы 15 лет и цена продажи ниже 500–800 долларов за штуку система на 100000 единиц, произведенных на год. 4 Для гибридных электромобилей с подзарядкой от сети (PHEV) в среднесрочной перспективе и для электромобилей в долгосрочной перспективе, достижения далеки от встречи с цели, а также значительный материал и обработка технологические барьеры необходимо быть преодоленным.Рисунок 1 иллюстрирует DOE и Консорциум передовых аккумуляторов США (USABC) цели и вехи встретились для приложений HEV и EV.

Программа DOE ориентирована на преодоление технических барьеров, связанных с аккумуляторной технологией HEV, а именно стоимость, производительность, безопасность и жизнь: 6

  • Стоимость Текущие литий-ионные стоимость батареи за киловатт составляет примерно в 2 раза больше. Основные затраты связаны с дороговизна сырья и обработка материалов, а также стоимость ячейки, упаковки и изготовление.
  • ПроизводительностьБарьеры производительности в основном связаны с сокращенными мощность разряда при низкой температуре и потеря мощности из-за использования и старение.
  • Безопасность Фактический литий-ионный аккумулятор технология не по сути безопасно. Короткое замыкание, перезаряд, чрезмерная разрядка, раздавливание и высокий температура может привести к термическому побег, пожар и взрыв.
  • Системы двигателей LifeHybrid имеют предполагаемый срок службы 15 лет. Аккумуляторная технология должна соответствовать эта цель с целью 300 000 циклы зарядки.Цикл жизни был продемонстрирован, но календарь жизнь не имеет.

Исторически, электрохимия и приборостроение доминировало разработка аккумуляторов. Вышеупомянутый барьеры производительности проблемы, связанные с материалами. Плохая низкая температура производительность - это распространение проблема при низкой температуре. Утрата мощность из-за использования в основном проблема связано с механическим поведением, трещина инициирование и рост с последующим летальным исходом разрушение и последующее покрытие и пассивация поверхностей.Кроме того, разработка материалов и обработка материалов развитие должно быть решаются согласованно, чтобы сократить стоить и создать безопасную аккумуляторную технологию. Поэтому материаловеды и инженеры-технологи медленно входят арена, на которой цель надежных, безопасная и долговечная электрическая энергия хранилище будет достигнуто.

ПРИНЦИП БАТАРЕИ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ

КАК БЫ ВЫ...
… опишите общее значение этой статьи?
Литий-ионный аккумулятор необходимо преодолеть значительные технологичность, безопасность и стоимость препятствия на пути к успеху в рынок. Традиционно аккумуляторная технология была запущена электрохимическими НИОКР. Сегодня, материаловеды и процессы инженеры могут помочь в преодолении барьеры и понимание механизмы отказа.Эта бумага обучает материаловедов и инженеры, чтобы начать этот процесс.

… опишите эту работу в материалы специалист в области науки и техники без опыта в вашем техническая специальность?

Литий-ионный аккумулятор предполагается, что это будет чехарда технология для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарные складские решения для обеспечения эффективного использования возобновляемые источники энергии.Однако безопасность технологии высока. все еще вызывает беспокойство, срок службы еще нет достаточно, а затраты слишком высоки. В этом документе кратко излагается состояние литий-ионных аккумуляторов технология для неспециалистов и способствует пониманию материалов ученые и технологи.

… опишите эту работу неспециалисту?
Гибридные и полностью электрические автомобили и возобновляемые ветровые и солнечные мощность полагается на эффективную энергию место хранения.Однако в наличии аккумуляторная технология должна преодолевать значительные препятствия по стоимости и эффективности стать надежный и достаточно безопасный для работы как мобильное или стационарное хранилище. Материаловеды и инженеры работают над увеличением своих надежность и снижение их стоимости стать безопасным и доступным решение нашего энергетического кризиса.

Наименьший рабочий элемент в батарее электрохимическая ячейка, состоящая катода и анода разделены и подключен электролитом.В электролит проводит ионы, но является изолятором электронам. В заряженном состоянии анод содержит высокую концентрацию интеркалированного лития, в то время как катод обеднен литием. В течение разряд, ион лития покидает анод и мигрирует через электролит к катоду, в то время как связанный с ним электрон собирается током коллектор, который будет использоваться для питания электрического устройство (показано на рисунке 2).

Конструкции и комбинации ячеек по модулям и пакам сильно различаются.Чтобы установить базовое понимание, это В документе показаны основные конструкции ячеек и затем сосредотачивается на материалах, обработке, и производство с особым вниманием на батарейках для транспортировки.

Электроды в литий-ионных элементах всегда твердые материалы. Можно различать типы клеток по к их электролитам, которые могут быть жидкие, гелевые или твердотельные компоненты. Электролиты в гелевом и твердом состоянии. ячейки представляют собой структурный компонент и не нужны дополнительные разделители для эффективного разделения электродов и предотвращение коротких замыканий.Ячейки бывают кнопочными, цилиндрическими и призматические формы (см. рис. 3). Хороший обзор форм и материалов ячеек предоставлено J. Besenhard et al. 9

Для приложений с низким и низким энергопотреблением, ячейка часто представляет собой полная батарея. Для высокой энергии и большой мощности приложения, такие как транспорт или стационарное хранилище, ряд ячейки упакованы в модуль, а количество модулей упаковано в аккумулятор.

Тонкопленочные батареи
Особой категорией являются твердотельные тонкопленочный аккумулятор. Тонкопленочные батареи состоят только из твердых материалов. В электролит представляет собой твердое ионное стекло или кристалл, а компоненты осаждаются с помощью методов осаждения из паровой фазы. Этот дизайн предлагает высочайшую энергию плотность, безопасность и терпимость к злоупотреблениям, но это применимо только к маленьким устройствам для специальных приложений и включает самый затратный способ производства.А хороший обзор систем тонкопленочных аккумуляторов предоставлен N.J. Dudney и Б. Дж. Нойдекер. 10

МАТЕРИАЛЫ

Катодные материалы
Современные катодные материалы включают оксиды лития-металла [например, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 и Li (NixMnyCoz) O 2 ], оксиды ванадия, оливины (такие как LiFePO 4 ) и перезаряжаемые оксиды лития. 11,12 Многослойный оксиды, содержащие кобальт и никель, являются наиболее изученные материалы для литий-ионных батареи. Показывают высокую стабильность в диапазоне высокого напряжения, но кобальт имеет ограниченную доступность в природе и является токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Марганец предлагает недорогую замену на высокий тепловой порог и отличный оцените возможности, но ограниченное поведение на велосипеде. Поэтому смеси кобальта, никель и марганец часто используются объединить лучшие свойства и минимизировать недостатки.Оксиды ванадия имеют большую емкость и отличную кинетику. Однако из-за вставки лития и экстракция, материал имеет тенденцию стать аморфным, что ограничивает езда на велосипеде. Оливины нетоксичны и иметь умеренную мощность с низким выцветают из-за езды на велосипеде, но их проводимость низкий. Способы покрытия материала были введены, которые делают из-за плохой проводимости, но добавляет некоторые затраты на обработку для батареи.

Материалы анода
Материалы анода: литий, графит, литий-легирующие материалы, интерметаллиды, или кремний. 11 Литий кажется самый простой материал, но показывает проблемы с поведением на велосипеде и рост дендритов, который создает короткие замыкания. Углеродистые аноды наиболее часто используемый анодный материал благодаря их невысокая стоимость и доступность. Тем не мение, теоретическая емкость (372 мАч / г) плохо по сравнению с зарядом плотность лития (3862 мАч / г). Некоторые попытки с новыми разновидностями графита и углеродные нанотрубки имеют пытался увеличить емкость, но приходить с ценой высокой обработки расходы.Аноды из сплавов и интерметаллиды компаунды обладают высокой емкостью, но также показывают резкое изменение громкости, приводит к плохому поведению на велосипеде. Усилия были сделаны, чтобы преодолеть изменение объема за счет использования нанокристаллических материалы и сплав фаза (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, и др.) в нелегированной стабилизации матрица (с Co, Cu, Fe или Ni). Кремний обладает чрезвычайно высокой емкостью 4199 мАч / г, что соответствует состав Si 5 Li 22 .Однако езда на велосипеде поведение плохое, а дееспособность угасание еще не понято.

Электролиты
Требуется безопасная и долговечная батарея прочный электролит, который выдерживает существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, предлагая высокая подвижность ионов лития. Типы включают жидкость, полимер и твердотельные электролиты. 11 Жидкие электролиты в основном органические, на основе растворителей электролиты, содержащие LiBC 4 O 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li [PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], или похожий.Самое важное соображение их горючесть; лучший растворители имеют низкую температуру кипения точек и имеют точки вспышки вокруг 30С. Следовательно, вентиляция или взрыв ячейки, а затем и батареи представляют опасность. Разложение электролита и сильно экзотермические побочные реакции в литий-ионных батареях может создавать эффект, известный как тепловой разгон. Таким образом, подбор электролита часто предполагает компромисс между воспламеняемостью и электрохимические характеристики.

Сепараторы со встроенным тепловым отключением механизмы, и дополнительные внешние сложное управление температурным режимом системы добавлены в модули и аккумуляторные батареи. Ионные жидкости находятся под рассмотрение из-за их термического стабильность, но есть серьезные недостатки, например, растворение лития из анод.

Полимерные электролиты ионные проводящие полимеры. Они часто смешанный в композитах с керамикой наночастицы, что приводит к более высокой проводимости и устойчивость к более высоким напряжения.Кроме того, из-за их высокой вязкость и квазитвердое поведение, полимерные электролиты могут ингибировать литий дендриты из растущих 13 и могли поэтому может использоваться с металлическим литием аноды.

Электролиты твердые литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла. Они показывают очень плохую низкотемпературную производительность, потому что литий подвижность в твердом теле значительно снижена при низких температурах. Кроме того, твердые электролиты требуют специального осаждения условия и температурные процедуры добиться приемлемого поведения, сделав они чрезвычайно дороги в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторы и риск теплового разгона.

Сепараторы

Хороший обзор материалов сепараторов и потребности обеспечивает П. Арора и З. Чжан. 14 Как следует из названия, разделитель аккумулятора разделяет два электроды физически друг от друга, таким образом избегая короткого замыкания. В случае жидкого электролита сепаратор пеноматериал, пропитанный электролит и удерживает его на месте. Это должен быть электронный изолятор при минимальном сопротивлении электролита, максимальная механическая стабильность, и химическая стойкость к деградации в высоко электрохимически активном среда.Кроме того, разделитель часто имеет функцию безопасности, называемую термической неисправность; при повышенных температурах, он тает или закрывает поры, чтобы закрыть вниз по литий-ионному транспорту без теряет механическую устойчивость. Сепараторы либо синтезируются в листах и собран с электродами или наносится на один электрод на месте. С точки зрения затрат последний метод является предпочтительным, но предполагает некоторый другой синтез, обработка и механические проблемы. Твердотельные электролиты и некоторые полимеры электролиты не нуждаются в сепараторе.

ОБРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО

Разряд аккумулятора основан на диффузии ионов лития с анода к катоду через токоприемник, как показано на рисунке 2. Этот движущийся механизм в первую очередь основан на диффузионные процессы: доставка лития ионы на поверхность анода, переходя к и распространение через электролит, и переход на и диффузия в катод.Распространение самый ограничивающий фактор в сильноточных разрядка и зарядка, а также при низких температурах представление. Кроме того, интеркаляция и деинтеркаляция процессы создают изменение объема в активные электродные материалы. Это повторилось процесс из-за цикла может инициировать трещины и могут привести к возможному разрушению в результате непригодного активного электрода материал из-за отключения от токоприемник или короткое замыкание а в случае литий-металлических батарей - угроза безопасности из-за шероховатости анода и роста дендритов.

Работы по обработке материалов и производство для повышения производительности и управлять неизбежным объемом изменения привели к составным материалы с микро- и наноразмерными частицы. Наночастицы могут вместить изменение громкости с минимальным риск возникновения трещин и их микромасштабные агломераты и композиты приводит к минимальной диффузии длины пути через медленную диффузию фазы (электроды). Сильное внимание уделяется от плотности упаковки, чтобы максимально увеличить активную содержание материала, открытая пористость для доступа электролит и электронная непрерывность гарантировать обмен заряда на токоприемники.

Ячейки цилиндрические изготавливаются. и собран следующим образом. Электролиты формируются из паст активных материалы порошки, связующие, растворители, и добавки и подаются на покрытие машины выкладывать на токоприемник фольга, например алюминиевая для катодная сторона и медь для анода сторона. Последующее ведение календаря для однородная толщина и частицы после размера следует разрезать до нужного ширина. Затем компоненты уложены на сепаратор-анод-катод-сепаратор стопки с последующей намоткой на цилиндрические ячейки, вставки в цилиндрические корпуса, и сварка проводки таб.Затем ячейки заполняются электролит. Электролит должен смачиваться разделитель, впитайте и смочите электроды. Процесс смачивания и замачивания это самый медленный шаг и поэтому является определяющим фактором скорости линии. Все остальные необходимые изоляторы, затем устанавливаются пломбы и предохранительные устройства. и подключен. Тогда клетки заряжаются с первого раза и тестируются. Часто необходимо вентилировать клетки во время первая зарядка. Далее следуют первые циклы зарядки. сложные протоколы для улучшения производительность, поведение на велосипеде и срок службы ячеек.В последнее время усилия были произведены в сочетании и гибридная обработка, такая как прямое осаждение разделителей на электроды и быстрые термообработки.

АНАЛИЗ РАСХОДОВ НА АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ

Требования к аккумуляторной батарее для HEV отличаются от таковых для PHEV и электромобили. 6 Программа Министерства энергетики целевые производственные цены от $ 500 до 800 долларов США за аккумуляторные блоки HEV и 1700 долларов США до 3400 долларов за аккумуляторные блоки PHEV.

Материальные потребности и сырье Затраты на материалы
Потребности в сырье и затраты на основе исследования Л. Гейнса и Р. Куэнса. 15 Стандартная цилиндрическая ячейка это так называемая ячейка 18650 (18 мм шириной и длиной 65 мм), которая имеет общую масса около 40 г (включая неактивные материал и упаковка) и емкость около 1,35 Ач. 16 Масса материала необходимо для аккумуляторных батарей HEV и EV ячейки показаны в таблице I.

Из таблицы I можно оценить, что емкость ячеек примерно зависит от масса. Хотя упаковка в составе всего для большой батареи меньше чем у маленькой батареи, общая масса батареи на 10 Ач составляет примерно 325 г, а общая масса ячейки 100 Ач составляет примерно 3430 г. Таким образом, расчет стоимости материалы можно получить, увеличив масштаб затраты на материалы в ячейке 18650 на в 10 раз для HEV и в раз 100 для электромобилей.Большинство конструкций батарей в результате батарейки в общей сложности около 100 ячеек в нескольких модулях (например, как 12 × 8, 10 × 10 или аналогичный).


Таблица I. Расчетное содержание материалов в типичных литий-ионных элементах (на основе ссылки 15)
Высокоэнергетический (100 Ач) элемент EV
Ячейка повышенной мощности (10 Ач) HEV
Материал / компонент Количество (г) Часть (%) Количество (г) Деталь (%)
Анод (сухой)
Активный материал (графит) 563.6 16,4 14,1 4,3
Папка 69,7 2,0 3,1 1,0
Токосъемник (Cu) 151,9 4,4 41,6 12,8
Катод (сухой)
Активный материал 1,408.6 41,0 74,4 22,9
Углерод 46,4 1,4 3,2 1,0
Папка 92,9 2,7 6,3 1,9
Токосъемник (Al) 63,0 1,8 19.4 6,0
Электролит 618,0 18,0 44,0 13,5
Сепаратор 60,5 1,8 16,4 5,0
Остальная часть ячейки
Выступы, концевые пластины, клеммные блоки 66.2 1,9 32,2 9,9
Ядро 0,9 0,0
Контейнер 291,0 8,5 70,1 21,6
Итого 3 432,7 324.8

Например, затраты на материалы для элемента 18650 на основе LiCoO 2 (включая обработка материалов) может быть оценивается примерно в 1,28 доллара за весь клетка. 15

Обработка материалов очень сложна отделить от стоимости материалов и поэтому включается в стоимость материалов в этом разделе. Кроме того, стоимость обработки материалов меняется резко с разными материалами и поэтому может считаться зависящим от материала.Однако новая обработка методы могут снизить текущий максимум стоимость сырья.

Затраты на производство и оплату труда
Современное производство цилиндрическая ячейка на производственной линии включает смешивание и нанесение покрытия, календарная обработка резка, резка, намотка, сварка язычков, автоматизированная сборка и проверка с последующим тестированием, ездой на велосипеде и упаковка. Произвести 100000 единиц в год требуется общая рабочая сила От 76 до 104 человек, работающих на двух линиях в две смены.Гейнс и Куэнса 15 по оценкам стоимость рабочей силы на ячейку и накладные расходы стоит 0,42 доллара на основе 18650 сотовый.

Общая стоимость
Общая стоимость 18650 ячеек в сумме составляет примерно 1,70 доллара. Масштабирование до аккумуляторов HEV дает 1700 долларов (вдвое дороже цель). Для Аккумуляторы для электромобилей пока нет. Однако, исходя из этот расчет, можно было бы вычислить весьма неопределенная оценка в 17000 долларов на батарею.

Оценка показывает, что для достижения целей, необходимы огромные усилия, чтобы снизить стоимость обработки, стоимость материалов, и количество необходимого материала.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нет сомнений в том, что литий-ионный клеточная химия предлагает одни из лучших варианты хранения электроэнергии для приложения с высокой и высокой мощностью такие как транспортные и стационарные хранение за счет их электрохимических потенциал, теоретические возможности и плотность энергии.Однако по оценкам стоимость батареи для примера приложения HEV все еще вдвое выше целевой цены учреждено USABC и DOE. С ростом цен на нефть немного выше цена, которую цель может уже получить достаточно потребительского признания для успешный выход на рынок. Однако цена еще впереди вниз.

Есть четкие потребности в областях разработки материалов, оптимизации, и обработка. Расчеты выше отдельно между материалами и затраты на оплату труда.Однако это практически невозможно разделить затраты на сырье от затрат на обработку материалов, потому что мы никогда не используем чистое сырье в процесс; скорее, мы используем материальные соединения которые подходят для применения и это наименее дорогие в производство. Кроме того, даже сырье и материальные соединения имеют обработано. Таким образом, новые недорогие методы обработки этих материалов и соединения должны быть разработаны чтобы свести к минимуму сырые батареи стоимость материала.

Требуются работы по гибридным технологиям такие как сочетание недорогих навозной жижи техники с методами лечения заменить задачи, которые в настоящее время выполняется в два разных этапа. Высокоскоростной процедуры, такие как лучистая обработка, необходимо оптимизировать, чтобы заменить медленные печные процедуры. Инвестиции затраты и время производства должны быть минимизированным, чтобы сделать их выполнимыми для аккумуляторные приложения. Кроме того, гибрид материалы, которые могут выполнять функции из двух или более компонентов в настоящее время в использовании должны быть разработаны и встроены в батареи (например,г., цельный или высоковязкие электролиты, не нужны сепараторы, имеют усиленный литий обменное поведение, намочите электрод, и образуют хорошую связь).

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает признательность. поддержка Дэвида Хауэлла (Энергия Руководитель программы НИОКР по хранению, Транспортное средство Программа технологий, Управление энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии, Департамент энергетики) и Раймонд Боеман (директор транспортной программы, Окриджская национальная лаборатория), руководство от Крейга Блю и плодотворные дискуссии с Нэнси Дадни и многие другие коллеги.Это исследование в Национальной лаборатории Ок-Ридж, под управлением ООО «ЮТ-Баттель» для Министерство энергетики США под контракт DE-AC05-00OR22725, имеет спонсируется Vehicle Technologies Программа для Управления энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии.

ССЫЛКИ

1. World Batteries, Промышленное исследование с прогнозами до 2010 и 2015 (Исследование № 2095) (Кливленд, Огайо: Freedonia Группа, 2006).
2. Федеральное министерство образования и науки Германии, Innovation Alliance, Литий-ионная батарея, 2015 г. (2008 г.), http://www.bmbf.de/de/11828.php.
3. Расчеты Национальной лаборатории Ок-Ридж основаны на по информации Управления энергетической информации, Агентство по охране окружающей среды США, KEMA, и Университет штата Делавэр (2008 г.).
4. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о проделанной работе за 2006 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление FreedomCAR и транспортных технологий, U.С. Министерство энергетики, 2007 г.).
5. FreedomCAR и Fuel Partnership and United State Advanced Battery Consortium, Электрохимический Техническая группа по хранению энергии Разработка технологий Дорожная карта (Саутфилд, Мичиган: USCAR, 2006).
6. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о проделанной работе за 2007 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление автомобильных технологий, Департамент США. энергетики, 2008).
7. Дж. Гуденаф, H.D. Абруна, М. Бьюкенен, редакторы журнала "Потребности в фундаментальных исследованиях в области электроэнергетики" Хранение (Вашингтон, Д.C .: Управление фундаментальных энергетических наук, Министерство энергетики США, 2007 г.).
8. Х.А. Кене, редактор, Справочник по аккумуляторным технологиям , 2-е издание (Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 2003).
9. Дж. Безенхард, редактор, Справочник материалов для батарей (Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH, 1999).
10. Дадни Н.Дж., Нойдекер Б.Дж., Твердотельные тонкие Системы пленочных литиевых батарей, Curr. Opin. Твердое состояние Мат. Sci., 4 (5) (1999), стр. 479482.
11. А.К. Шукла и Т. Кумар, Материалы для Next- Литиевые батареи поколения, Curr. Sci. , 94 (3) (2008), С. 314331.
12. M.S. Уиттингем, Материалы, с которыми сталкиваются проблемы Накопитель электроэнергии, Бюллетень MRS , 33 (4) (2008), стр. 411419.
13. Дж. Ньюман, К. Монро, Влияние эластичности Деформация в кинетике осаждения лития / полимера Интерфейсы, J. Electrochem. Soc. 152 (2) (2005), стр.A396A404.
14. P. Arora, Z. Zhang, Battery Separators, Chem. Ред. , 104 (2004), стр. 44194462.
15. Л. Гейнс, Р. Куэнса, Стоимость литий-ионных батарей. для транспортных средств (Отчет ANL / ESD-42) (Аргонн, Иллинойс: Аргоннская национальная лаборатория, 2000 г.).
16. Дж. Карконе, Обновленная информация о литий-ионных батареях (документ представлен на 15-м международном семинаре и выставке по первичным и вторичным батареям, Форт-Лодердейл, Флорида, 25 марта 1998 г.).

Клаус Даниэль работает с отделом обработки материалов Группа, Отделение материаловедения и технологий, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси, а также Департамент материалов Наука и техника, Университет Теннесси, Ноксвилл, Теннесси. С доктором Дэниелом можно связаться по телефону (865). 241-9521; электронная почта [email protected]

Solid State Battery - обзор

Твердые электролиты

Одним из ключевых компонентов, обеспечивающих возможность перезаряжаемой технологии ASSB, является твердый электролит.Твердые электролиты, подробно описанные в разделе 4, должны удовлетворять таким технологическим требованиям, как высокая ионная проводимость в сочетании с незначительной электронной проводимостью, широким диапазоном напряжений, химической совместимостью с материалами катода и анода, а также относительно простое производство в больших масштабах с низкой стоимостью. (Manthiram et al., 2017). Как правило, твердые литиевые или натрий-ионные проводники подразделяются на три класса, которые могут дополнять друг друга для удовлетворения этих требований: (1) неорганические стеклообразные или керамические соединения; (2) органические полимеры и (3) композитные или гибридные электролиты, состоящие из комбинации первых двух классов материалов (Manthiram et al., 2017; Hou et al., 2018a; Zheng et al., 2018).

Перенос ионов в твердых неорганических электролитах определяется концентрацией подвижных ионов и вакансий, относительными размерами связанных проводящих путей в кристаллических структурах с точечными дефектами Шоттки и Френкеля, а также свойствами диффузии ионов на границах зерен (Hou et al. , 2018а, б; Zheng et al., 2018). Перспективные твердые неорганические литий-ионные электролиты включают аморфный оксинитрид фосфора лития (LiPON) и с проводимостью при комнатной температуре до нескольких мСм см - 1 Стеклокерамика на основе сульфида лития, фосфат типа NASICON [Li 1 + x Al x Ti 2 - x (PO 4 ) 3 (LATP)] и оксид типа граната [Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO)] керамические электролиты.Типичные твердые неорганические электролиты для Na (-ион) ASSB, также обладающие относительно высокой ионной проводимостью при комнатной температуре более 1 мСм см - 1 , включают Na-β ″ -оксид алюминия, суперионные проводники Na [NASICON, т.е. Na 3,1 Zr 1,95 Mg 0,05 Si 2 PO 12 (Song et al., 2016)], сульфиды (например, Na 3 PS 4, Na 10,8 Sn 1,9 PS 11,8 ) и комплексные гидриды (например, боргидрид натрия) (Yu et al., 2018b; Hou et al., 2018a, b).

Твердые полимерные электролиты, как правило, имеют значительно более низкую ионную проводимость, чем керамические электролиты, но демонстрируют механическую гибкость, малый вес, удобство процесса изготовления и возможность изменения объема электродов во время заряда / разряда. В твердых полимерных электролитах соли Li или Na сольватированы полимерными цепями, например, в полимерах на основе полиэтиленоксида (PEO) или полисилоксана, и ионы Li или Na перемещаются через связанные полимерные цепи.Ионная проводимость твердого полимерного электролита связана с количеством подвижных ионов и сегментарными движениями полимерных цепей. Перенос ионов в связанных полимерных цепях может быть заблокирован сегментами кристаллической цепи, которые образуются ниже температуры стеклования ( T г ). T г можно снизить, например, добавив наноразмерные наполнители. Однако относительно низкая ионная проводимость при комнатной температуре по-прежнему представляет собой главный недостаток полимерных электролитов (Zheng et al., 2018; Hou et al., 2018a, b).

Композитные или гибридные электролиты, сочетающие в себе преимущества (стеклокерамических) и полимерных ионных проводников, обеспечивают улучшенную ионную проводимость с высокой гибкостью для снижения межфазного сопротивления между твердыми электролитами и электродами (Zheng et al., 2018; Hou et al. , 2018а, б).

Обзор моделирования анодной межфазной границы твердого электролита (SEI) для литий-ионных батарей

  • 1.

    Тараскон, Дж. М. и Арман, М. Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются литиевые аккумуляторные батареи. Nature 414 , 359–367 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 2.

    Zu, C.-X. & Ли, Х. Термодинамический анализ плотности энергии батарей. Energy Environ. Sci. 4 , 2614–2624 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 3.

    Гуденаф, Дж. Б. и Парк, К.-С. Литий-ионная аккумуляторная батарея: перспектива. J. Am. Chem. Soc. 135 , 1167–1176 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 4.

    Дей А. Н. Формирование пленки на литиевом аноде в пропиленкарбонате. J. Electrochem. Soc. 117 , C248 (1970).

    Артикул Google Scholar

  • 5.

    Пелед Э. Электрохимическое поведение щелочных и щелочноземельных металлов в неводных аккумуляторных системах - межфазная модель твердого электролита. J. Electrochem. Soc. 126 , 2047–2051 (1979).

    Артикул Google Scholar

  • 6.

    Пелед Е., Голодницкий Д. и Ардел Г. Усовершенствованная модель межфазных электродов из твердого электролита в жидких и полимерных электролитах. J. Electrochem. Soc. 144 , L208 – L210 (1997).

    Артикул Google Scholar

  • 7.

    Аурбах, Д.и другие. Новое понимание взаимодействия электродных материалов и растворов электролитов для современных неводных батарей. J. Источники энергии 81 , 95–111 (1999).

    Артикул Google Scholar

  • 8.

    Winter, M. Межфазная фаза твердого электролита - наиболее важный и наименее изученный твердый электролит в перезаряжаемых литиевых батареях. Z. Fur Phys. Chem. 223 , 1395–1406 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 9.

    Verma, P., Maire, P. и Novak, P. Обзор характеристик и анализ межфазной границы твердого электролита в литий-ионных батареях. Электрохим. Acta 55 , 6332–6341 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 10.

    Гуденаф, Дж. Б. и Ким, Ю. Проблемы перезаряжаемых литиевых батарей. Chem.Матер. 22 , 587–603 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 11.

    Xing, L., Borodin, O., Smith, G. D. & Li, W. Изучение функциональной теории плотности роли анионов в реакции окислительного разложения пропиленкарбоната. J. Phys. Chem. A. 115 , 13896–13905 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 12.

    Чжан Х.Р., Пью, Дж. К. и Росс, П. Н. Расчет термодинамических потенциалов окисления органических растворителей с использованием теории функционала плотности. J. Electrochem. Soc. 148 , E183 – E188 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 13.

    Бородин О. и Джоу Т. Р. в разделе Неводные электролиты для литиевых батарей . Vol. 33 Сделки ECS (ред. Б. Лучт, В. А. Хендерсон, Т. Р. Джоу и М.Ue) 77–84 (Электрохимическое общество, Нью-Джерси, 2011).

  • 14.

    Ли Т. и Балбуэна П. Б. Теоретические исследования восстановления этиленкарбоната. Chem. Phys. Lett. 317 , 421–429 (2000).

    Артикул Google Scholar

  • 15.

    Ван, Ю. Х., Накамура, С., Уэ, М. и Балбуэна, П. Б. Теоретические исследования для понимания химии поверхности угольных анодов для литий-ионных аккумуляторов: механизмы восстановления этиленкарбоната. J. Am. Chem. Soc. 123 , 11708–11718 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 16.

    Gauthier, M. et al. Интерфейс электрод – электролит в литий-ионных аккумуляторах: текущее понимание и новые идеи. J. Phys. Chem. Lett. 6 , 4653–4672 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 17.

    Delp, S.A. et al. Важность восстановления и устойчивости к окислению высоковольтных электролитов и присадок. Электрохим. Acta 209 , 498–510 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 18.

    Ву Ф., Бородин О. и Юшин Г. Защита поверхности на месте для повышения стабильности и производительности катодов конверсионного типа. MRS Energ. Поддерживать. 4 , E9 (2017).

  • 19.

    Сео, Д. М., Бородин, О., Хан, С.-Д., Бойл, П. Д., Хендерсон, В. А. Сольватация электролитов и ионная ассоциация II.Смеси ацетонитрил-литиевых солей: высокодиссоциированные соли. J. Electrochem. Soc. 159 , A1489 – A1500 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 20.

    Бородин О. и др. Моделирование электрохимической стабильности электролита аккумулятора и межфазной структуры. В соотв. Chem. Res. 50 , 2886–2894 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 21.

    Vetter, J. et al. Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 147 , 269–281 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 22.

    Сюй, К. Неводные жидкие электролиты для литиевых аккумуляторных батарей. Chem. Ред. 104 , 4303–4417 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 23.

    Сюй, К.Электролиты и межфазные границы в литий-ионных аккумуляторах и не только. Chem. Ред. 114 , 11503–11618 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 24.

    Агубра В. А. и Фергус Дж. У. Формирование и стабильность границы раздела твердого электролита на графитовом аноде. J. Источники энергии 268 , 153–162 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 25.

    An, S.J. et al. Состояние понимания межфазной границы твердого электролита с графитом литий-ионных аккумуляторов (SEI) и ее связи с цикличностью пласта. Карбон Нью-Йорк 105 , 52–76 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 26.

    Назри Г. и Мюллер Р. Х. Состав поверхностных слоев на литиевых электродах в ПК, LiClO 4 с очень низким содержанием воды. J. Electrochem. Soc. 132 , 2050–2054 (1985).

    Артикул Google Scholar

  • 27.

    Aurbach, D., Daroux, M. L., Faguy, P. W. & Yeager, E. Идентификация поверхностных пленок, образованных на литии в растворах пропиленкарбоната. J. Electrochem. Soc. 134 , 1611–1620 (1987).

    Артикул Google Scholar

  • 28.

    Канамура, К., Тамура, Х. и Такехара, З.-И. XPS-анализ поверхности лития, погруженной в раствор пропиленкарбоната, содержащий различные соли. J. Electroanal. Chem. 333 , 127–142 (1992).

    Артикул Google Scholar

  • 29.

    Канамура К., Тамура Х., Шираиши С. и Такехара Зи XPS-анализ литиевых поверхностей после погружения в различные растворители, содержащие LiBF 4 . J. Electrochem. Soc. 142 , 340–347 (1995).

    Артикул Google Scholar

  • 30.

    Лу, П. и Харрис, С. Дж. Транспорт лития в межфазной границе твердого электролита. Electrochem. Commun. 13 , 1035–1037 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 31.

    Shi, S.Q. et al. Прямой расчет литий-ионного транспорта в межфазной границе твердого электролита. J. Am. Chem. Soc. 134 , 15476–15487 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 32.

    v. Cresce, A., Russell, S.M, Baker, D.R., Gaskell, K.J. & Xu, K. In situ и количественная характеристика межфазных фаз твердых электролитов. Nano. Lett. 14 , 1405–1412 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 33.

    Zheng, J. et al. Трехмерная визуализация неоднородной многослойной структуры и модуля Юнга межфазной границы твердого электролита (SEI) на кремниевых анодах для литий-ионных аккумуляторов. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 , 13229–13238 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 34.

    Zhang, Q. L. et al. Синергетические эффекты неорганических компонентов в межфазной фазе твердого электролита на высокий КПД литий-ионных аккумуляторов. Nano Lett. 16 , 2011–2016 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 35.

    Слейн, С.М. и Фостер, Д. Л. Литий-ионная перезаряжаемая интеркаляционная ячейка. US1076-H; CA2053746-A (1992).

  • 36.

    Zhang, W.-J. Обзор электрохимических характеристик легированных анодов для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 196 , 13–24 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 37.

    Xu, W. et al. Литий-металлические аноды для аккумуляторных батарей. Energy Environ. Sci. 7 , 513–537 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 38.

    Li, Y., Leung, K. & Qi, Y. Вычислительное исследование границы раздела Li-электрод / электролит в присутствии межфазного слоя твердый электролит нанометровой толщины. В соотв. Chem. Res. 49 , 2363–2370 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 39.

    Zhang, K., Lee, G.-H., Park, M., Li, W. & Kang, Y.-M. Последние разработки литий-металлического анода для аккумуляторных неводных батарей. Adv. Энергия Матер . 6 , 1600811 (2016).

  • 40.

    Cheng, X. B. et al. Обзор межфазных границ твердого электролита на аноде из металлического лития. Adv. Sci. 3 , 1500213 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 41.

    Лин, Д., Лю, Ю. и Цуй, Ю. Восстановление металлического литиевого анода для высокоэнергетических батарей. Nat. Нанотех. 12 , 194–206 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 42.

    Фонг Р., Фон Сакен У. и Дан Дж. Р. Исследования интеркаляции лития в углерод с использованием неводных электрохимических ячеек. J. Electrochem. Soc. 137 , 2009–2013 (1990).

    Артикул Google Scholar

  • 43.

    Наджи, А., Ганбаджа, Дж., Humbert, B., Willmann, P. & Billaud, D. Электровосстановление графита в LiClO 4 -этиленкарбонатном электролите. определение характеристик пассивирующего слоя с помощью просвечивающей электронной микроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. J. Источники энергии 63 , 33–39 (1996).

    Артикул Google Scholar

  • 44.

    Новак П., Йохо Ф., Имхоф Р., Паниц Дж. К. и Хаас О. Исследование взаимодействия графита и растворов электролита на месте. J. Источники энергии 81 , 212–216 (1999).

    Артикул Google Scholar

  • 45.

    Сото, Ф. А., Мартинес де ла Ос, Дж. М., Семинарио, Дж. М. и Бальбуэна, П. Б. Моделирование межфазных явлений твердый электролит в кремниевых анодах. Curr. Opin. Chem. Англ. 13 , 179–185 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 46.

    Meng, Y.С. и Арройо-де Домпабло, М. Е. Первые принципы проектирования вычислительных материалов для материалов для хранения энергии в литий-ионных батареях. Energy Environ. Sci. 2 , 589–609 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 47.

    Оуян, К. и Чен, Л. Физика в отношении материалов литиевых вторичных батарей нового поколения: краткий обзор с точки зрения проектирования вычислительных материалов. Sci. China Phys. Мех. 56 , 2278–2292 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 48.

    Франко А.А. Мультимасштабное моделирование и численное моделирование перезаряжаемых литий-ионных батарей: концепции, методы и проблемы. RSC Adv. 3 , 13027–13058 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 49.

    Редди, В. П., Бланко, М. и Бугга, Р. Анионные рецепторы на основе бора в литий-ионных и металл-воздушных батареях. J. Источники энергии 247 , 813–820 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 50.

    Shi, S. et al. Методы многомасштабных вычислений: их применение в исследованиях и разработках литий-ионных аккумуляторов. Подбородок. Phys. В 25 , 018212 (2016).

  • 51.

    Грациоли, Д., Магри, М. и Сальвадори, А. Вычислительное моделирование литий-ионных аккумуляторов. Comput. Мех. 58 , 889–909 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 52.

    Урбан, А., Сео, Д. Х. и Седер, Г. Вычислительное понимание литий-ионных аккумуляторов. NPJ Comput. Матер. 2 , 16002 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 53.

    Гальвес-Аранда, Д. Э., Понсе, В. и Семинарио, Дж. М. Молекулярно-динамическое моделирование первого заряда литий-ионной нанобатареи с кремнием анодом. J. Mol. Модель. 23 , 120 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 54.

    Balbuena, P. B. in Review on Electrochemical Storage Materials and Technology. Vol. 1597, AIP Conference Proceedings (ред. Д. К. Мейер и Т. Лейзеганг) 82–97 (Американский институт физики, Нью-Йорк, 2014 г.).

  • 55.

    Ramos-Sanchez, G. et al. Расчетные исследования межфазных реакций на анодных материалах: начальные этапы формирования межфазного слоя твердый электролит. J. Electrochem. En. Конв. Stor. 13 , 031002 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 56.

    Мартинес де ла Хоз, Дж. М., Сото, Ф. А. и Бальбуэна, П. Б. Влияние состава электролита на реакции SEI на кремниевых анодах литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. Chem. С 119 , 7060–7068 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 57.

    Камачо-Фореро, Л. Э., Смит, Т. В. и Балбуэна, П. Б. Влияние высокой и низкой концентрации соли в электролитах на поверхности литий-металлических анодов. J. Phys. Chem. С 121 , 182–194 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 58.

    Блинт, Р. Дж. Связывание простых и карбонильных атомов кислорода с ионом лития. J. Electrochem. Soc. 142 , 696–702 (1995).

    Артикул Google Scholar

  • 59.

    Аурбах Д., Леви М. Д., Леви Э. и Шехтер А. Механизмы отказа и стабилизации графитовых электродов. J. Phys. Chem. B 101 , 2195–2206 (1997).

    Артикул Google Scholar

  • 60.

    Ю., Дж., Балбуэна, П. Б., Будзиен, Дж. И Леунг, К. Статические и молекулярно-динамические исследования избыточных электронов в жидком этиленкарбонате на основе функциональных гибридных методов DFT. J. Electrochem. Soc. 158 , A400 – A410 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 61.

    Xu, M. et al. Исследование и применение дифтор (оксалат) бората лития (LiDFOB) в качестве добавки для повышения термической стабильности электролита для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 196 , 6794–6801 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 62.

    Leung, K. & Budzien, J. L. Ab initio молекулярно-динамическое моделирование начальных стадий межфазного образования твердого электролита на графитовых анодах литий-ионных аккумуляторов. Phys. Chem. Chem. Phys. 12 , 6583–6586 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 63.

    Бедров Д., Смит Г. Д. и ван Дуин А. С. Т. Реакции однократно восстановленного этиленкарбоната в электролитах литиевых батарей: исследование молекулярной динамики с использованием ReaxFF. J. Phys. Chem. A. 116 , 2978–2985 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 64.

    Мартинес де ла Хоз, Дж. М., Леунг, К. и Балбуэна, П. Б. Механизмы восстановления этиленкарбоната на кремниевых анодах литий-ионных батарей: влияние степени литиирования и природы открытой поверхности. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 5 , 13457–13465 (2013).

  • 65.

    Леунг, К. Двухэлектронное восстановление этиленкарбоната: новое исследование механизмов квантовой химии. Chem. Phys. Lett. 568-569 , 1–8 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 66.

    Леунг К. и Тенни К. М. Прогнозирование первых принципов зависимости напряжения межфазных процессов электролит / электролит в литий-ионных батареях. J. Phys. Chem. С. 117 , 24224–24235 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 67.

    Окамото Ю. Расчеты ab initio механизма термического разложения электролитов на основе LiPF6 для литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 160 , A404 – A409 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 68.

    Леунг, К. Прогнозирование зависимости напряжения межфазных электрохимических процессов на краевых плоскостях из интеркалированного литием графита. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 , 1637–1643 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 69.

    Islam, M. M. & van Duin, A.C. T. Восстановительные реакции разложения этиленкарбоната за счет явного переноса электрона от лития: исследование молекулярной динамики eReaxFF. J. Phys. Chem. С. 120 , 27128–27134 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 70.

    Hammer, N. I. et al. Дипольные анионы высокополярных молекул: этиленкарбоната и виниленкарбоната. J. Chem. Phys. 120 , 685–690 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 71.

    Jin, Y. et al. Выявление структурной основы повышенной стабильности межфазной границы твердого электролита, образованной на кремнии с добавкой фторэтиленкарбоната. J. Am. Chem. Soc. 139 , 14992–15004 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 72.

    Onuki, M. et al. Идентификация источника выделяющегося газа в литий-ионных батареях с использованием (13) C-меченных растворителей. J. Electrochem. Soc. 155 , A794 – A797 (2008).

    Артикул Google Scholar

  • 73.

    Шкроб, И. А., Чжу, Ю., Марин, Т. В. и Абрахам, Д. Уменьшение содержания карбонатных электролитов и образование поверхности раздела твердый электролит (SEI) в литий-ионных батареях. 1. Спектроскопические наблюдения радикальных интермедиатов, образующихся при одноэлектронном восстановлении карбонатов. J. Phys. Chem. C 117 , 19255–19269 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 74.

    Тасаки, К. Изучение разложения растворителей и физических свойств соединений разложения в электролитах литий-ионных аккумуляторов с помощью расчетов методом DFT и молекулярно-динамического моделирования. J. Phys. Chem. B 109 , 2920–2933 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 75.

    Бородин О. и Смит Г. Д. Квантовая химия и моделирование молекулярной динамики электролитов диметилкарбонат: этиленкарбонат, легированных LiPF 6 . J. Phys. Chem. Б. 113 , 1763–1776 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 76.

    Бородин, О. Развитие поляризуемого силового поля и молекулярно-динамическое моделирование ионных жидкостей. J. Phys. Chem. B. 113 , 11463–11478 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 77.

    Seo, D. M. et al. Сольватация электролитов и ионная ассоциация I.Смеси ацетонитрил-литиевых солей: промежуточные и высокоассоциированные соли. J. Electrochem. Soc. 159 , A553 – A565 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 78.

    Ким, С. П., ван Дуин, А. С. Т. и Шеной, В. Б. Влияние электролитов на структуру и эволюцию межфазной границы твердого электролита (SEI) в литий-ионных батареях: исследование молекулярной динамики. J. Источники энергии 196 , 8590–8597 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 79.

    Бородин, О., Ольгин, М., Спир, К. Э., Лейтер, К. В. и Кнап, Дж. К высокопроизводительному скринингу электрохимической стабильности электролитов аккумуляторных батарей. Нанотехнологии 26 , 354003 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 80.

    Бородин О. и др. Проблемы, связанные с проверкой электрохимической стабильности электролитов литиевых батарей на основе квантовой химии. ECS Trans. 69 , 113–123 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 81.

    Кэмпион, К. Л., Ли, В. Т. и Лухт, Б. Л. Термическое разложение электролитов на основе LiPF 6 для литий-ионных батарей. J. Electrochem. Soc. 152 , A2327 – A2334 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 82.

    Аурбах, Д., Мошкович, М., Коэн, Ю. и Шехтер, А. Исследование образования поверхностной пленки на электродах из благородных металлов в растворах алкилкарбонатов / солей лития с одновременным использованием in situ AFM, EQCM, FTIR и EIS. Langmuir 15 , 2947–2960 (1999).

    Артикул Google Scholar

  • 83.

    Леунг, К. Моделирование электронной структуры электрохимических реакций на границах раздела электрод / электролит в литий-ионных батареях. J. Phys. Chem. C 117 , 1539–1547 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 84.

    Wang, Y. X. & Balbuena, P. B. Теоретические исследования совместной сольватации иона лития и восстановительного разложения растворителем в бинарных смесях алифатических карбонатов. Внутр. J. Quantum Chem. 102 , 724–733 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 85.

    Тасаки К., Канда К., Накамура С. и Уэ М. Разложение LiPF 6 и стабильность PF 5 в электролитах литий-ионных аккумуляторов - теория функционала плотности и исследования молекулярной динамики. J. Electrochem. Soc. 150 , A1628 – A1636 (2003).

    Артикул Google Scholar

  • 86.

    Kim, H. et al. Формирование на месте защитных покрытий на серных катодах литиевых аккумуляторов с использованием органических электролитов на основе LiFSI. Adv. Energy Mater. 5 , 1401792 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 87.

    Suo, L. et al. Усовершенствованная высоковольтная литий-ионная аккумуляторная батарея на водной основе с использованием электролита «вода в бисоле». Angew. Chem. Int. Эд. 55 , 7136–7141 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 88.

    Suo, L. et al. Как образуется межфазная фаза твердого электролита в водных электролитах. J. Am. Chem. Soc. 139 , 18670–18680 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 89.

    Кресче, А. В., Бородин, О. и Сюй, К. Сопоставление структуры сольватной оболочки Li + с межфазной химией на графите. J. Phys. Chem. С 116 , 26111–26117 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 90.

    Owejan, J.Э., Оведжан, Дж. П., ДеКалуве, С. К. и Дура, Дж. А. Межфазная фаза твердого электролита в литий-ионных батареях: эволюционирующие структуры, измеренные на месте с помощью нейтронной рефлектометрии. Chem. Матер. 24 , 2133–2140 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 91.

    Ватаману, Дж., Бородин, О. и Смит, Г. Д. Исследования с помощью моделирования молекулярной динамики структуры смеси карбонат / LiPF 6 Электролит вблизи поверхности графита в зависимости от потенциала электрода. J. Phys. Chem. С 116 , 1114–1121 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 92.

    Йорн, Р., Кумар, Р., Абрахам, Д. П. и Вот, Г. А. Атомистическое моделирование границы раздела электрод-электролит в литий-ионных системах накопления энергии: структурирование электролита. J. Phys. Chem. С 117 , 3747–3761 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 93.

    Бойер, М. Дж., Вилчаускас, Л. и Хванг, Г. С. Структура и перенос ионов Li + в смешанном электролите карбонат / LiPF 6 вблизи поверхностей графитовых электродов: исследование молекулярной динамики. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 27868–27876 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 94.

    Понсе, В., Гальвес-Аранда, Д. Э. и Семинарио, Дж. М. Анализ литий-ионной нанобатареи с графитовым анодом с использованием моделирования молекулярной динамики. J. Phys. Chem. С. 121 , 12959–12971 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 95.

    Ватаману, Д., Бедров, Д. и Бородин, О. О применении методов моделирования постоянного электродного потенциала в атомистическом моделировании двойных электрических слоев. Мол. Simula. 43 , 838–849 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 96.

    Ганеш П., Кент П. Р. и Цзян Д.-Э. Межфазное образование твердого электролита и восстановление электролита на графитовых анодах литий-ионных аккумуляторов: выводы из первых принципов молекулярной динамики. J. Phys. Chem. С. 116 , 24476–24481 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 97.

    Эбади, М., Бранделл, Д. и Арауджо, К. М. Разложение электролита на Li-металлических поверхностях из теории первых принципов. J. Chem. Phys. 145 , 204701 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 98.

    Ма, Ю. и Балбуэна, П. Б. Исследование DFT механизмов восстановления этиленкарбоната и фторэтиленкарбоната на кластерах Si, адсорбированных Li + . J. Electrochem. Soc. 161 , E3097 – E3109 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 99.

    Морадабади А., Бахтиари М. и Кагазчи П. Влияние состава анода на межфазное образование твердого электролита. Электрохим. Acta 213 , 8–13 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 100.

    Камачо-Фореро, Л. Э., Смит, Т. У., Бертолини, С. и Бальбуэна, П. Б. Реакционная способность литий-металлической анодной поверхности литий-серных батарей. J. Phys. Chem. С 119 , 26828–26839 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 101.

    Лю, З., Бертолини, С., Балбуэна, П. Б. и Мукерджи, П. П. Формирование пленки Li2S на поверхности литиевого анода Li – S аккумуляторов. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 4700–4708 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 102.

    Nandasiri, M. I. et al. Химическая визуализация in situ эволюции межфазного слоя твердого электролита в Li – S батареях. Chem. Матер. 29 , 4728–4737 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 103.

    Ханкинс К., Сото Ф. А. и Балбуэна П. Б. Анализ интеркаляции Li и образования SEI на нанокластерах LiSi. J. Electrochem. Soc. 164 , E3457 – E3464 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 104.

    Леунг К. и Линхеер А.Как падения напряжения проявляются конфигурациями ионов лития на границах раздела и в тонких пленках на электродах батареи. J. Phys. Chem. С 119 , 10234–10246 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 105.

    Метекар, Р. Н., Нортроп, П. В. К., Чен, К., Браатц, Р. Д. и Субраманиан, В. Р. Кинетическое моделирование методом Монте-Карло неоднородности поверхности графитовых анодов для литий-ионных батарей: формирование пассивного слоя. J. Electrochem. Soc. 158 , A363 – A370 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 106.

    Ван, Ю. Х. и Балбуэна, П. Б. Ассоциации алкилдикарбонатов лития через взаимодействия O ··· Li ··· O. J. Phys. Chem. A 106 , 9582–9594 (2002).

    Артикул Google Scholar

  • 107.

    Уширогата К., Содеяма К., Футера, З., Татеяма, Ю. и Окуно, Ю. Механизм прибрежной агрегации продуктов разложения электролита для объяснения межфазного образования твердого электролита. J. Electrochem. Soc. 162 , A2670 – A2678 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 108.

    Takenaka, N., Suzuki, Y., Sakai, H. & Nagaoka, M. О электролитозависимом образовании межфазной пленки твердого электролита в литий-ионных батареях: высокая чувствительность к небольшим структурным различиям молекул электролита . J. Phys. Chem. С 118 , 10874–10882 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 109.

    Хао, Ф., Лю, З., Балбуэна, П. Б. и Мукерджи, П. П. Мезомасштабное объяснение образования межфазного слоя твердого электролита в аноде литий-ионной батареи. J. Phys. Chem. С 121 , 26233–26240 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 110.

    Balbuena, P. B. & Wang, Y. Литий-ионные батареи: твердоэлектролитная межфазная поверхность . (World Scientific, Сингапур, 2004 г.).

  • 111.

    Ван, Ю. Х. и Бальбуэна, П. Б. Теоретическое понимание восстановительного разложения пропиленкарбоната и виниленкарбоната: исследования теории функционала плотности. J. Phys. Chem. B 106 , 4486–4495 (2002).

    Артикул Google Scholar

  • 112.

    Мухопадхьяй, А., Токранов, А., Сяо, X. и Шелдон, Б. В. Развитие напряжений из-за поверхностных процессов в графитовых электродах для литий-ионных аккумуляторов: первый отчет. Электрохим. Acta 66 , 28–37 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 113.

    Тасаки, К., Голдберг, А. и Винтер, М. О различиях в циклическом поведении литий-ионных аккумуляторных элементов между электролитами на основе этиленкарбоната и пропиленкарбоната. Электрохим. Acta 56 , 10424–10435 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 114.

    Tasaki, K., Goldberg, A., Liang, J.-J. & Winter, M. in Неводные электролиты для литиевых батарей . Vol. 33, ECS Transactions (ред. Б. Лучт, В. А. Хендерсон, Т. Р. Джоу и М. У.) 59–69 (Электрохимическое общество, Нью-Джерси, 2011).

  • 115.

    Ли, О. С. и Кариньяно, М.A. Отслоение графена с интеркалированным электролитом: исследование с помощью моделирования молекулярной динамики. J. Phys. Chem. С 119 , 19415–19422 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 116.

    Guk, H., Kim, D., Choi, S.-H., Chung, DH & Han, SS Термостабильный искусственный интерфейсный слой твердого электролита, ковалентно связанный с графитом для литий-ионной батареи: моделирование молекулярной динамики . J. Electrochem. Soc. 163 , A917 – A922 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 117.

    Тасаки, К. Исследование функциональной теории плотности структурных и энергетических характеристик соединений интеркаляции графита. J. Phys. Chem. С 118 , 1443–1450 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 118.

    Bhatt, M. D. & O’Dwyer, C. Роль карбонатных и сульфитных добавок в электролитах на основе пропиленкарбоната в формировании слоев SEI на анодах графитовых литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 161 , A1415 – A1421 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 119.

    Ushirogata, K., Sodeyama, K., Okuno, Y. & Tateyama, Y. Аддитивный эффект на восстановительное разложение и связывание растворителя на основе карбоната с образованием межфазной фазы твердого электролита в литий-ионной батарее. J. Am. Chem. Soc. 135 , 11967–11974 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 120.

    Leung, K. et al. Моделирование электрохимического разложения фторэтиленкарбоната на кремниевых анодных поверхностях литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 161 , A213 – A221 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 121.

    Мартинес де ла Хоз, Дж. М. и Балбуэна, П. Б. Механизмы восстановления присадок на кремниевых анодах литий-ионных аккумуляторов. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 , 17091–17098 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 122.

    МакАртур, М. А., Трасслер, С. и Дан, Дж. Р. Исследования на месте роста слоя SEI на материалах электродов для литий-ионных батарей с использованием спектроскопической эллипсометрии. J. Electrochem. Soc. 159 , A198 – A207 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 123.

    Янг, З., Гевирт, А. А. и Трэхи, Л.Исследование влияния фторэтиленкарбоната на электроды литий-ионных аккумуляторов на основе олова. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7, (6557–6566 (2015).

    Google Scholar

  • 124.

    Xing, L., Li, W., Xu, M., Li, T. & Zhou, L. Восстановительный механизм этиленсульфита в качестве межфазной пленкообразующей добавки твердого электролита для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 196 , 7044–7047 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 125.

    Sun, Y. & Wang, Y. Новые взгляды на электровосстановление этиленсульфита как добавки к электролиту для облегчения образования межфазной границы твердого электролита в литий-ионных батареях. Phys. Chem. Chem. Phys. 19 , 6861–6870 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 126.

    Wrodnigg, G.H., Besenhard, J.O. & Winter, M. Этиленсульфит в качестве добавки к электролиту для литий-ионных элементов с графитовыми анодами. J. Electrochem. Soc. 146 , 470–472 (1999).

    Артикул Google Scholar

  • 127.

    Leggesse, E. G. & Jiang, J.-C. Теоретическое исследование восстановительного разложения этиленсульфита: пленкообразующей добавки к электролиту в литий-ионных батареях. J. Phys. Chem. А. 116 , 11025–11033 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 128.

    Xu, M. Q. et al. Влияние бутилсултона на характеристики литий-ионной батареи и границу раздела графитового электрода. Acta Phys. Чим. Грех. 22 , 335–340 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 129.

    Chen, R. et al. Бутиленсульфит как пленкообразующая добавка к электролитам на основе пропиленкарбоната для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 172 , 395–403 (2007).

    Артикул Google Scholar

  • 130.

    Xu, M. Q., Li, W. S., Zuo, X. X., Liu, J. S. & Xu, X. Повышение эффективности литий-ионного аккумулятора с использованием ПК в качестве компонента растворителя и BS в качестве добавки, формирующей SEI. J. Источники энергии 174 , 705–710 (2007).

    Артикул Google Scholar

  • 131.

    Xing, LD, Wang, CY, Xu, MQ, Li, WS & Cai, ZP Теоретическое исследование механизма восстановления 1,3-бензодиоксол-2-она для образования границы раздела твердого электролита на аноде литий-ионный аккумулятор. J. Источники энергии 189 , 689–692 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 132.

    Селф, Дж., Холл, Д. С., Мадек, Л. и Дан, Дж. Р. Роль проп-1-ен-1,3-сультона как добавки в литий-ионных элементах. J. Источники энергии 298 , 369–378 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 133.

    Леггесс, Э. Г. и Цзян, Дж.-C. Теоретическое исследование восстановительного разложения 1,3-пропансультона: SEI-образующая добавка в литий-ионных батареях. RSC Adv. 2 , 5439–5446 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 134.

    Jung, H. M. et al. Фторпропановый сультон как SEI-образующая добавка превосходит виниленкарбонат. J. Mater. Chem. А 1 , 11975–11981 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 135.

    Ding, Z., Li, X., Wei, T., Yin, Z. & Li, X. Улучшенная совместимость графитового анода для литий-ионных аккумуляторов с использованием сложных эфиров серной кислоты. Электрохим. Acta 196 , 622–628 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 136.

    Wang, B. et al. Влияние 3,5-бис (трифторметил) бензолбороновой кислоты в качестве добавки на электрохимические характеристики электролитов на основе пропиленкарбоната для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 54 , 816–820 (2008).

    Артикул Google Scholar

  • 137.

    Xu, M., Zhou, L., Xing, L., Li, W. & Lucht, BL. Экспериментальные и теоретические исследования 4,5-диметил-1,3 диоксол-2-она в твердом состоянии. Добавка, образующая интерфейс электролита для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 55 , 6743–6748 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 138.

    Xu, M. et al. Экспериментальные и теоретические исследования диметилацетамида (DMAc) в качестве добавки, стабилизирующей электролит для литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. Chem. С 115 , 6085–6094 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 139.

    Hall, D. S. et al. Межфазное образование поверхностных электролитов в литий-ионных элементах, содержащих добавки пиридинового аддукта. J. Electrochem. Soc. 163 , A773 – A780 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 140.

    Forestier, C. et al. Легкое восстановление псевдокарбонатов: продвижение межфазных границ твердого электролита с дицианокетеновыми алкиленовыми ацеталами в литий-ионных батареях. J. Источники энергии 303 , 1–9 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 141.

    Forestier, C. et al. Сравнительное исследование межфазных границ твердых электролитов, образованных добавками к электролиту винилэтиленкарбоната и дицианокетена-винилэтиленацетала. J. Источники энергии 345 , 212–220 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 142.

    Лу, З., Янг, Л. и Го, Ю. Термическое поведение и кинетика разложения шести солей электролитов с помощью термического анализа. J. Источники энергии 156 , 555–559 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 143.

    Тасаки, К., Канда, К., Кобаяси, Т., Накамура, С. и Уэ, М. Теоретические исследования восстановительного разложения растворителей и добавок для литий-ионных аккумуляторов вблизи литиевых анодов. J. Electrochem. Soc. 153 , A2192 – A2197 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 144.

    Ue, M., Murakami, A. & Nakamura, S. Анодная стабильность некоторых анионов исследована ab initio теориями молекулярных орбиталей и функционала плотности. J. Electrochem.Soc. 149 , A1572 – A1577 (2002).

    Артикул Google Scholar

  • 145.

    Хан, Й.-К., Юнг, Дж., Ю, С. и Ли, Х. Понимание характеристик высоковольтных добавок в литий-ионных аккумуляторах: эффекты растворителя. J. Источники энергии 187 , 581–585 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 146.

    Холлз, М. Д. и Тасаки, К.Высокопроизводительная квантовая химия и виртуальный скрининг добавок к электролиту литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 195 , 1472–1478 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 147.

    Park, M. H., Lee, Y. S., Lee, H. & Han, Y.-K. Низкое сродство связывания Li + : важная характеристика добавок, образующих межфазные границы твердых электролитов в литий-ионных батареях. J. Источники энергии 196 , 5109–5114 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 148.

    Jankowski, P., Wieczorek, W. & Johansson, P. Электролитные добавки, образующие SEI для литий-ионных аккумуляторов: разработка и тестирование вычислительных подходов. J. Mol. Модель. 23 , 6–6 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 149.

    Husch, T. & Korth, M. Как оценить межфазные характеристики твердого электролита при скрининге материалов электролита. Phys. Chem. Chem. Phys. 17 , 22799–22808 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 150.

    Кнап, Дж., Спир, К., Лейтер, К., Беккер, Р. и Пауэлл, Д. Вычислительная структура для масштабирования в многомасштабном моделировании. Внутр. J. Numer. Meth. Англ. 108 , 1649–1666 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 151.

    Йорн Р. и Кумар Р. Сломая чашу весов: моделирование электролита в металло-ионных батареях. Electrochem. Soc. Интерфейс 26 , 55–59 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 152.

    Qu, X.H. et al. Проект электролитного генома: подход с использованием больших данных в открытии материалов для аккумуляторов. Comput. Матер. Sci. 103 , 56–67 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 153.

    Wang, Y., Zhang, W., Chen, L., Shi, S. & Liu, J. Количественное описание взаимосвязей структура-свойство материалов литий-ионных аккумуляторов для высокопроизводительных вычислений. Sci. Technol. Adv. Мат. 18 , 134–146 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 154.

    Джордж С. М. Осаждение атомных слоев: обзор. Chem. Ред. 110 , 111–131 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 155.

    Райли, Л. А., Кавана, А. С., Джордж, С. М., Ли, С.-Х. И Диллон, А.С. Улучшенная механическая целостность композитных электродов с ALD-покрытием для литий-ионных аккумуляторов. Electrochem. Solid State Lett. 14 , A29 – A31 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 156.

    Линь, Ю.-Х. и другие. Связь необратимой потери емкости литий-ионных аккумуляторов с электронными изолирующими свойствами твердоэлектролитных межфазных компонентов (SEI). J. Источники энергии 309 , 221–230 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 157.

    Leung, K. et al. Использование осаждения атомных слоев для предотвращения разложения растворителя в литий-ионных батареях: моделирование из первых принципов и экспериментальные исследования. J. Am. Chem. Soc. 133 , 14741–14754 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 158.

    Сото, Ф. А., Ма, Ю., Мартинес де ла Хоз, Дж. М., Семинарио, Дж. М. и Бальбуэна, П. Б. Механизмы образования и роста межфазных слоев твердого электролита в аккумуляторных батареях. Chem. Матер. 27 , 7990–8000 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 159.

    Liu, Z. et al. Межфазное исследование межфазной границы твердого электролита на металлическом литиевом аноде: значение для роста литий-дендритов. J. Electrochem.Soc. 163 , A592 – A598 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 160.

    Леунг, К. и Юнгйоханн, К. Л. Пространственные неоднородности и начало нарушения пассивирования на границах раздела литиевый анод. J. Phys. Chem. C 121 , 20188–20196 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 161.

    Бенитес, Л., Кристанчо, Д., Семинарио, Дж.М., Мартинес де ла Хоз, Дж. М. и Бальбуэна, П. Б. Перенос электронов через межфазные слои твердого электролита, сформированные на кремниевых анодах литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 140 , 250–257 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 162.

    Бенитес, Л. и Семинарио, Дж. М. Транспорт электронов и восстановление электролита в межфазной границе твердого электролита перезаряжаемых литий-ионных батарей с кремниевыми анодами. J. Phys. Chem. С 120 , 17978–17988 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 163.

    Li, D. et al. Моделирование образования SEI на графитовых электродах в аккумуляторах LiFePO 4 . J. Electrochem. Soc. 162 , A858 – A869 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 164.

    Joho, F. et al. Связь между свойствами поверхности, структурой пор и потерей заряда в первом цикле графита как отрицательного электрода в литий-ионных батареях. J. Источники энергии 97 , 78–82 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 165.

    Feng, T. et al. Недорогой слой покрытия Al 2 O 3 в виде предварительно отформованного SEI на порошке природного графита для повышения кулоновской эффективности и стабильности литий-ионных аккумуляторов при высокоскоростном циклировании. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 6512–6519 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 166.

    Рамос-Санчес, Г., Чен, Г., Арутюнян, А. Р., Бальбуэна, П. Б. Теоретические и экспериментальные исследования емкости накопления лития в пучках однослойных углеродных нанотрубок. RSC Adv. 6 , 27260–27266 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 167.

    Nie, M. et al. Литий-ионная батарея графитовая граница раздела фаз с твердым электролитом, выявленная методами микроскопии и спектроскопии. J. Phys. Chem. С. 117 , 1257–1267 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 168.

    Гарсия-Ластра, Дж. М., Мюрдал, Дж. С.Г., Кристенсен, Р., Тайгесен, К.С. и Вегге, Т. Исследование поляронной проводимости в Li 2 O 2 и Li 2 методом DFT и U. CO 3 : последствия для воздушно-литиевых батарей. J. Phys. Chem. С. 117 , 5568–5577 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 169.

    Ши, С., Ци, Ю., Ли, Х. и Гектор, Л. Дж. Младший. Термодинамика дефектов и механизмы диффузии в Li 2 CO 3 и последствия для межфазной границы твердого электролита в литий-ионных батареях. J. Phys. Chem. С. 117 , 8579–8593 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 170.

    Бумм, Л. А., Арнольд, Дж. Дж., Данбар, Т. Д., Аллара, Д. Л. и Вайс, П. С. Перенос электрона через органические молекулы. J. Phys. Chem. B 103 , 8122–8127 (1999).

    Артикул Google Scholar

  • 171.

    Ямада Ю., Ирияма Ю., Абэ Т. и Огуми З. Кинетика переноса ионов лития на границе раздела между графитом и жидкими электролитами: влияние растворителя и поверхностной пленки. Langmuir 25 , 12766–12770 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 172.

    Xu, K., von Cresce, A. & Lee, U. Дифференциальный вклад в барьер «ионного переноса» от межфазного сопротивления и десольватации Li + на границе раздела электролит / графит. Langmuir 26 , 11538–11543 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 173.

    Чен, Ю. К., Оуян, К. Ю., Сонг, Л. Дж. И Сан, З. Л. Электрическая динамика и динамика ионов лития в трех основных компонентах межфазной границы твердого электролита из исследования теории функционала плотности. J. Phys. Chem. С 115 , 7044–7049 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 174.

    Иддир, Х. и Кертисс, Л.А. Механизмы диффузии ионов лития в объемных моноклинных кристаллах Li 2 CO 3 по результатам исследований функционала плотности. J. Phys. Chem. C 114 , 20903–20906 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 175.

    Бородин О., Смит Г. Д. и Фан П. Молекулярно-динамическое моделирование алкилкарбонатов лития. J. Phys. Chem. B 110 , 22773–22779 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 176.

    Бородин, О., Чжуанг, Г. Р. В., Росс, П. Н., Сюй, К. Моделирование молекулярной динамики и экспериментальное исследование переноса ионов лития в дикарбонате этилен-дилития. J. Phys. Chem. С. 117 , 7433–7444 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 177.

    Бедров Д., Бородин О. и Хупер, Дж. Б. Ли + Транспортные и механические свойства модельных межфазных фаз твердых электролитов (SEI): понимание атомистического молекулярно-динамического моделирования. J. Phys. Chem. С. 121 , 16098–16109 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 178.

    Бородин, О.в Электролиты для литиевых и литий-ионных батарей (редакторы Т. Р. Джоу, К. Сю, О. Бородин и М. Уэ) 371-401 (Спрингер, Нью-Йорк, 2014).

  • 179.

    Pan, J., Cheng, Y.-T. & Qi, Y. Общий метод прогнозирования зависимой от напряжения ионной проводимости в твердом электролитном покрытии на электродах. Phys. Ред. B 91 , 134116 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 180.

    Бенитес, Л.И Семинарио, Дж. М. Коэффициент диффузии ионов через межфазную фазу твердого электролита в литий-ионных батареях. J. Electrochem. Soc. 164 , E3159 – E3170 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 181.

    Йилдирим, Х., Кинаци, А., Чан, М. К. Й. и Грили, Дж. П. Анализ из первых принципов термодинамики дефектов и ионного транспорта в неорганических соединениях SEI: LiF и NaF. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7 , 18985–18996 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 182.

    Soto, F. A. et al. Настройка межфазной границы твердого электролита для селективного хранения Li- и Na-Ion в твердом углероде. Adv. Mater . 29 , 1606860 (2017).

  • 183.

    Фан, Л., Чжуан, Х. Л., Гао, Л., Лу, Ю. и Арчер, Л. А. Регулирование осаждения лития на границах раздела искусственных твердых электролитов. J. Mater. Chem. А 5 , 3483–3492 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 184.

    Liang, C. C. Проводящие характеристики твердых электролитов на основе йодида лития и оксида алюминия. J. Electrochem. Soc. 120 , 1289–1292 (1973).

    Артикул Google Scholar

  • 185.

    Пан, Дж., Чжан, К., Сяо, X., Ченг, Ю.-Т. & Qi, Y. Дизайн наноструктурированных гетерогенных твердых ионных покрытий через многомасштабную модель дефекта. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 5687–5693 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 186.

    Бородин О. и Бедров Д. Межфазная структура и динамика компонентов SEI алкилдикарбоната лития в контакте с электролитом литиевой батареи. J. Phys. Chem. С 118 , 18362–18371 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 187.

    Shang, S.-L. и другие. Динамика решетки, термодинамика и упругие свойства моноклинного Li 2 CO 3 из теории функционала плотности. Acta Mater. 60 , 5204–5216 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 188.

    Shin, H., Park, J., Han, S., Sastry, AM & Lu, W. Компонентная / структурно-зависимая эластичность межфазного слоя твердого электролита в литий-ионных батареях: экспериментальные и расчетные исследования. J. Источники энергии 277 , 169–179 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 189.

    Зверева, Э., Калисте, Д. и Почет, П. Идентификация границы раздела фаз твердого электролита на графите. Карбон Нью-Йорк 111 , 789–795 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 190.

    Сото, Ф. А. и Балбуэна, П. Б. Выяснение взаимодействий олигомер-поверхность и олигомер-олигомер на литированной поверхности кремния. Электрохим. Acta 220 , 312–321 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 191.

    Verbrugge, M. W., Qi, Y., Baker, D. R., Cheng, Y.-T. Вызванное диффузией напряжение в структурах сердечник – оболочка и последствия для надежной конструкции электродов и выбора материалов (Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2015).

  • 192.

    Тасаки, К. и Харрис, С. Дж. Расчетное исследование растворимости солей лития, образующихся на отрицательном электроде литиево-ионной батареи, в органических растворителях. J. Phys. Chem. С. 114 , 8076–8083 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 193.

    Леунг К., Сото Ф., Ханкинс К., Балбуэна П. Б. и Харрисон К. Л. Стабильность межфазных компонентов твердого электролита на поверхности металлического лития и реактивного материала анода. J. Phys. Chem. С 120 , 6302–6313 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 194.

    Xu, K. et al. Синтез и характеристика алкилмоно- и дикарбонатов лития как компонентов поверхностных пленок литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. Chem. B 110 , 7708–7719 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 195.

    Окуно, Ю., Уширогата, К., Содеяма, К. и Татеяма, Ю. Разложение фторэтиленкарбонатной добавки и склеивающий эффект продуктов фторида лития на межфазной границе твердого электролита: исследование ab initio. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 8643–8653 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 196.

    Чжан К. и Кагазчи П. Зависимость переноса ионов от электроотрицательности составляющих атомов в ионных кристаллах. Chemphyschem 18 , 965–969 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 197.

    Леунг, К. Моделирование из первых принципов миграции Mn (II), описанное выше, и растворения с поверхностей Li x Mn 2 O 4 (001). Chem. Матер. 29 , 2550–2562 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 198.

    Аурбах, Д., Эйн-Эли, Ю. и Забан, А. Химия поверхности литиевых электродов в растворах алкилкарбонатов. J. Electrochem. Soc. 141 , L1 – L3 (1994).

    Артикул Google Scholar

  • 199.

    Херстедт, М., Абрахам, Д. П., Керр, Дж.Б. и Эдстрем, К. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия отрицательных электродов от мощных литий-ионных элементов, показывающая различные уровни затухания мощности. Электрохим. Acta 49 , 5097–5110 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 200.

    Ньюман, Дж. С. и Тобиас, К. У. Теоретический анализ распределения тока в пористых электродах. J. Electrochem. Soc. 109 , 1183–1191 (1962).

    Артикул Google Scholar

  • 201.

    Ньюман, Дж., Томас, К. Э., Хафези, Х. и Уиллер, Д. Р. Моделирование литий-ионных батарей. J. Источники энергии 119 , 838–843 (2003).

    Артикул Google Scholar

  • 202.

    Broussely, M. et al. Механизм старения в ионно-литиевых ячейках и календарные прогнозы жизни. J. Power Sources 97-98 , 13–21 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 203.

    Кристенсен, Дж. И Ньюман, Дж. Математическая модель литий-ионной межфазной границы твердого электролита отрицательного электрода. J. Electrochem. Soc. 151 , A1977 – A1988 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 204.

    Колклаже, А. М., Смит, К. А. и Ки, Р. Дж. Детальное моделирование химического состава и переноса пленок на границе раздела твердых электролитов (SEI) в литий-ионных батареях. Электрохим. Acta 58 , 33–43 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 205.

    Плоэн, Х. Дж., Рамадасс, П. и Уайт, Р. Е. Модель диффузии растворителя для старения литий-ионных аккумуляторных элементов. J. Electrochem. Soc. 151 , A456 – A462 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 206.

    Лю Л., Парк Дж., Линь X., Састри А.М. и Лу, В. Термо-электрохимическая модель, которая дает пространственно-зависимый рост межфазной границы твердого электролита в литий-ионной батарее. J. Источники энергии 268 , 482–490 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 207.

    Пинсон, М. Б. и Базант, М. З. Теория образования SEI в перезаряжаемых батареях: уменьшение емкости, ускоренное старение и прогноз срока службы. J. Electrochem. Soc. 160 , A243 – A250 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 208.

    Тан, М., Лу, С. и Ньюман, Дж. Экспериментальное и теоретическое исследование механизмов образования твердого электролита и межфазной границы на стеклоуглероде. J. Electrochem. Soc. 159 , A1775 – A1785 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 209.

    Гуань П., Лю Л. и Линь X. Моделирование и эксперимент по эволюции морфологии межфазной границы твердого электролита (SEI) и диффузии ионов лития. J. Electrochem. Soc. 162 , A1798 – A1808 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 210.

    Сингл, Ф., Хорстманн, Б. и Латц, А. Динамика и морфология межфазной границы твердых электролитов (SEI). Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 17810–17814 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 211.

    Сингл, Ф., Хорстманн, Б.И Латц, А. Выявление морфологии SEI: углубленный анализ подхода к моделированию. J. Electrochem. Soc. 164 , E3132 – E3145 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 212.

    Теккерей, М. М., Волвертон, К. и Айзекс, Э. Д. Хранение электрической энергии для транспортировки - приближается к литий-ионным батареям и выходит за их пределы. Energy Environ. Sci. 5 , 7854–7863 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 213.

    Саал, Дж. Э., Кирклин, С., Эйкол, М., Мередиг, Б. и Волвертон, К. Дизайн и открытие материалов с помощью теории функционала высокой плотности: открытая база данных квантовых материалов (OQMD). JOM 65 , 1501–1509 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 214.

    Aykol, M. et al. Высокопроизводительный вычислительный дизайн катодных покрытий для литий-ионных аккумуляторов. Nat. Commun. 7 , 13779 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 215.

    Кох, С. Л., Морган, Б. Дж., Пассерини, С. и Теобальди, Г. Анализ функциональной теории плотности стратегий обработки газа для стабилизации анодов из металлического лития с высокой плотностью энергии. J. Источники энергии 296 , 150–161 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 216.

    Y, Z., X, H. & Y, M. Стратегии, основанные на химии нитридных материалов, для стабилизации анода из металлического Li. Adv. Sci. 4 , 1600517 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 217.

    Букамп Б. А. и Хаггинс Р. А. Быстрая ионная проводимость в нитриде лития. Mater. Res. Бык. 13 , 23–32 (1978).

    Артикул Google Scholar

  • 218.

    Shi, L., Xu, A. & Zhao, T. Исследования из первых принципов рабочего механизма 2D h-BN в качестве межфазного слоя для анода литий-металлических батарей. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9, (1987–1994 (2017).

    Google Scholar

  • 219.

    млн лет назад, Y. et al. Структура и реакционная способность покрытых алуконом пленок на поверхностях Si и Li x Si y . ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7 , 11948–11955 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 220.

    Jung, Y. S. et al. Нанесение ультратонких атомных слоев на композитные электроды для создания высокопрочных и безопасных литий-ионных аккумуляторов. Adv. Матер. 22 , 2172–2176 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 221.

    Kozen, A.C. et al. Конструирование анодов из металлического лития нового поколения посредством осаждения атомных слоев. Acs Nano 9 , 5884–5892 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 222.

    Xiao, X. C., Lu, P. & Ahn, D. Ультратонкие многофункциональные оксидные покрытия для литий-ионных аккумуляторов. Adv. Матер. 23 , 3911–3915 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 223.

    Катияр П., Джин К. и Нараян Р. Дж. Электрические свойства тонких пленок аморфного оксида алюминия. Acta Mater. 53 , 2617–2622 (2005).

    Артикул Google Scholar

  • 224.

    Piper, D. M. et al. Реверсивные кремниевые нанокомпозитные аноды большой емкости для литий-ионных аккумуляторов, обеспечиваемые осаждением молекулярных слоев. Adv. Матер. 26 , 1596–1601 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 225.

    Kim, S.-Y. & Ци, Ю.Эволюция свойств Al 2 O 3 Si-электродов с покрытием и без покрытия: исследование первых принципов. J. Electrochem. Soc. 161 , F3137 – F3143 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 226.

    Kim, S.-Y. и другие. Само-генерируемое покрытие с градиентом концентрации и модуля упругости для защиты кремниевых нанопроволочных электродов во время литирования. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 3706–3715 (2016).

    Артикул Google Scholar

  • 227.

    Гомес-Баллестерос, Дж. Л. и Балбуэна, П. Б. Восстановление компонентов электролита на кремниевом аноде с покрытием литий-ионных аккумуляторов. J. Phys. Chem. Lett. 8 , 3404–3408 (2017).

    Артикул Google Scholar

  • 228.

    Zhang, L.Q. et al. Контроль деформации, вызванной литированием, и скорости зарядки в электродах с нанопроволокой путем нанесения покрытия. ACS Nano 5 , 4800–4809 (2011).

    Артикул Google Scholar

  • 229.

    Чжао, К., Фарр, М., Хартл, Л., Влассак, Дж. Дж. И Суо, З. Разрушение и расслоение литий-ионных аккумуляторов с электродами из наноструктур с полым ядром и оболочкой. J. Источники энергии 218 , 6–14 (2012).

    Артикул Google Scholar

  • 230.

    Стоурнара, М.Э., Ци, Ю. и Шеной, В. Б. От расчетов ab initio до многомасштабного проектирования частиц Si / C ядро ​​– оболочка для литий-ионных анодов. Nano. Lett. 14 , 2140–2149 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 231.

    Qi, Y., Hector, L. G. Jr., James, C. & Kim, K. J. Упругие свойства материалов электродов батареи, зависящие от концентрации лития, на основе расчетов из первых принципов. J. Electrochem. Soc. 161 , F3010 – F3018 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 232.

    Перес-Бельтран, С., Рамирес-Кабальеро, Г. Э. и Балбуэна, П. Б. Расчеты из первых принципов литирования гидроксилированной поверхности аморфного диоксида кремния. J. Phys. Chem. С 119 , 16424–16431 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 233.

    Heine, J.и другие. Фторэтиленкарбонат в качестве добавки к электролиту в электролитах на основе диметилового эфира тетраэтиленгликоля для применения в литий-ионных и литий-металлических батареях. J. Electrochem. Soc. 162 , A1094 – A1101 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 234.

    Хуанг, Дж., Фан, Л.-З., Ю, Б., Син, Т. и Цю, В. Исследования теории функций плотности на B-содержащих солях лития. Ionics 16 , 509–513 (2010).

    Артикул Google Scholar

  • 235.

    Чжан, X. Р., Костецки, Р., Ричардсон, Т. Дж., Пью, Дж. К. и Росс, П. Н. Электрохимические и инфракрасные исследования восстановления органических карбонатов. J. Electrochem. Soc. 148 , A1341 – A1345 (2001).

    Артикул Google Scholar

  • 236.

    Ван, Ю. Х., Накамура, С., Тасаки, К., и Балбуэна, П.B. Теоретические исследования для понимания химии поверхности угольных анодов для литий-ионных батарей: как виниленкарбонат играет свою роль в качестве добавки к электролиту? J. Am. Chem. Soc. 124 , 4408–4421 (2002).

    Артикул Google Scholar

  • 237.

    Бхатт, М. Д. и О’Дуайер, С. Межфазные границы твердых электролитов на графитовых анодах литий-ионных аккумуляторов в электролитах на основе пропиленкарбоната (ПК), содержащих FEC, LiBOB и LiDFOB в качестве добавок. Chem. Phys. Lett. 618 , 208–213 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 238.

    Профатилова И.А., Ким С.-С. И Чой, Н.-С. Повышенные термические свойства межфазной границы твердого электролита, образованной на графите в электролите с фторэтиленкарбонатом. Электрохим. Acta 54 , 4445–4450 (2009).

    Артикул Google Scholar

  • 239.

    Фоллмер, Дж. М., Кертисс, Л. А., Виссерс, Д. Р. и Амин, К. Механизмы восстановления этилена, пропилена и винилэтиленкарбонатов - квантово-химическое исследование. J. Electrochem. Soc. 151 , A178 – A183 (2004).

    Артикул Google Scholar

  • 240.

    Yu, T. et al. Влияние сульфолана на морфологию и химический состав межфазного слоя твердого электролита в электролите на основе бис (оксалато) бората лития. Surf. Интерфейс Anal. 46 , 48–55 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • 241.

    Ни, М., Ся, Дж. И Дан, Дж. Р. Разработка добавок пиридин-борного трифторида к электролиту для литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 162 , A1186 – A1195 (2015).

    Артикул Google Scholar

  • 242.

    Каймаксиз, С.и другие. Электрохимическая стабильность салицилатоборатов лития в качестве добавок к электролиту в литий-ионных аккумуляторах. J. Источники энергии 239 , 659–669 (2013).

    Артикул Google Scholar

  • 243.

    Паниц, Й.-К., Вительманн, У., Вахтлер, М., Стребеле, С. и Вольфарт-Меренс, М. Образование пленки в электролитах, содержащих LiBOB. J. Источники энергии 153 , 396–401 (2006).

    Артикул Google Scholar

  • 244.

    Zhang, L. et al. Молекулярная инженерия в направлении стабилизации интерфейса: добавка к электролиту для высокопроизводительных литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 161 , A2262 – A2267 (2014).

    Артикул Google Scholar

  • Какие химические вещества используются в аккумуляторах?

    Для сборки батареи требуются определенные детали, состоящие из металлов и химикатов, которые влияют на стоимость батарей.

    Давайте обсудим основные химические вещества, участвующие в производстве батареи:

    a) Корпус батареи: Основная идея герметизации батареи корпусом батареи заключается в сохранении безопасности корпуса батареи, который является основным источником преобразования химической энергии в электрическую.Этот кожух изготавливается слоями, созданными из различного сырья, и может включать один или два, например, слоя полиэтилентерефталата, слоя полипропилена и слоя полимера или слоев карбонизированного пластика.

    b) Химический состав батареи: Чтобы выполнять свою основную функцию генерации тока для питания различных устройств, батарея должна содержать различные типы химической основы, которые различаются в зависимости от типа батареи:

    и. Никель-кадмиевые батареи с использованием никеля и кадмия для длительного срока службы, расширенного температурного диапазона и высокой скорости разряда.

    ii. Углеродно-цинковая батарея: Углеродно-цинковая батарея содержит диоксид марганца в качестве катода, цинк в качестве анода и хлорид цинка или хлорид аммония в качестве электролита.

    iii. Свинцово-кислотные батареи: Свинцово-кислотные батареи содержат: диоксид свинца и металлический свинец в качестве анода и серную кислоту (электролит)

    iv. Литий-ионные батареи: в батареях этого типа могут использоваться различные вещества, однако лучшая комбинация - это углерод в качестве анода и оксид лития-кобальта в качестве катода.

    v. Многоразовые щелочные батареи: анод представляет собой цинковый порошок, а катод - из смеси диоксида марганца. Батарея получила свое название от электролита гидроксида калия, который представляет собой растворимое вещество.

    c) Электролит батареи: Электролит - это среда, которая позволяет электронам течь между двумя электродами (анодом и катодом). Электролит - это проводящий химикат, состоящий из соли, основания или кислоты, растворенных в растворителе, образуя раствор, который становится проводником электричества.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *