Как повысить плотность электролита в аккумуляторе?
Каждый год автолюбители сталкиваются с проблемой зарядки аккумулятора, сульфатации и десульфатации. Многие измеряют плотность электролита и пытаются ее восстановить. Но почему нельзя повысить плотность аккумулятора без добавления кислоты в электролит? Давайте ответим на этот вопрос.
Рассмотрим процессы, которые протекают при заряде и разряде аккумулятора — теория аккумулятора
Классическая формула:
⇐ заряд
Pb + PbO2 + 2H2SO4 ⇐ ⇒ 2PbSO4 + 2H2 O (1)
разряд ⇒Если внимательно разобрать формулу, то очевидно, что при разряде аккумулятора у нас образуется такое вещество, как сульфат свинца. Это вещество (соль) очень плохо растворимо в воде и при определенной концентрации выпадает в осадок, иногда образуя кристаллы. Из за образования данного вещества и уменьшения концентрации кислоты в электролите, соответственно пропадает плотность. Доведя аккумулятор до абсолютного разряда, плотность в электролите станет ровна единице. В растворе, будет отсутствовать кислота.
Если мы вернемся к вопросу: «Почему нельзя повысить плотность не добавляя кислоты в электролит?», а только лишь повышением напряжения, то ответ очевиден.
Предположим у нас при плотности 1,25 г/см3, которую залили на заводе, в аккумуляторе присутствует 100 молекул кислоты при полном заряде, мы начали разряжать аккумулятор, получаем 100 молекул сульфата. Если дальше заряжать аккумулятор мы опять получим те же 100 молекул кислоты и плотность 1,25 г/см3 (если не испарилась вода).
Вывод: если мы не добавляли кислоту в электролит, и у нас повысилась плотность – мы потеряли воду.
Теперь давайте разберемся с коварным веществом сульфатом свинца. Это вещество очень плохо растворимо в воде, а это значит, что насыщенный раствор данного вещества получается при очень небольшой его концентрации в электролите. Когда мы разряжаем аккумулятор, концентрация раствора сульфата свинца возрастает. Поэтому все производители аккумуляторов пишут придельное напряжение разряда аккумулятора (для 12В аккумулятора это 10,8В). Дальнейший разряд приводит к тому, что образуется перенасыщенный раствор сульфата свинца. С перенасыщенными растворами мы встречались в школе. Например, выращивая кристаллы из медного купороса. Когда в перенасыщенный раствор попадает нить, то на ней сразу начинает расти красивый синий камень. Такой же процесс происходит в аккумуляторе, начинают расти кристаллы сульфата свинца и самая большая проблема, они уже обратно не растворяются в воде. Именно этот процесс принято называть сульфатацией. Эти кристаллы не проводят электричество, поэтому вырастание их на пластинах приводит к умиранию аккумулятора. Свойства этого кристалла можно сравнить с кристаллом оксида алюминия. Например, алюминиевая ложка не растворяется в чае, хотя алюминий, в чистом виде, очень хорошо вступает в реакцию и с водой и с воздухом. Так вот, когда мы изготавливаем алюминиевую ложку, поверхностный слой практически сразу вступает в реакцию с воздухом и ложка покрывается тончайшим слоем оксида алюминия, который мы не видим, и именно этот слой защищает нашу ложку от растворения в чае (или в частности в воде).
Обратим внимание на процессы ускоряющие сулифатацию. Как раз недостаток воды, которая испаряется, очень сильно влияет на ускорение процесса. Мы только что обсудили перенасыщенный раствор сульфата. Так вот перенасыщение его произойдет быстрее, если в аккумуляторе не хватает воды, следовательно и оседание сульфата на поверхностях пластины пройдет быстрее.
Возвращаясь к нашим 100 молекулам — в связанном состоянии теряем группу SO4, далее при заряде мы уже получаем , к примеру, 50 молекул кислоты. Емкость аккумулятора изменилась в меньшую сторону.
Теперь вернемся к процессам заряда аккумулятора зарядными устройствами. Есть две (не будем сильнее углубляться в тему) основные схемы заряда аккумулятора, постоянным током (часто пишут IU) и постоянным напряжением (UI). Например, зарядные устройства Optimate используют первую схему. Она более правильная. Смысл ее в том, что в аккумулятор подается постоянный ток. Происходит та реакция, о которой мы говорили выше, оставшиеся наши молекулы, а их осталось 50, становятся снова кислотой. И так как замещать больше нечего, напряжение на пластинах повышается до 14,4В. Optimate понимает, что замещать больше нечего и переходит в другой режим работы. Дальнейший заряд не приведет к увеличению емкости, а лишь усугубит положение путем выпаривания воды из электролита.
Если мы заряжаем постоянным напряжением, то устройство не понимает, произошла ли вся замена растворенных молекул сульфата свинца на молекулы кислоты. А это ведет к тому, что дальнейшая подача тока в аккумулятор будет замещать не сульфат свинца, а непосредственно восстанавливать воду до молекул водорода и кислорода, выпаривая ее дальше из электролита. Процесс кипения аккумулятора — это активное выделение на пластинах водорода и кислорода приводит к визуальному представлению, что аккумулятор кипит. К чему приводит потеря воды мы рассмотрели выше.
Лучшие инструменты
PL-C010PЗарядное устройство Battery Service Expert, PL-C010P
14.4/14.7/16В, ток 2,5, 6, 10А, десульфатация — импульсы/16В, SLA, GEL, AGM, Ca/Ca
8 350 ₽
Как замерить плотность электролита в аккумуляторе
Устройство аккумулятора
- Корпус из инертного пластика, устойчивого к агрессивным воздействиям электролита.
- Внутри корпуса располагается некоторое количество герметичных модулей, называемых банками, обычно их шесть, соединенных между собой плюсовой и минусовой шинами. По своей сути, каждая банка — это небольшой аккумулятор, а АКБ их блок, собирающий и выдающий их общее напряжение.
- В каждой банке находятся пакеты, которые состоят из последовательно отделенных диэлектрическими разделителями катода и анода, обычно из свинцово-кальциевого сплава, которые залиты электролитом.
- На крышке находятся газоотводное отверстие, ручки для переноски, клеммы. В случае обслуживаемого аккумулятора заливные отверстия, закрытые пробками. Необслуживаемого — только глазок индикатора уровня электролита.
Зачем измерять плотность электролита в АКБ?
Некоторые автолюбители не понимают важности поддержания оптимальной плотности электролита внутри аккумулятора. Сделать это можно только при проведении её замеров с использованием различных приборов. Все дело в том, что при изменившейся плотности, а она зависит от соотношения серной кислоты и дистиллированной воды (35% и 65%), начинаются процессы, которые могут вызвать разрушение составляющих аккумулятора или нарушения в его работе. Если значения повышены, то это говорит об избытке кислоты, которая активно воздействует на пластины вплоть до полного их разрушения. При низкой плотности, количество кислоты снижено и из-за этого АКБ не сможет набрать свою полную емкость.
!Важно При длительном использовании разряженной АКБ зачастую происходит сульфитация пластин. Решить это проблему восстановлением плотности невозможно и придется отправлять аккумулятор на восстановление.
Таким образом, проводя измерение плотности электролита, выявляют возникшие проблемы и препятствуют выходу аккумулятора из строя.
Какие значения плотности электролита считают нормой?
Прежде чем приступать к замерам плотности электролита необходимо знать ее нормальное значение для полноценного функционирования аккумулятора. При изготовлении АКБ на заводах их заполняют электролитом со средней плотностью 1,26-1,27 г/см3. В целом этого достаточно для начала его эксплуатации. Но следует учитывать, что со временем этот показатель меняется и его приходится возвращать к оптимальным значениям. Основным фактором, определяющим величину плотности электролита, являются температурные условия эксплуатации автомобиля. Если это регионы с холодным макроклиматом, то она должна составлять 1,27–1,29 г/см3, если речь идет о средней полосе, то значение снижается до 1,25 – 1,27 г/см3, в теплых регионах 1,23 – 1,25 г/см3. Четко прослеживается закономерность, что чем ниже температура, при которой работает аккумулятор, тем выше необходимая для его нормальной работы плотность электролита.
!Справка При изготовлении состава для заливки рекомендуют отталкиваться от нижних значений допустимого диапазона. Также учитывают, что есть натриевые и калиевые электролиты и они используются в разных пропорциях.
Проверка плотности электролита – приборы и их действие
Перед тем как проверить концентрацию, необходимо убедится в том, что уровень раствора соответствует необходимому. Делается это так:
Берут специальную стеклянную трубку (пипетку), опускают ее в аккумуляторную банку до упора и закрывают верхнее отверстие трубки пальцем. Трубку вынимают и замеряют высоту находящейся в ней жидкости. Она должна колебаться в пределах 10 — 15 см. Проводят это измерение для каждой банки. В случае если количество жидкости не совпадает с оптимальными значениями, электролит либо убирают, либо добавляют. После чего можно приступать непосредственно к измерению концентрации. Для этого необходимо соблюдать несколько простых правил:
- замеры проводят для каждой банки;
- крышка аккумулятора и пробки должны быть очищены от любых загрязнений;
- для получения максимально корректных результатов АКБ должна быть заряжена.
- непосредственно перед измерением аккумулятор выдерживают в комнатной температуре при 20 — 30 градусах.
Для измерения концентрации используют ареометр или, как его еще называют, денсиметр. Состоящий из:
- наконечника, который опускают в банки для забора жидкости;
- колбы, в которой будет находится ареометр;
- резиновой груши;
- ареометра.
Итак, сам процесс измерения. Наконечник ареометра протирают и погружают в открытое заливное отверстие. Используя грушу, набирают в колбу некоторое количество раствора кислоты. Для определения значения плотности денсиметр держат на уровне глаз, при этом сам ареометр должен быть в состоянии покоя и свободно плавать в растворе, не соприкасаясь ни с одной из стенок колбы. Как только эти условия будут достигнуты, отмечают число со шкалы ареометра, определяемое по уровню жидкости.
В том случае, если нет возможности использовать ареометр, проверку проводят используя вольтметр автотестера. Его подключают к клеммам батареи и измеряют напряжение. В норме оно должно колебаться в пределах 11,9 — 12,5 вольт. После этого заводят двигатель и набирают 2500 оборотов. По достижении этой отметки напряжение должно быть в пределах 13,9 — 14,4 вольта. Если значения соответствуют рекомендуемым, то и значение плотности должно быть в норме.
Как повысить плотность рабочего электролита
В том случае, если в результате измерений было выяснено, что концентрация кислоты ниже требуемой, возникает необходимость в её повышении. Для это есть несколько способов:
- перезарядка аккумулятора;
- полная замена раствора электролита на новый;
- добавление более концентрированного раствора;
- добавление кислоты.
Для работы могут понадобится: мерная емкость, груша, паяльник, дрель. Весь инструментарий должен быть вымыт и высушен. Также нужно держать под рукой дистиллированную воду и электролит.
Если после набора оборотов вольтаж не изменился как описано выше, то начинать стоит с попытки перезарядить аккумулятор. 10 часов батарею заряжают с силой тока в 10 раз меньше чем его емкость. После этого её понижают вдвое и продолжают заряжать еще 2 часа.
В случае если изначальное напряжение после набора оборотов будет выше 14,4 вольта, то в АКБ заливается вода и её ставят на зарядку.
В случае если аккумулятор все равно быстро разряжается, то приходит время полной замены раствора. Чтобы это сделать, нужно выкачать из каждой банки максимально возможное количество жидкости, а её остаток аккуратно слить. Для этого все отверстия устройства в корпусе полностью герметично закрывают. Затем его кладут на бок и сверлят отверстия для слива для каждой банки. После чего жидкость из них сливают.
!Важно Категорически запрещено устанавливать АКБ на крышку. В противном случае может произойти короткое замыкание. И это приведет к осыпанию поверхностей пластин. После того как старый электролит будет удален, внутренности батареи тщательно промывают дистиллятом. Затем паяльником запаивают просверленные отверстия, до полной герметичности и заливают новый раствор через предназначенные для этого отверстия.
В целом, повысить или понизить плотность для каждой отдельно взятой банки можно доливая раствор электролита высокой концентрации или дистиллированной воды.
Если плотность выше чем 1,18 г/см3, то добавляют концентрированный раствор. Из банки выбирают столько жидкости, сколько возможно и заменяют половину на концентрат. Его плотность должна быть выше, чем та, которая нужна для нормальной работы. Получившийся раствор заливают обратно и аккуратно перебалтывают для перемешивания. Через небольшой промежуток времени проводят проверку. Зачастую с первого раза не получается достичь необходимых значений. Поэтому процедуру повторяют, но подменяют только четвертую часть исходной жидкости. До тех пор, пока результат не будет достигнут действия повторяют с каждым разом уменьшая объем подмены в 2 раза. Если получится концентрация выше оптимальной, то просто разбавляют очищенной водой.
Если же измерения показали значения ниже 1,18 г/см3, то используют кислоту. Проводят те же действия, что и при разбавлении концентратом, но подменяют меньшую часть, чтобы не превысить норму уже в первом цикле.
При приготовлении растворов кислота вливается в воду, в противном случае высок риск разбрызгивания концентрата. Все работы проводятся в рабочей робе с защищенными руками и глазами.
Что делать если аккумулятор необслуживаемый
На таком типе аккумуляторов отсутствуют пробки для залива жидкости и, соответственно, доступ к банкам, поэтому проверить плотность электролита можно только одним способом. Для это выкручивают находящийся на крышке глазок индикатора электролита и через отверстие для его крепления проводят замеры. Нужно помнить, что полученные показатели будут точными только для одной банки, так сказать эмпирически усредненными для всего устройства. Самостоятельно их повысить не представляется возможным из-за конструктивных особенностей аккумулятора.
Можно подытожить, что проверка плотности аккумулятора — это необходимые сервисные действия для его нормальной работы и длительности сохранения заряда. Если отказываться это делать, то вполне возможно, что вместо несложных придется приобретать новый аккумулятор взамен ставшего непригодным к эксплуатации.
Как проверить и какая должна быть
Анализ электролита из аккумулятора и замер его плотности помогает владельцу автомобиля судить о его химическом состоянии. Плотность кислотосодержащей жидкости внутри банок АКБ зависит от очень многих факторов, поэтому важно уметь правильно определять значение этого параметра в зависимости от условий эксплуатации автомобиля.
Что такое плотность электролита
Плотностью любого физического тела или жидкости считается, как отношение массы вещества к занимаемому объёму. Этот параметр для жидкости, заливаемый в банки свинцового аккумулятора, выражается в граммах на кубический сантиметр.
Определить плотность вещества визуально не представляется возможным поэтому для измерения этого параметра используют специальное устройство.
Чем можно померить плотность электролита
Замерить концентрацию электролита можно с помощью медицинского шприца объёмом 10 см3 и точных цифровых весов. Работа выполняется следующим образом:
- Пустой шприц без иглы кладётся на весы и показания измерительного прибора записываются в блокнот.
- На шприц одевается тонкая резиновая трубка, которая опускается в одну из банок аккумулятора.
- В шприц набирается ровно 10 мл кислотосодержащей жидкости.
- Шприц, без резиновой трубки, кладётся на весы и результат измерения снова записывается.
- Производятся несложные арифметические вычисления:
- Из массы шприца с электролитом вычитается масса пустого медицинского изделия.
- Получившееся значение делится на 10.
В результате получится точное значение плотности в одной банке. Таким образом нужно измерить этот показатель во всех банках.
Каждый раз осуществлять измерение таким образом невыгодно ни по затраченному времени, ни по удобству выполнения процедуры. Намного удобнее и проще произвести измерение плотности кислотосодержащей жидкости аккумулятора с помощью ареометра.
Он состоит из специальной колбы с находящимся внутри поплавком. Внутренняя деталь поплавка имеет свинцовую огрузку поэтому при закачивании в ёмкость жидкости, эта деталь устанавливается строго в вертикальном положении. На поверхности поплавка имеется градуированная шкала, по которой можно узнать точное значение плотности электролита аккумулятора.
Почему может повыситься или понизиться плотность электролита
Изменение концентрации электролита может произойти по следующим причинам:
- При изменении уровня заряженности батареи (прямая корреляция).
- При негерметичном корпусе аккумулятора. Если в нем есть трещины или пробки плохо прикручены, то будет уходить жидкость и при доливке дистиллированной воды плотность будет снижаться.
- Добавление электролита вместо дистиллированной воды, при испарении жидкости в летнее время (увеличение плотности).
- Неправильно приготовленный электролит. Наиболее часто такая ситуация может возникнуть при самостоятельном добавлении кислоты в воду.
- Интенсивное испарение воды из банок в летний период.
Как правило, установить причину изменения концентрации электролита в домашних условиях не составляет большого труда, но чтобы правильно определить величину такого отклонения, необходимо знать, какое значение является эталонным.
Какая плотность электролита в аккумуляторе должна быть
Технические требования по плотности электролита могут существенно отличаться для кислотных аккумуляторов, эксплуатируемых в различных климатических условиях.
Какая должна быть плотность электролита зимой
Необходимость в поддержании концентрации серной кислоты в электролите на более высоком уровне обусловлено опасностью замерзания жидкости при низких температурах воздуха. Полностью заряженный аккумулятор должен обладать плотностью смеси 1,27 – 1,28 г/см3. Тогда он легко переносит морозы до минус 70 градусов.
При падении плотности до 1,20 г/см3 жидкость гарантированно превратиться в лёд уже при температуре минус 30 градусов. В результате кристаллизации, жидкость значительно увеличивается в объёме, поэтому при эксплуатации машины в зимний период необходимо тщательно следить за тем, чтобы аккумулятор был полностью заряжен.
Невыполнение этого требования приведёт к разрушению внутренних пластин устройства, что станет причиной полной неработоспособности аккумуляторной батареи.
| Плотность электролита (г/см3) | Степень заряженности (%) | Замерзание электролита (С) |
|---|---|---|
| 1,27 | 100 | -60 |
| 1,26 | 94 | -55 |
| 1,25 | 87,5 | -50 |
| 1,24 | 81 | -46 |
| 1,23 | 75 | -42 |
| 1,22 | 69 | -37 |
| 1,21 | 62,5 | -32 |
| 1,2 | 56 | -27 |
| 1,19 | 50 | -24 |
| 1,18 | 44 | -18 |
| 1,17 | 37,5 | -16 |
| 1,16 | 31 | -14 |
| 1,15 | 25 | -13 |
| 1,14 | 19 | -11 |
| 1,13 | 12,56 | -9 |
| 1,12 | 6 | -8 |
| 1,11 | 0,0 | -7 |
Какая должна быть плотность электролита летом
Летом исключается вероятность образования льда внутри банок аккумулятора, но в обслуживаемых аккумуляторных батареях плотность может произвольно повышаться за счёт испарения воды.
Эксплуатация АКБ с повышенной концентрацией электролита приводит к существенному снижению эксплуатационного срока батареи, вследствие более агрессивного воздействия кислотосодержащей жидкости на сепараторы.
Чтобы избежать подобных негативных последствий, в обслуживаемых моделях, следует производить регулярный контроль уровня электролита в летний период и при необходимости разбавлять смесь дистиллированной водой.
Как проверить плотность аккумулятора
Если плотность электролита необходимо замерять регулярно, то без ареометра не обойтись. Осуществляется процедура замера следующим образом:
- Выкручиваются пробки аккумуляторной батареи.
- Узкая часть вводится в банку.
- Груша, находящаяся в верхней части прибора, сжимается. Затем необходимо отпустить резиновую верхнюю часть, чтобы образовавшееся отрицательное давление способствовало наполнению резервуара измерительного прибора кислотосодержащей жидкостью.
Определяется концентрация электролита по его уровню на градуированной шкале поплавка. Таким несложным методом производится измерение в каждой банке аккумуляторной батареи.
Как измерить плотность в необслуживаемом аккумуляторе
Необслуживаемые аккумуляторы не имеют в своей конструкции закрываемых технологических отверстий. Это означает, что производителем не была предусмотрена возможность самостоятельного измерения плотности электролита в течение всего срока службы АКБ.
Для умельцев такая особенность конструкции не является непреодолимой преградой на пути улучшения состояния устройства, в работе которого наблюдаются значительные отклонения от нормы.
Они превращают необслуживаемую модель аккумулятора в обслуживаемую при помощи дрели, которым в середине каждой банки делаются отверстия значительные отверстия.
В отверстиях метчиком нарезается резьба, а для изготовления пробки используется пластиковый прут подходящего диметра, на котором с помощью плашки делается определённого диаметра и шага резьба.
Получившуюся пластиковую шпильку разрезают на 6 отрезков длинной по 3 – 4 см. Самодельные пробки вкручиваются в сделанные ранее отверстия и далее батарея эксплуатируется как обслуживаемая.
Есть другой популярные метод. С краю, в крышке просверливают 6 маленьких отверстий, через которые можно будет получить полноценный доступ к жидкости в каждой банке аккумулятора.
Замерив электролит таким образом, герметичность элемента питания можно восстановить при помощи силиконового герметика. Чтобы при проведении герметизации вещество не попало внутрь аккумулятора, рекомендуется с помощью самодельного проволочного крючка попытаться выпрямить часть пластмассы, которая была продавлена в процессе изготовления отверстия.
Внимание! При механическом повреждении корпуса аккумулятор слетает с гарантией, и в случае допущения ошибки она может выйти из строя. Мусор провалившийся в банки также может снизить продолжительность жизни батареи.
Как поднять плотность в аккумуляторе
Падает плотность электролита, обычно, при добавлении дистиллированной воды в аккумуляторную батарею, имеющую негерметичный корпус. В этом случае обычно наблюдается разная концентрация в банках.
Если плотность в аккумуляторе невозможно выровнять во всех банках до приемлемого значения зарядным устройством, то производят замещения части кислотосодержащей жидкости свежим заводским электролитом. Корректировка плотности электролита выполняется в такой последовательности:
- Из проблемной банки с помощью груши удаляется максимально возможное количество электролита.
- В банку заливается свежая кислотосодержащая смесь.
Если в результате подобных действий в банках не происходит достаточного увеличения плотности, то процедуру следует повторить.
Как понизить плотность АКБ
Работа аккумулятора с повышенной плотностью электролита может негативно отразиться на его работоспособности, поэтому при наличии в банке электролита, концентрация которого выше 1,28 проводят процедуру позволяющую снизить концентрацию серной кислоты.
Процесс понижения плотности производится таким же образом, как и при выполнении процедуры повышения концентрации раствора, но вместо электролита в аккумулятор добавляется дистиллированная вода. То есть, вначале из проблемной банки удаляется часть электролита, а затем объём восполняется химически чистой водой.
Остались вопросы по плотности электролита или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полезным, полным и точным.
Измерение плотности ареометром
Любой автолюбитель, который ответственно относится к уходу за своим авто, должен обращать тщательное внимание на электрическую составляющую машины, а в частности на аккумулятор. Мы не устанем повторять о том, что периодически контролируя состояние Вашей батареи, Вы продливаете её срок службы в разы! Одной из важнейших характеристик, по которой можно судить о состоянии АКБ является плотность его электролита. Итак, давайте сегодня разберем измерение плотности ареометром. Вы убедитесь что это совсем не сложно и возможно станете чаще уделять этому внимание в будущем.Следует так же отметить, что существует два типа стартерных аккумуляторных батарей: обслуживаемые и необслуживаемые АКБ. Подробно различия между ними мы рассматривали в этой статье. Сейчас же хочу обратить Ваше внимание, что измерение плотности электролита ареометром возможно произвести только в обслуживаемых аккумуляторах.
Рекомендую все процедуры связанные с электролитом проводить в защитной одежде и очках.
Уровень электролита в аккумуляторе
Итак, мы имеем обслуживаемую батарею. Перед тем как измерять плотность, нам нужно проверить уровень жидкости в секциях АКБ. Сначала открутим крышки каждой банки аккумулятора (предварительно нужно протереть верхнюю крышку корпуса батареи, что бы внутрь секций не попала грязь). Далее нам понадобится прозрачная трубка что бы измерить уровень электролита. Как это делается описывалось уже не однократно. Напомню, что уровень должен быть на 10-15 мм выше пластин батареи. Если в каких то секциях он ниже, доливаем до уровня только дистиллированной водой.
Измерение плотности электролита
Производить измерение плотности следует при температурах 20-25°С. Такое показание считается более точным, в замеры при других температурах необходимо вносить поправки. Также диагностика проводится только когда АКБ полностью заряжена.
Итак, когда уровень электролита доведен до нормы и температура аккумулятора близка к комнатной, можно измерять плотность ареометром.
Для измерения плотности используется специальный прибор – ареометр. Ареометр – это такая стеклянная колба, внутри которой есть поплавок со шкалой, а на конце трубки имеется груша для всасывания электролита.
Вставляем наш измерительный прибор в каждую из секций аккумулятора поочередно и измеряем плотность жидкости. Поплавок внутри ареометра будет всплывать и по шкале вдоль линии жидкости мы должны зафиксировать результат. Нормальной считается плотность 1,27 г/см3. Ну конечно в процессе эксплуатации аккумуляторной батареи плотность может немного снижаться, так как происходит некий износ свинцовых пластин АКБ. Но она не должна быть ниже 1,24 г/см3 во всех секциях для старого заряженного аккумулятора.
Также, важнейший момент – это равномерность показаний. При измерении плотности ареометром показатели в каждой отдельной секции не должны отличатся более чем на 0,01 г/см3. Это крайне важно! Если в какой-то из банок аккумулятора показание плотности ниже на 0,02, 0,03 и т.д. от остальных это первый знак, что эта банка «отстает».
Если Вы произвели измерение плотности ареометром и показания, полученные Вами, указывают на проблему: низкая плотность, чрезмерно высокая плотность или неравномерная плотность во всех банках, не рекомендуется самостоятельное устранение такого рода неполадок. Для решения подобных проблем следует обратиться к специалистам в области аккумуляторных батарей. Попытки самостоятельно выровнять или поднять плотность электролита, скорее всего, закончатся плачевно для Вашей батареи.
Проводите плановое измерение плотности электролита ареометром и общую диагностику аккумулятора каждые 3 месяца. При необходимости ремонта сразу обратитесь в сервисный центр. Эти нехитрые советы смогут реально продлить срок службы Вашего аккумулятора и сэкономить Вам деньги.
Также на эту тему:
Как самостоятельно поднять плотность в аккумуляторе / Сервис Газ Vip
Аккумулятор в автомобиле — это устройство, которое необходимо для запуска транспортного средства и поддержании в работоспособном состоянии систем, зависящих от электричества. Со временем характеристики электролита снижаются, и водитель сталкивается с вопросом, как поднять плотность в аккумуляторе.
Содержание статьи:
- Почему падает плотность в аккумуляторе?
- Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе?
- Как поднять плотность в аккумуляторе самостоятельно?
- После зарядки осталась низкая плотность электролита, что делать?
- Где установить ГБО в Одессе?
1. Почему падает плотность в аккумуляторе?
Для нормальной работы батареи не нужно допускать разрядку ниже 50% и соблюдать высокие температуры, которые поддерживаются химическими процессами в электродах и электролитах. При недостатке уровень электролита восполняется дистиллированной водой.
Самыми частыми причинами снижения плотности раствора является:
- Низкая концентрация раствора при добавлении дистиллятора. С каждым таким добавлением, воды будет больше, а электролита меньше. Это чревато испарениями не только воды, но и электрической жидкости.
- Во время зарядки жидкость может закипать и выпариваться, из-за чего снижается уровень электролита, но при этом повышается его насыщенность. Ионизация свинца и соответствующих веществ происходит сложно, так как количество действующих молекул уменьшается. В конце концов жидкость теряет присущую ей плотность.
- Низкий заряд батареи.
Иногда зарядить севший аккумулятор не получается. Это признак того, что состояние электролита изменилось. Не знающие водители часто доливают в АКБ дистиллированную воду в больших объемах. И в этом состоит главная ошибка. Если дистиллята будет слишком много, то электролит выкипит, а плотность упадет.
Также причиной снижения плотности может быть глубокий разряд АКБ и его долгий срок хранения без подзарядки.
2. Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе?
Первое на что обращают внимание при первых же признаках неисправностей, это плотность электролита. Рабочая плотность в стартерных батареях должна быть около 1,24-1,30 г/см³. Ее измеряют специальным прибором под названием ареометр.
Когда аккумулятор разрядился, то плотность электролита снижается, а во время зарядки увеличивается. Именно поэтому плотность замеряют только на полностью заряженной батарее.
Важно! Для повышения плотности электролита можно добавлять серный концентрат. Но делается это предельно осторожно, т.к. при завышенной плотности начинают осыпаться пластины и портится АКБ.
3. Как поднять плотность в аккумуляторе самостоятельно?
Если вы решили самостоятельно повысить плотность в аккумуляторе, то в первую очередь соблюдайте правила техники безопасности. В составе электролита присутствует действующая серная кислота и при попадании на кожу, она может разъесть ее.
Чтобы повысить плотность электролита в АКБ можно воспользоваться одним из представленных способов:
- Полностью заменить электролит на новую жидкость с нормальной концентрацией 1 г/куб. см;
- Залейте кислоту аккумулятора в электролит;
- Доведите имеющийся раствор до нужной концентрации. Этого достигают путем добавления серной кислоты и дистиллированной воды. Жидкость заливают до необходимой насыщенности.
Чтобы полностью заменить электролит следуют следующему плану:
- Откачивают имеющийся раствор и освобождают емкость. Это можно сделать с помощью груши.
- В каждой емкости АКБ проделывают отверстия для полного слива остатков электролита.
- Банки и емкости удерживают в наклоне и отмывают остатки старого раствора дистиллированной водой.
- Чистые батареи приводят в герметичное состояние. Для этого понадобится паяльная лампа и кислотная пластмасса. Ими заделывают сделанные ранее отверстия.
- Емкости наполняют дистиллятором в нужных пропорциях. Количество воды будет зависеть от общего объема емкости и необходимого количества кислоты. Концентрация должна рассчитываться на диапазон 1,25-1,27 г/куб. см.
- Емкость хорошо закрывают и встряхивают аккумуляторную батарею без сильного наклона.
Запомните! Для начала в банку заливается разбавляющее вещество — дистиллят. Только потом добавляется кислота. Если не соблюдать порядок, жидкости начнет кипеть.
4. После зарядки осталась низкая плотность электролита, что делать?
Если процедура по повышению плотности электролита была проведена грамотно, то срок эксплуатации АКБ должен увеличиться. Но процедура по повышению плотности электролита не всегда приводит к успеху. Например, это может быть связано с осыпанием пластин.
Даже если после проведения процедуры плотность раствора быстро сокращается и после зарядки не поднимается до нужного показателя, то придется задуматься о покупке новой АКБ.
Чтобы восстановить прежнюю плотность батареи нужно добавить в нее свежий раствор электролита. Плотность электролита поднимет более концентрированный раствор и тем самым улучшатся показатели в аккумуляторе.
Для начала измерьте показания плотности проблемных банок ареометром. Если показания равны или меньше 1,20, то батарее нужна подобная процедура. В обслуживаемых аккумуляторах имеются специальные отверстия, через которые можно долить электролит.
- Нужно откачать часть старого раствора грушей и добавить в него концентрированный электролит, например, плотностью 1,30.
- Затем перемешивают раствор в аккумуляторе и снова измеряют плотность.
- Если по-прежнему есть отклонения, то процедуру повторяют пока плотность не поднимется до нужного уровня.
- Если плотность слишком сильно поднялась, то снова откачивают часть электролита, но только теперь добавляют воду.
Также можно из аккумулятора сразу откачать весь электролит, а залить в аккумулятор отдельного подготовленный раствор с нужной плотностью.
Периодическая полная зарядка аккумулятора зарядным устройством поможет сохранить его в полной работоспособности.
5. Где установить ГБО в Одессе?
Установить ГБО в Одессе можно в сервисных центрах Сервис Газ. Мы работаем с европейским оборудованием итальянского и польского производства. Все сотрудники имеют большой опыт работы в сфере установки газобаллонного оборудования.
У нас можно не только установить газ на авто, но и сделать полное техническое обслуживание газовых систем, провести ремонт, настройку и замену запчастей, которые уже выходят из строя.
Приезжайте к нам вовремя, чтобы ваше транспортное средство всегда было на ходу.
Рекомендуем посмотреть видео:
24.11.2020
(428 просмотров)
Старый аккумулятор. Заряжать или выбросить?
Как вы уже поняли, для этого аккумулятор придется с автомобиля снять. Впрочем, если в вашем распоряжении есть теплый гараж, то можно обойтись и без таскания тяжестей. Но клеммы нужно отсоединить обязательно.
Для начала измеряется напряжение аккумулятора без нагрузки и под нагрузкой. Это позволит понять степень разряда аккумулятора и оценить его работоспособность. Ниже приведена специальная таблица, которая соотносит эти напряжения с зарядом аккумулятора.
По большому счету, для разных технологий аккумуляторов данные в табличке будут несколько отличаться. Следует помнить, что таблица составлена для новых аккумуляторов, так что для батарей, которые эксплуатируются давно, данные так же могут чуть-чуть иными. Но эта разница в обоих случаях настолько незначительна, что ею можно пренебречь.
Если с напряжениями окажется всё в порядке, то останется измерить плотность электролита, чтобы сделать окончательное заключение о состоянии аккумулятора.
Для теста нам потребуется нагрузочная вилка. Конечно, будет лучше, если этот прибор окажется современным цифровым, с возможностью фиксации изменений напряжения по секундам. Но и обычный стрелочный тоже вполне сгодится.
Первый замер напряжения мы делаем без нагрузки. Если ваша нагрузочная вилка может производить замер только под нагрузкой, тогда для первого замера вам потребуется мультиметр.
При замере нагрузочной вилкой, особенно со стрелочным прибором(!) соблюдайте полярность. Разъем-крокодил прицепляется на «минус», а сама вилка присоединятся к положительной клемме.
На мультиметре ситуация проще: если вы перепутали полярность, то прибор просто покажет отрицательное значение напряжения, а само число будет тем же. И, конечно, не забудьте перевести мультиметр в режим вольтметра постоянного тока. Если пределы измерений переключаются, то для большей точности нужно выбрать минимальный, который позволит замерить 12 Вольт.
ВАЖНОЕ УТОЧНЕНИЕ: все замеры и напряжения, и плотности электролита делаются с точностью до одной сотой. И это не ловля блох, а совершенно принципиальный вопрос. Именно вот эти сотые доли величин и будут определять состояние аккумулятора.
Итак, аккумулятор дома уже 10 часов, температура порядка 20°С.
Делаем замер напряжения без нагрузки. В нашем случае получаем 12,55 Вольта.
Смотрим в табличку. Видим, что ближайшее значение 12,54 Вольта.
Скорее всего наш аккумулятор просто разряжен. Если бы это напряжение оказалось ниже 12,2 Вольта, то мы бы имели дело с сильно разряженным аккумулятором. А пока у нас обычная рабочая ситуация.
Это хорошая новость, и мы можем смело приступать к замеру напряжения под нагрузкой.
Напряжение под нагрузкой измеряется 5-7 секунд. В течение времени замера оно меняется – сначала падает, а потом растет.
Как видно из таблицы, для аккумулятора в нормальном рабочем состоянии напряжение в конце замера должно быть не менее 10,5 Вольт.
Подключаем нагрузку, делаем замер. Обратите внимание, чем удобна такая нагрузочная вилка – мы точно знаем, на какой секунде замера какое напряжение выдавала батарея.
Мы видим, что напряжение в конце замера 10,05 Вольта, что на 45 сотых ниже ожидаемого нормального. Вывод простой – аккумулятор разряжен.
Однако, окончательный вердикт выносить рано: это можно сделать, только замерив плотность электролита по каждому элементу или, как говорят специалисты, по каждой банке.
Для замера плотности электролита используется прибор ареометр.
Наш ареометр – серьёзный, профессиональный прибор повышенной точности.
Но для такого теста вполне подойдет обычный стеклянный ареометр с резиновой грушей, который совсем недорого можно купить в автомагазине.
ОЧЕНЬ ВАЖНАЯ ИНФОРМАЦИЯ !!!
- Электролит – это слабая кислота, и работа с ним требует осторожности!
- Исключите присутствие детей при работе с аккумулятором.
- Обязательно защитите глаза, наденьте резиновые перчатки и фартук.
- Ни в коем случае не подносите близко к лицу ареометр и не приближайте лицо к аккумулятору.
- Держите под рукой запас воды и мыла. В случае попадания кислоты немедленно промойте место мылом с обильным количеством воды.
- Не пользуйтесь открытым огнем, электроприборами, не курите!
- Не работайте в нетрезвом виде!
Замеряем плотность электролита по всем шести элементам. Допустимое отличие плотности в разных банках не более, чем 0,2 г/см³.
Как видим, во всех шести банках плотность одинаковая и равна 1,25 г/см³.Это полностью согласуется с таблицей, о которой мы уже говорили.
Значит, аккумулятор нужно зарядить и можно эксплуатировать дальше.
А ведь он был сдан в утиль!
Помните, о чем мы говорили в самом начале?
Это тот самый случай, когда хозяин выбросил вполне рабочую батарею, которая всего лишь требовала небольшого внимания – подзаряда.
Что очень удобно для человека, не сильно искушенного в технике, то, что на этом простом ареометре можно ориентироваться даже не по цифрам, а по цвету зон. Зелёная зона означает, что плотность электролита в рабочей норме. Белая зона – батарее требуется заряд. И красная зона – состояние аккумулятора, когда скорее всего нужна помощь профессионала или уже всё же придется менять аккумулятор.
Значит, аккумулятор нужно зарядить и можно эксплуатировать дальше.А ведь он был сдан в утиль!Помните, о чем мы говорили в самом начале?Это тот самый случай, когда хозяин выбросил вполне рабочую батарею, которая всего лишь требовала небольшого внимания – подзаряда.
Таблица отношения напряжения и степени заряда аккумулятора к плотности электролита
| Плотность электролитапри +15°С (г/см²) | Напряжениебез нагрузки (В) | Напряжениепри подключенной нагрузке 100А (В) | Степень заряженности батареи (%) | Температура замерзанияэлектролита (°С) |
| 1,27 | 12,66 | 10,08 | 100,0 | -60 |
| 1,26 | 12,60 | 10,66 | 94,0 | -55 |
| 1,25 | 12,54 | 10,50 | 87,5 | -50 |
| 1,24 | 12,48 | 10,34 | 81,0 | -46 |
| 1,23 | 12,42 | 10,02 | 75,0 | -42 |
| 1,22 | 12,36 | 10,06 | 69,0 | -37 |
| 1,21 | 12,30 | 9,90 | 62,5 | -32 |
| 1,20 | 12,24 | 9,74 | 56,0 | -27 |
| 1,19 | 12,18 | 9,60 | 50,0 | -24 |
| 1,18 | 12,12 | 9,46 | 44,0 | -18 |
| 1,17 | 12,06 | 9,30 | 37,5 | -16 |
| 1,16 | 12,00 | 9,14 | 31,0 | -14 |
| 1,15 | 11,94 | 9,00 | 25,0 | -13 |
| 1,14 | 11,88 | 8,84 | 19,0 | -11 |
| 1,13 | 11,82 | 8,68 | 12,56 | -9 |
| 1,12 | 11,76 | 8,54 | 6,0 | -8 |
| 1,11 | 12,70 | 8,40 | 0,0 | -7 |
Плотность аккумулятора: как измерить и повысить.
Аккумулятор состоит из отдельных гальванических элементов, преобразующих химическую реакцию в электрическую энергию. Каждый элемент имеет напряжение 2 V. Плотность аккумулятора (электролита) формируется шестью элементами, последовательно соединенными в одном пластмассовом корпусе. Работают они на повышение напряжения. А силу тока можно увеличить, соединив их параллельно.
Устройство
Аккумуляторная батарея (АКБ) является химическим источником тока, резервирующим электрическую энергию для питания стартера. Она же снабжает током приборы автомобиля. Считается хорошим подспорьем, когда наблюдается низкая мощность генератора.
К основным параметрам АКБ следует отнести:
- номинальную емкость;
- напряжение;
- ток холодного запуска двигателя.
Данные маркируются на корпусе аккумулятора.
Практически все автомобильные аккумуляторы работают на свинцово — кислотных батареях. Материал корпуса из пропилена, изоляционный, стойкий к кислоте. Каждый аккумулятор содержит попеременно расположенные положительно и отрицательно заряженные электроды. Между пластинами (электродами) размещаются пластиковые сепараторы, отделяющие пластины друг от друга.
Сами электроды представляют собой свинцово–кальциевый сплав, рассчитанный на ограничение степени саморазряда. То есть, за полтора года он может разрядиться на 50%. Эти аккумуляторы относятся к категории не обслуживаемых, поскольку потеря воды в них составляет всего 1 гр/Ач. Кстати, добавление серебра или олова в электроды заметно повышает их коррозионную стойкость.
Структура решетки положительных и отрицательных элементов имеют разную технологию изготовления. Например, на отрицательных электродах делаются просечки свинцовой пластины, затем проводят растяжку. Положительные электроды состоят из опорной рамы с жилками конкретной направленности. Такая конструкция обеспечивает качественную жесткость и ограничивает их линейное расширение. Более того, положительные пластины покрываются диоксидом свинца, а отрицательные, губчатым свинцом. Отрицательные и положительные элементы помещаются в сернокислотный раствор, величина плотности которой зависит от уровня зарядки батареи.
Принцип работы
Действие аккумулятора является результатом способности его преобразовывать химическую реакцию в электрическую энергию при разряде, наоборот, при заряде. Исходя из этого принципа, все АКБ работают в циклическом режиме.
То есть, подключение потребителей вызывает разряд активной положительной и отрицательной масс, взаимодействующих с электролитом. В этом случае плотность падает, «садится». Но АКБ заряжается от генератора. Зарядку батарей можно получить и от зарядного устройства. Происходит процесс преобразования раствора в двуокись свинца и соединение серной кислоты, что приводит к повышению плотности раствора.
Нужно отметить, что работоспособность батареи во многом зависит от температуры среды. При повышенной температуре отдаваемая мощность повышается, что приводит к саморазряду, величина которого находится в прямой зависимости от температуры среды и конструкции электродов.
Продолжительность работы АКБ составляет 4÷5 лет и это средняя величина.
Плотность
Определяется визуально, так называемым, стеклянным глазом или цветным датчиком. Зеленый оттенок на нем свидетельствует о заряженности, черный цвет – среднем уровне зарядки и желтый означает низкую величину зарядки. Значит, принцип работы этого визуального прибора построен на плотности электролита.
Автомобильные батареи рассчитаны на жесткое крепление, посредством рамки, во избежание его опрокидывания или разлива.
Способ проверки
Плотность электролита в аккумуляторе проверяется простым автомобильным ареометром. Это стеклянная колбочка с резиновой грушей на верхнем конце и длинной резиновой трубкой снизу. Внутри колбы помещается обычный ареометр. Нажимая на грушу, выпускается из нее воздух. Резиновая трубка прибора опускается в банку как можно ниже. Расслабляя руку, выбирается из нее содержимое. При этом ареометр внутри колбы начинает всплывать и, не касаясь чего-либо, становится на отметке. Нижняя градуировка (мениск) и покажет плотность. Нажатием груши содержимое колбы сливается обратно. Процедура повторяется с каждой банкой.
Оптимальный уровень зарядки
Уровень зарядки автомобильного аккумулятора зимой достигает 25%. Это сигнал о необходимости произвести зарядку. Следует помнить, что зимой, при температуре среды–20° C и плотности 1г/см³, аккумулятор склонен замерзнуть. Поводом для подзарядки может стать и разная плотность отдельных банок в пределах 0,02 г/см³. При этом оптимальный ток не должен превышать 0,05 самой батареи. Например, для зарядки батареи, емкость которой составляет 60 Ач, сила тока будет 3,0 Ач. Лучше не доводить электролит до кипения сильным током. Кстати, слабый ток подзарядит батарею лучше. Если в течение двух часов раствор не закипает, а плотность остается без изменения, то считается аккумулятор полностью заряженным.
При исправной работе генератора и реле, аккумулятор получает наибольшую зарядку во время езды.
Нужно знать, что с запуском двигателя зимой аккумулятор начинает заряжаться только после достижения электролитом положительной температуры. Информация к тому, что зимние переезды, даже на короткие расстояния могут стать поводом полной разрядки источника тока.
Кстати, летом для плотности раствора достаточно 1.18
Проверка
Как проверить плотность аккумулятора денсиметром, если электролит уже разбавлялся дистиллированной водой. Здесь плотность замеряют через 40 минут после запуска двигателя. По наименьшему показателю плотности одной банки определяется, общая разрядка батареи. К примеру, если плотность электролита в аккумуляторе не удается измерить, степень разрядки проверяют нагрузкой стартера. Для этого используется специальная нагрузочная вилка. Посредством лапок, клемма каждой банки поочередно замыкается на 5 секунд, для фиксации показаний вольтметра. Разность по каждой банке не должна составлять более 0,2 V. При высокой разности, банка заменяется.
Повышение плотности
Вопрос как поднять плотность аккумулятора стоит всегда, когда стартер отказывает крутить маховик. Это, прежде всего, падение плотности батареи, которая может произойти по разным причинам. Что же делать? Нужно замерить показания электролита каждой банки, зная, что плотность его не должна превышать 1.29. Для северных реалий шкала может быть и выше. Но если цифра показывает, например, 1.18–1.20, добавка электролита с показателем 1.27 только повысит плотность. Процедура откачки старого остатка из одной банки выполняется при помощи клизмы–груши. Поочередно доливается новый раствор из расчета половины объема удаленного. После небольшой встряски, на предмет качественного смешения раствора, делается замер плотности. Если значение ее меньше нужного, доливается остальной объем. Процесс ведется до достижения необходимой плотности.
При всем желании, полная замена электролита не выдаст тех результатов, которые показывают новые батареи.
Влияние сульфатации
Это процесс окисления и затем кристаллизации, так или иначе, происходящих химических реакций. В результате элементы пластины становятся очагом высокого сопротивления внутри батареи. В этой ситуации имеет место резкое повышение сопротивления и закипание электролита. Незнание о появлении коричневых или бело–грязных пятен на пластинах вовсе не гарантирует нормальную работу аккумулятора.
Высокий уровень сульфатации приводит к скачкам температуры в момент запуска двигателя, повышению газовыделения. Фактор сказывается на емкости батареи, цвете и плотности раствора. Если оказия обнаружена своевременно, то можно воспользоваться процедурой разрядки–зарядки батареи.
Для этого нужно полностью зарядить ее и довести плотность до 1.285 г/см³, заправляя постепенно электролитом. Если переборщили, можно разбавить дистиллированной водой. Полностью зарядив батарею, начинают процесс разрядки, методом подключения лампы накаливания в пять ампер. Когда напряжение будет доведено до 10,2 V, нужно остановиться, поскольку эта величина равна напряжению 1,7 V каждой банки. При желании процесс можно повторить.
Есть утверждения о целесообразности этой методики спасения батареи.
Что ускоряет износ
- Использование некачественного раствора, непроверенной дистиллированной воды;
- длительное время хранения в разряженном состоянии;
- случаи замерзания раствора также весьма пагубно сказываются на работоспособности аккумулятора.
Но правильный, своевременный уход и обслуживание батарей всегда был залогом длительной ее эксплуатации
Батареи (часть вторая)
Жизненный цикл батареи
Срок службы батареи определяется как количество полных циклов зарядки / разрядки, которое батарея может выполнить до того, как ее нормальная зарядная емкость упадет ниже 80 процентов от ее первоначальной номинальной емкости. Срок службы батареи может варьироваться от 500 до 1300 циклов. Различные факторы могут вызвать износ аккумулятора и сократить срок его службы. Первый — это чрезмерная разрядка, которая вызывает избыточное сульфатирование; во-вторых, слишком быстрая зарядка или разрядка, приводящая к перегреву пластин и отслаиванию активного материала.Накопление наплавленного материала, в свою очередь, вызывает короткое замыкание пластин и приводит к внутреннему разряду. Батарея, которая остается разряженной или разряженной в течение длительного периода времени, может быть необратимо повреждена. Ухудшение может продолжаться до такой степени, что емкость элемента может упасть до 80 процентов после 1000 циклов. Во многих случаях элемент может продолжать работать почти 2000 циклов, но с уменьшенной емкостью на 60 процентов от исходного состояния.
Методы испытаний свинцово-кислотных аккумуляторов
Состояние заряда аккумуляторной батареи зависит от состояния ее активных материалов, в первую очередь пластин.Однако состояние заряда батареи определяется плотностью электролита и проверяется ареометром, прибором, который измеряет удельный вес (вес по сравнению с водой) жидкостей.
Чаще всего ареометр состоит из небольшой герметичной стеклянной трубки, утяжеленной на нижнем конце так, что она плавает в вертикальном положении. [Рисунок 12-195] Внутри узкого стержня трубки находятся бумажные весы с диапазоном значений от 1,100 до 1,300.
Рисунок 12-195. Ареометр (показания удельного веса).При использовании ареометра количество электролита, достаточное для плавания ареометра, набирается в шприц. Глубина погружения ареометра в электролит определяется плотностью электролита, а значение шкалы, указанное на уровне электролита, является его удельным весом. Чем плотнее электролит, тем выше плавает ареометр; следовательно, наибольшее число на шкале (1,300) находится в нижней части шкалы ареометра.
В новой полностью заряженной аккумуляторной батарее самолета электролит состоит примерно на 30 процентов из кислоты и на 70 процентов из воды (по объему) и равен 1.В 300 раз тяжелее чистой воды. Во время разряда раствор (электролит) становится менее плотным, и его удельный вес падает ниже 1,300. Значение удельного веса от 1,300 до 1,275 указывает на высокий уровень заряда; от 1,275 до 1,240 — средний уровень заряда; а между 1.240 и 1.200 — низкий уровень заряда. Аккумуляторы для самолетов обычно имеют небольшую емкость, но подвержены большим нагрузкам. Значения, указанные для состояния заряда, поэтому довольно высоки. Ареометры периодически проводятся на всех аккумуляторных батареях, установленных в самолетах.Аккумулятор самолета в низком состоянии заряда может иметь, возможно, оставшийся 50-процентный заряд, но, тем не менее, считается низким перед лицом высоких требований, которые вскоре его истощат. Считается, что аккумулятор в таком состоянии заряда нуждается в немедленной подзарядке.
При проверке батареи с помощью ареометра необходимо учитывать температуру электролита. Показания удельного веса на ареометре отличаются от фактического удельного веса при изменении температуры.При температуре от 70 ° F до 90 ° F коррекция не требуется, поскольку изменение недостаточно велико, чтобы его можно было учесть. Когда температура выше 90 ° F или ниже 70 ° F, необходимо применить поправочный коэффициент. Некоторые ареометры оснащены шкалой коррекции внутри трубки. Для других ареометров необходимо обращаться к таблице, предоставленной производителем. В обоих случаях поправки следует добавлять или вычитать из показаний ареометра.
Удельный вес элемента является надежным только в том случае, если в электролит ничего не было добавлено, за исключением случайных небольших количеств дистиллированной воды для восполнения потерь в результате нормального испарения. Всегда снимайте показания ареометра перед добавлением дистиллированной воды, а не после. Это необходимо для того, чтобы дать воде время для тщательного смешивания с электролитом, и чтобы избежать втягивания в шприц ареометра пробы, которая не отражает истинную концентрацию раствора.
Будьте предельно осторожны при проверке свинцово-кислотной ячейки ареометром.Обращайтесь с электролитом осторожно, поскольку серная кислота обжигает одежду и кожу. Если кислота попала на кожу, тщательно промойте это место водой, а затем нанесите бикарбонат соды.
Способы зарядки свинцово-кислотных аккумуляторов
При пропускании постоянного тока через аккумулятор в направлении, противоположном направлению тока разряда, аккумуляторная батарея может быть заряжена. Из-за внутреннего сопротивления (IR) в батарее напряжение внешнего источника заряда должно быть больше, чем напряжение холостого хода.Например, напряжение холостого хода полностью заряженной 12-элементной свинцово-кислотной батареи составляет примерно 26,4 В (12 × 2,2 В), но для ее зарядки требуется примерно 28 Вольт. Это большее напряжение необходимо для зарядки из-за падения напряжения в батарее, вызванного внутренним сопротивлением. Следовательно, зарядное напряжение свинцово-кислотной батареи должно равняться напряжению холостого хода плюс падение ИК-излучения внутри батареи (произведение зарядного тока и внутреннего сопротивления).
Батареи заряжаются методом постоянного напряжения или постоянного тока.В методе постоянного напряжения [Рис. 12-196A] мотор-генератор с постоянным регулируемым напряжением проталкивает ток через батарею. В этом методе ток в начале процесса высокий, но автоматически снижается, достигая значения примерно 1 ампер, когда аккумулятор полностью заряжен. Метод постоянного напряжения требует меньше времени и контроля, чем метод постоянного тока.
Рисунок 12-196. Способы зарядки аккумулятора.В методе постоянного тока [Рисунок 12-196B] ток остается почти постоянным в течение всего процесса зарядки.Этот метод требует больше времени для полной зарядки аккумулятора и к концу процесса представляет опасность перезарядки, если не соблюдать осторожность.
В самолете аккумуляторная батарея заряжается постоянным током от системы генератора самолета. Этот метод зарядки является методом постоянного напряжения, поскольку напряжение генератора поддерживается постоянным с помощью регулятора напряжения.
Когда аккумуляторная батарея заряжается, она генерирует определенное количество водорода и кислорода.Поскольку это взрывоопасная смесь, важно принять меры для предотвращения воспламенения газовой смеси. Ослабьте вентиляционные колпачки и оставьте на месте. Не допускайте появления открытого огня, искр или других источников воспламенения поблизости. Перед отключением или подключением аккумулятора к зарядке всегда отключайте питание дистанционным выключателем. На Рис. 12-197 показано оборудование для зарядки аккумулятора.
Рисунок 12-197. Зарядное устройство.Flight Mechanic рекомендует
Мониторинг состояния заряда батареи (SOC)
Мониторинг состояния заряда батареи (SOC), вероятно, является наиболее важной задачей для солнечной системы.К сожалению, это трудно оценить с высокой степенью точности, особенно для новичков. Существует три основных метода определения SOC аккумулятора.
| Напряжение | SOC |
|---|---|
| 12,57 | 100% |
| 12,36 | 80% |
| 12,15 | 60% |
| 11,94 | 40% |
| 11,73 | 20% |
1.Напряжение: напряжение необходимо измерять, когда батарея находится в состоянии покоя. Это означает, что аккумулятор не заряжается и нагрузка не выходит. В идеале батарея должна находиться в состоянии покоя в течение 20-30 минут перед измерением напряжения. Приблизительные значения для 12-вольтовой батареи:
Как видите, диапазон напряжений довольно узок, поэтому для измерения этих значений вам понадобится неплохой цифровой мультиметр.
2. Удельный вес: вы можете использовать ареометр для измерения плотности электролита, чтобы дать вам представление о SOC.Это также подвержено интерпретации и оценке. Когда батарея разряжается, электролит становится светлее. Когда вы заряжаете аккумулятор, этот более легкий электролит будет плавать сверху и давать очень пессимистичные показания. Это называется расслоением электролита и преодолевается только тогда, когда электролит снова перемешивается под действием пузырьков хорошего заряда. Добавление в аккумулятор дистиллированной воды также повлияет на показания. Также есть проблемы с чтением ареометров и качеством ареометров.Грязный ареометр может загрязнить аккумулятор. Чтобы получить точные показания, вам необходимо откорректировать значения температурной компенсации. Различные производители аккумуляторов могут использовать в своих аккумуляторах кислоты разной концентрации. Итак, в заключение, оценка SOC батареи по показаниям ареометра также сопряжена с множеством трудностей и неточностей.
Plasmatronics PL регулятор: последний метод включал мониторинг ампер-часов на входе и выходе из вашей батареи. Цитата из Руководства по плазматронике:
SOC (State of Charge) следует читать как процентную оценку того, насколько полная батарея.
Оценка основана на счетчике баланса ампер-часов. Этот счетчик поддерживает текущий баланс ампер-часов в ампер-часах по сравнению с выходными. Дисплей SOC показывает этот баланс в процентах от емкости батареи. Обратите внимание, что размер батареи должен быть введен установщиком с настройкой BCAP (емкость батареи), прежде чем SOC станет значимым.
Со временем счетчик баланса в ампер-часах будет отклоняться от реального состояния заряда батареи. Для перенастройки счетчика PL делает две поправки:
1.Когда состояние регулятора изменяется с Absorb на Float И рабочий цикл заряда меньше 25%, SOC сбрасывается на 100%.
2. SOC может считывать более 100%, однако, как только будет записан 1 Ач разрядки, он будет снова установлен на 100%.
Примечание. К цифре SOC следует относиться с осторожностью, поскольку она может быть неточной по нескольким причинам:
* PL автоматически не знает всю систему. Чтобы SOC вообще работал, PL должен измерять весь заряд (Ah in) и разряд (Ah out).Если аккумулятор может заряжаться или разряжаться без знания PL, SOC не будет иметь смысла.
* Различия в эффективности заряда означают, что SOC будет немного оптимистичным.
* Эффективная емкость аккумулятора уменьшается с возрастом. В старых батареях необходимо уменьшить BCAP, чтобы приспособиться к этому.
* Саморазряд и колебания температуры также могут вызывать некоторую неточность.
Неэффективность батареи и потери на саморазряд проявляются, когда SOC показывает более 100%.Так что нет ничего необычного в том, чтобы увидеть SOC на уровне, скажем, 112%, когда ваша батарея переходит в состояние плавающего режима. 12% представляют собой дополнительную мощность, которую ваши источники зарядки должны были вложить, чтобы компенсировать потери батареи.
Если ваша батарея находится в плавающем состоянии — скажем, показывает 112% — она упадет до 99% после разряда одного ампер-часа. Скажем, она снижается до 80%, а на следующий день поднимается только до 90%. К сожалению, потраченные 10% не учитывают потери при зарядке аккумулятора. Так что, вероятно, он заряжен только на 89%, а не на 90%.Это довольно мелочь. Однако при продолжительной пасмурной погоде или при подзарядке в течение нескольких дней подряд без достижения поплавка ошибка становится накопительной. Таким образом, подобная зарядка на второй день приведет к заряду только до 88% и т. Д. Пару недель в пасмурную погоду легко могут привести к ошибке в 15-20% (с оптимистичной стороны). Неэффективность зарядки уменьшается по мере того, как батарея разряжается, поэтому в некоторой степени эта ошибка уменьшается по мере того, как батарея разряжается.
Итак, в заключение, мы считаем, что отображение% SOC чрезвычайно полезно.В большинстве случаев мы считаем, что это более точно, чем измерение напряжения или удельного веса батареи. Однако через несколько дней, когда аккумулятор не переходит в плавающее положение, дисплей может ввести в заблуждение. В этом случае мы также рекомендуем вам взглянуть на минимальное и максимальное напряжение, чтобы лучше оценить состояние заряда аккумулятора.
Полностью заряженная батарея — обзор
Состояние заряда
Состояние заряда обычно определяется как фактически доступное количество заряда в данной батарее ( Q ), связанное с максимально доступным количеством заряда, которая может быть снята с этой батареи после 100% полной зарядки ( C ) и обычно выражается в процентах:
[1] SoC = фактически доступное количество заряда (Q) максимально доступное количество заряда (C) × 100%
Это определение LAB не является ясным и однозначным.Причина этого в том, что оба используемых значения, эталонное значение «максимально доступное количество заряда», так называемая «емкость аккумулятора» и «фактически доступный объем заряда» могут быть определены и соответственно измерены различными способами.
Контрольный тест для Q — это разряд с определенным заданным током до заданного напряжения отсечки при определенной заданной температуре батареи. Эталонным тестом емкости аккумулятора C является полная зарядка с последующей разрядкой в условиях, аналогичных описанным ранее.В зависимости от скорости разрядного тока, температуры батареи, напряжения отключения и определения «полного заряда» могут быть получены разные значения для Q , C и, следовательно, для SoC.
Чтобы понять определение SoC, сначала необходимо дать определение «полной зарядке». Как правило, это определяется процедурой зарядки, приводящей к полностью заряженной батарее. Однако «полный» не является «полным» и сильно зависит от установленной процедуры начисления. Вот некоторые часто используемые определения «полностью заряженной батареи»:
- •
Физическая полная означает, что все доступные активные массы находятся в заряженном состоянии.В новых аккумуляторах для зарядки доступны все активные массы. В старых батареях части активных масс могут ослабнуть из-за эрозии, могут быть недоступны для тока заряда из-за коррозионных слоев на электродах или могут быть преобразованы в необратимые сульфаты и, следовательно, больше не доступны для зарядки. Физическое наполнение достигается в тот момент, когда дополнительный зарядный ток используется на 100% для побочных реакций, таких как выделение газов или коррозия.
- •
Номинальная полная мощность достигается, когда применяется процедура зарядки, предписанная производителем батареи или данным стандартом.Для новых аккумуляторов это обычно почти такое же состояние, как и полное физическое. Например, в старых батареях крупнозернистые кристаллы сульфата свинца образуются во время работы или из-за процессов перекристаллизации. Эти кристаллы часто не могут быть растворены стандартными процедурами зарядки. Следовательно, части активных масс остаются в разряженном состоянии после номинальной полной зарядки. Для достижения физического полного состояния необходимо применять модифицированные стратегии зарядки, такие как зарядка при повышенных температурах или в течение более длительных периодов времени.Например, международный стандарт (EN 50342–1: 2006) для шестиэлементных залитых батарей стартер-свет-зажигание (SLI) определяет номинальный заряд CCCV-заряда на 25-35 ° C и (16,00 ± 0,01) В с ограничение тока 5 I номинальное на 24 ч. В старых батареях после этой процедуры зарядки может оставаться некоторое количество сульфата свинца. Они могут широко раствориться, если применяется дополнительная зарядка минимум на 40 ° C.
- •
Рабочий полный определяется как максимально возможная SoC батареи, которая может быть достигнута в полевых условиях в данном приложении.Номинальные условия заряда часто не могут применяться к батареям, которые используются в реальных приложениях, из-за конструкции системы, ограничений, касающихся максимального напряжения заряда, температуры батареи и доступного времени зарядки. В результате аккумулятор, новый или старый, не может даже достичь номинального состояния полной зарядки. Например, в обычных транспортных средствах напряжение в системе обычно не может превышать примерно 15 В (что ниже 16 В, определенного для номинального заряда), а периоды заряда ограничиваются временем вождения (обычно намного меньше, чем 24 часа за один раз), так что даже свежий SLI аккумулятор не может быть полностью заряжен по номиналу.
Как следует из эталонных испытаний для C и Q , батарея определяется как разряженная, когда при ее разряде заданным номинальным током при определенной температуре достигается заранее заданное напряжение отсечки. Процедура разряда с указанными параметрами называется стандартным испытанием емкости. Это определение более практично, чем физически полностью разряженная батарея, где все активные массы находятся в разряженном состоянии, по нескольким причинам.Во-первых, ЛАБ нельзя полностью разгрузить физически, не нанеся ей необратимого повреждения. Во-вторых, в большинстве приложений батарея должна обеспечивать определенный уровень напряжения, даже если она «разряжена». В-третьих, полная физическая разрядка будет длиться почти бесконечно долго. Изготовитель или пользователь батареи может определить номинальную скорость разряда, напряжение в конце разряда и температуру. Поэтому необходимо упомянуть параметры для определения емкости с помощью теста емкости.В противном случае результаты несопоставимы.
После того, как значения «полная» и «разряженная» батарея будут четко определены, можно ввести различные однозначные определения емкости батареи:
- •
Номинальная емкость или номинальная емкость C N . Номинальная или номинальная емкость — это значение емкости, указанное производителем при номинальных условиях эксплуатации (определяемых температурой, разрядным током и напряжением в конце разрядки, как при стандартном испытании емкости).
- •
Начальная производительность C 0 . Первоначальная емкость — это измеренная емкость новой батареи. Эталонное измерение состоит из номинальной полной зарядки с последующим стандартным испытанием емкости, как определено выше. Для данной лаборатории это значение может быть немного выше или ниже номинальной емкости C N из-за производственных допусков, систематического завышения размеров производителем или отсутствия циклов инициализации, которые могут увеличить емкость в начале срока службы.
- •
Фактическая производительность C a . Фактическая емкость — это измеренная емкость батареи в ее текущем состоянии. Эталонное измерение такое же, как и для начальной емкости. Следовательно, для новой батареи C a = C 0 . В случае старых батарей C a
0 из-за процессов старения, которые приводят к потере емкости. Однако это не всегда верно во всех случаях.Некоторые LAB показывают увеличение фактической мощности C a в течение нескольких месяцев или даже лет. Это особенно заметно для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей с регулируемым клапаном (VRLA). - •
Доступная емкость C ср. . Доступная емкость — это емкость данной новой или устаревшей батареи, доступная для данного приложения. Эталонным измерением часто является рабочий полный заряд с последующим разрядом с номинальным током до тех пор, пока не будет достигнуто определяемое приложением напряжение конца разряда при фактической температуре батареи.
Теперь можно определить SoC, но перед этим следует отметить важный момент.
Общее определение SoC согласно формуле [1] полезно, когда SoC необходимо измерить с помощью эталонных тестов, потому что для обоих значений, Q и C , количество заряда может быть рассчитано во время разряда как ток разряда. умножается на время разряда. Если необходимо настроить определенную SoC (так, чтобы батарея имела определенное количество заряда Q ), невозможно разрядить LAB, пока она не станет пустой, а затем зарядить ее снова и вычислить сохраненное количество заряда путем интегрирования заряда Текущий.Причина в том, что из-за более высокого напряжения батареи во время зарядки значительная часть зарядного тока переходит в реакцию выделения газа, и, таким образом, фактически накопленный заряд ниже, чем рассчитанный путем интегрирования зарядного тока. Следовательно, чтобы установить определенную SoC батареи, она должна быть полностью заряжена (до 100% SoC), а затем определенное количество заряда должно быть снято с батареи путем разрядки, так что
[2] SoC = максимально доступное количество заряда (C) — снятое количество заряда (Qd) максимальное доступное количество заряда (C) × 100%
Это фактически немного другое определение SoC, но если C , Q и Q d измеряются при одинаковых условиях разряда (температура, ток разряда, напряжение в конце разряда и тот же срок службы батареи), затем
[3] C = Q + Qd
, и это определение SoC эквивалентно определению, данному в уравнении [1].
Если упоминается «SoC», обычно имеется в виду фактическая доступная емкость, связанная с номинальной емкостью C N . Поскольку C N часто не является измеренным значением для данной батареи, условие [3] не выполняется. В этом случае с помощью формул [1] или [2] можно получить разные значения для SoC. С этой точки зрения для новой батареи SoC, относящаяся к начальной емкости ( C 0 ), более предпочтительна, поскольку выполняется условие [3].
Например, свежая батарея SLI номинальной емкостью C N = 100 Ач. Аккумулятор может иметь начальную емкость C 0 = 105 Ач. В этом случае, если аккумулятор должен быть настроен на 50% SoC (относится к C N ), тогда Q d = 50 Ач должно быть разряжено от аккумулятора согласно формуле [2]. Тем не менее, разрядив аккумулятор в номинальных условиях, можно снять аккумулятор емкостью 55 Ач до полного разряда.Это означало бы, что SoC (относящаяся к C N ) согласно определению [1] составляла 55%.
Для устаревших батарей SoC, относящаяся к начальной емкости, и использование определений [1] или [2] не будет согласованным. В этом случае следует использовать SoC, относящуюся к фактической емкости (SoC a ). По той же причине в приложении только SoC, связанная с доступной емкостью (SoC av ) с использованием определений [1] и [2], является правильным.
Связь между различными SoC можно пояснить на примере, показанном на рисунке 1.В этом примере дан старый LAB с начальной емкостью C 0 = 100 Ач. Из-за крупных кристаллов сульфата свинца физический полный заряд не может быть получен в течение ограниченного времени процедуры номинального заряда. Таким образом, емкость 5Ач остается незаряженной. При заданных критериях напряжения в конце разряда батарея имеет меньшую емкость из-за старения по сравнению с новой батареей. В этом примере это составляет дополнительную потерю емкости в 20 Ач. В результате получается фактическая емкость C a = 75 Ач.SoC окно между 0% и 100% может быть сопоставлено с окном SoC 0 между 20% и 95%. В некоторых приложениях доступная емкость аккумулятора может составлять только C av = 65 Ач, поскольку при полной зарядке остается значительное количество активных масс в разряженном состоянии. SoC av может быть сопоставлен с окном SoC 0 между 20% и 85%, или, другими словами, в данном приложении аккумулятор может работать только между 20% и 85% от SoC относительно его начальной емкости.
Рисунок 1. Схематическая визуализация отношений между различными определениями состояния заряда (SoC).
Все приведенные выше определения емкости и SoC всегда принимают номинальную температуру или, по крайней мере, аналогичную температуру как должное. Поскольку температура оказывает значительное влияние на емкость батареи, другие значения этих показателей качества могут быть получены при других температурах.
Еще хуже упомянуть, что может возникнуть другая проблема с точным определением SoC.Из-за разной скорости побочных реакций в положительном и отрицательном электродах может случиться так, что SoC двух электродов будет отклоняться. Как правило, SoC определяется для батареи в целом, но для некоторых целей важны индивидуальные характеристики электродов. Схожей с этой проблемой является неоднородный SoC ячеек в последовательном соединении. Как правило, температура клеток не одинакова, поэтому побочные реакции протекают с разной скоростью; следовательно, SoC ячеек отклоняется.
Практическая оценка эффективности технологий алюминиевых батарей
Albertus, P., Babinec, S., Litzelman, S. & Newman, A. Состояние и проблемы, связанные с использованием литий-металлического электрода для высоких и низких -дорогие аккумуляторные батареи. Нат. Энергетика 3 , 16–21 (2018).
Артикул Google Scholar
Ng, B. et al. Низкотемпературное литиевое покрытие / опасность коррозии в литий-ионных батареях: пульсация электрода, переменные состояния заряда, тепловой и нетепловой разгон. ACS Appl. Energy Mater. 3 , 3653–3664 (2020).
Артикул Google Scholar
Faegh, E. et al. Понимание динамики выделения газа первичной щелочной батареи Zn-MnO 2 с визуализацией операций и датчиками давления. J. Electrochem. Soc. 165 , A2528 – A2535 (2018).
Артикул Google Scholar
Бенджамин, стр. Гальванический элемент: его конструкция и емкость (Wiley, 1893).
Heise, G. W., Schumacher, E. A. и Cahoon, N. Мощный хлор-деполяризованный элемент. J. Electrochem. Soc. 94 , 99–105 (1948).
Артикул Google Scholar
Gifford, P. & Palmisano, J. Перезаряжаемый элемент из алюминия / хлора, в котором используется расплавленный солевой электролит при комнатной температуре. J. Electrochem. Soc. 135 , 650–654 (1988).
Артикул Google Scholar
Джаяпракаш, Н., Дас, С. и Арчер, Л. Перезаряжаемый алюминиево-ионный аккумулятор. Chem. Commun. 47 , 12610–12612 (2011).
Артикул Google Scholar
Рю, Дж., Парк, М. и Чо, Дж. Передовые технологии для высокоэнергетических алюминиево-воздушных батарей. Adv. Матер. 31 , 1804784 (2019).
Артикул Google Scholar
Ru, Y., Zheng, S., Xue, H. & Pang, H. Различные материалы положительных электродов в органических и водных системах для алюминиево-ионных батарей. J. Mater. Chem. А 7 , 14391–14418 (2019).
Артикул Google Scholar
Faegh, E., Shrestha, S., Чжао, X. и Мастейн, W. E. Углубленное структурное понимание добавления оксида цинка к щелочным электролитам для защиты алюминия от коррозии и выделения газов. J. Appl. Электрохим. 49 , 895–907 (2019).
Артикул Google Scholar
Faegh, E., Ng, B., Hayman, D. и Mustain, W. E. Разработка высокообратимых цинковых анодов для водных батарей с использованием преимущественно ориентированного электролитического цинка. Тесто. Суперкапсы 3 , 1220–1232 (2020).
Артикул Google Scholar
Чен, Л.Д., Нёрсков, Дж. К. и Лунц, А.С. Аль-воздушные батареи: фундаментальные термодинамические ограничения теории из первых принципов. J. Phys. Chem. Lett. 6 , 175–179 (2014).
Артикул Google Scholar
Choi, S. et al.Алюминиево-воздушные батареи с изменяемой формой. Adv. Функц. Матер. 27 , 1702244 (2017).
Артикул Google Scholar
Yu, Y. et al. Лазерное спекание напечатанных анодов для авиационных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 165 , A584 – A592 (2018).
Артикул Google Scholar
Wang, Y. et al. Безжидкостные алюмо-воздушные батареи с гелевым электролитом на бумажной основе: экологически чистая технология для портативной электроники. J. Источники энергии 437 , 226896 (2019).
Артикул Google Scholar
Wang, Y. et al. Параметрическое исследование и оптимизация недорогой алюминиево-воздушной батареи на бумажной основе с ингибирующей коррозионной способностью. Заявл. Энергетика 251 , 113342 (2019).
Артикул Google Scholar
Wang, Y. et al. Сочетание воздушно-воздушной батареи с бумажной промышленностью, новый тип гибкой технологии первичных батарей. Электрохим. Acta 319 , 947–957 (2019).
Артикул Google Scholar
Хопкинс, Б. Дж., Шао-Хорн, Ю. и Харт, Д. П. Подавление коррозии в первичных алюминиево-воздушных батареях путем вытеснения масла. Наука 362 , 658–661 (2018).
Артикул Google Scholar
Yang, H. et al. Перезаряжаемый алюминиевый аккумулятор: возможности и проблемы. Angew. Chem. Int. Эд. 58 , 11978–11996 (2019).
Артикул Google Scholar
Чжан Ю., Лю С., Цзи Ю., Ма, Дж. И Ю, Х. Новые неводные алюминиево-ионные батареи: проблемы, состояние и перспективы. Adv. Матер. 30 , 1706310 (2018).
Артикул Google Scholar
Liu, T. et al. Обзор и будущие перспективы водных аккумуляторных поливалентных ионных батарей. Energy Storage Mater. 18 , 68–91 (2019).
Артикул Google Scholar
Бауриял П., Махата А. и Патхак Б. Стадийный механизм интеркаляции AlCl 4 в графитовый электрод для алюминиево-ионной батареи. Phys. Chem. Chem. Phys. 19 , 7980–7989 (2017).
Артикул Google Scholar
Кравчик, К.В., Ван, С., Пивето, Л., Коваленко, М. В. Эффективная батарея хлорид алюминия – природный графит. Chem. Матер. 29 , 4484–4492 (2017).
Артикул Google Scholar
Кравчик, К. В., Сено, С., Коваленко, М. В. Ограничения использования хлороалюминатных ионных жидких анолитов для алюминиево-графитовых двухионных батарей. ACS Energy Lett. 5 , 545–549 (2020).
Артикул Google Scholar
Элиа, Г. А., Кьерематенг, Н. А., Марквардт, К. и Хан, Р. Алюминий-графитовый аккумулятор со сверхвысокой скоростью. Тесто. Суперкапсы 2 , 83–90 (2019).
Google Scholar
Lin, M.-C. и другие. Сверхбыстрый перезаряжаемый алюминиево-ионный аккумулятор. Природа 520 , 324 (2015).
Артикул Google Scholar
Sun, H. et al. Новый алюминиево-ионный аккумулятор с высоким напряжением, высокой безопасностью и низкой стоимостью. Chem. Commun. 51 , 11892–11895 (2015).
Артикул Google Scholar
Chen, H. et al. Бездефектный принцип для усовершенствованного графенового катода алюминиево-ионного аккумулятора. Adv. Матер. 29 , 1605958 (2017).
Артикул Google Scholar
Ван, Д.-Й. и другие. Усовершенствованный перезаряжаемый ионно-алюминиевый аккумулятор с высококачественным катодом из натурального графита. Нат. Commun. 8 , 14283 (2017).
Артикул Google Scholar
Chen, H. et al. Сверхбыстрый универсальный алюминиево-графеновый аккумулятор со сроком службы четверть миллиона циклов. Sci. Adv. 3 , eaao7233 (2017).
Артикул Google Scholar
Yu, X., Wang, B., Gong, D., Xu, Z. & Lu, B. Графеновые наноленты на высокопористом трехмерном графене для высокопроизводительных и сверхстабильных алюминиево-ионных аккумуляторов. Adv. Матер. 29 , 1604118 (2017).
Артикул Google Scholar
Kim, D. J. et al. Перезаряжаемые алюминиево-органические батареи. Нат. Энергетика 4 , 51 (2019).
Артикул Google Scholar
Вахид Мохаммади А., Хаджихани А., Шахбазмохамади С. и Бейдаги М. Двумерный карбид ванадия (MXene) как катодный материал большой емкости для аккумуляторных алюминиевых батарей. ACS nano 11 , 11135–11144 (2017).
Артикул Google Scholar
Wang, W. et al. Новый катодный материал для супервалентной батареи на основе интеркаляции и деинтеркаляции ионов алюминия. Sci. Rep. 3 , 3383 (2013).
Артикул Google Scholar
Yang, W. et al. Гибкий автономный композитный катод из MoS2 / углеродных нановолокон для аккумуляторных алюминиево-ионных батарей. ACS Sustain. Chem. Англ. 7 , 4861–4867 (2019).
Артикул Google Scholar
Li, H. et al. Катодный материал из микросфер Co3S4 с высокой степенью обратимости для алюминиево-ионных аккумуляторов. Nano Energy 56 , 100–108 (2019).
Артикул Google Scholar
Wang, P. et al. Гибкая полностью заряжаемая аккумуляторная батарея на водной основе с ионами алюминия. Chem. Англ. J. 373 , 580–586 (2019).
Артикул Google Scholar
Wang, S. et al. Новый сверхбыстрый многоионный аккумулятор. Adv. Матер. 29 , 1606349 (2017).
Артикул Google Scholar
Юань, Д., Чжао, Дж., Маналастас, В. мл., Кумар, С. и Сринивасан, М. Новые перезаряжаемые водные ионно-алюминиевые батареи: состояние, проблемы и перспективы. Nano Mater. Sci. 2 , 248–263 (2020).
Артикул Google Scholar
Wang, P. et al. Высокоэффективная гибкая водно-ионная аккумуляторная батарея с длительным сроком службы. Energy Storage Mater. 25 , 426–435 (2020).
Артикул Google Scholar
Wu, C. et al. Электрохимически активированный оксид марганца шпинели для аккумуляторных водно-алюминиевых батарей. Нат. Commun. 10 , 73 (2019).
Артикул Google Scholar
Zhao, Q. et al. Промежуточные фазы из твердых электролитов для высокоэнергетических водных алюминиевых электрохимических ячеек. Sci. Adv. 4 , eaau8131 (2018).
Артикул Google Scholar
He, S. et al. Алюминиево-марганцевый аккумулятор на водной основе с высоким энергопотреблением. Adv. Функц. Матер. 29 , 1
8 (2019).Артикул Google Scholar
Pan, W. et al. Недорогая аккумуляторная алюминий-ионная батарея без дендритов с превосходными характеристиками. J. Mater. Chem. А 7 , 17420–17425 (2019).
Артикул Google Scholar
Zu, C.-X. & Ли, Х. Термодинамический анализ плотности энергии батарей. Energy Environ. Sci. 4 , 2614–2624 (2011).
Артикул Google Scholar
Chao, D. et al. Электролитическая батарея Zn – MnO 2 для хранения высокого напряжения и масштабируемой энергии. Angew. Chem. In.t Ed. 58 , 7823–7828 (2019).
Артикул Google Scholar
Harlow, J. E. et al. Широкий спектр результатов испытаний отличного химического состава литий-ионных элементов, которые можно использовать в качестве эталонов для новых технологий аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 166 , A3031 – A3044 (2019).
Артикул Google Scholar
Гельман Д., Шварцев Б., Эйн-Эли Ю. Алюминий-воздушный аккумулятор на основе ионно-жидкого электролита. J. Mater. Chem. А 2 , 20237–20242 (2014).
Артикул Google Scholar
Hu, Y. et al. Отдельно стоящий катодный материал из сульфида кобальта и углеродных нанотрубок без связующего для алюминиево-ионных аккумуляторов. Adv. Матер. 30 , 1703824 (2018).
Артикул Google Scholar
Xu, J. et al. Последние достижения в области соединений на основе графита для перезаряжаемых металлических (Li, Na, K, Al) -ионных батарей. Adv. Sci. 4 , 1700146 (2017).
Артикул Google Scholar
Какова удельная энергия литий-ионной батареи?
Что такое плотность энергии батареи?
Плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержит батарея по отношению к ее весу.Это измерение обычно выражается в ватт-часах на килограмм (Втч / кг). Ватт-час — это единица измерения электрической энергии, которая эквивалентна потреблению одного ватта за один час.
Плотность мощности — это мера того, насколько быстро может быть доставлена энергия, а не количество доступной накопленной энергии. Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.
Зачем нужна батарея с высокой плотностью энергии?
Чтобы лучше понять литий-ионные батареи, вы должны понять, почему высокая плотность энергии является желательной характеристикой батареи.
Аккумулятор с высокой плотностью энергии имеет большее время работы от аккумулятора по сравнению с размером аккумулятора. В качестве альтернативы аккумулятор с высокой плотностью энергии может выдавать такое же количество энергии, но занимает меньшую площадь по сравнению с аккумулятором с более низкой плотностью энергии. Это значительно расширяет возможности аккумуляторных приложений.
При заводских или складских настройках аккумуляторные батареи для вилочных погрузчиков могут весить тысячи фунтов. Легкая аккумуляторная батарея для вилочных погрузчиков дает некоторые преимущества с точки зрения безопасности и управляемости.
Если плотность энергии батареи слишком высока, это может представлять угрозу безопасности. Когда в ячейку упаковано больше активного материала, увеличивается риск теплового события.
Какой тип аккумуляторной батареи имеет самую высокую плотность энергии?
Существует несколько различных типов аккумуляторных батарей с различной плотностью энергии, отражающей их внутренний химический состав.
- Плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 30-50 Втч / кг
- Плотность энергии никель-кадмиевых батарей составляет 45-80 Втч / кг
- Плотность энергии никель-металлогидридных батарей составляет 60-120 Втч / кг
- Плотность энергии литий-ионного аккумулятора составляет 50-260 Втч / кг
Типы литий-ионных батарей и их удельная энергия
Литий-ионные батареичасто объединяются в группу батарей, каждая из которых содержит литий, но их химический состав может сильно различаться и, как следствие, разной производительности.
Большинство типов литий-ионных батарей имеют аналогичную конструкцию катода с алюминиевой подложкой, угольного или графитового анода с медной подложкой, сепаратора и электролита из литиевой соли в органическом растворителе.
Производители экспериментировали с материалами, используемыми для изготовления катода и анода. Они также изменили состав электролита. Эти различия являются причиной того, что литий-ионные батареи различаются по уровню плотности энергии.
Теперь мы рассмотрим самые популярные химические составы литий-ионных аккумуляторов, а также их соответствующие плотности энергии, варианты использования, преимущества и недостатки.
Industry Titans: Литий-титанатные (LTO) батареи
Аккумулятор LTO — один из старейших типов литий-ионных аккумуляторов, у него плотность энергии на нижней стороне, как у литий-ионных аккумуляторов, около 50-80 Втч / кг.
В этих батареях титанат лития используется в аноде вместо углерода, что позволяет электронам входить и выходить из анода быстрее, чем в других типах литий-ионных батарей.
Такая конструкция позволяет батареям LTO заряжаться намного быстрее и безопасно выдерживать большие токи, но низкая плотность энергии делает их плохо подходящими для погрузочно-разгрузочного оборудования.
Они, как правило, дороже и обычно используются для электромобилей, автомобильных аудиоприложений и мобильных медицинских устройств.
Высокая энергия, высокий риск: литий-кобальтовые батареи (LCO)
имеют высокую плотность энергии 150-200 Втч / кг. Их катод состоит из оксида кобальта с типичным углеродным анодом со слоистой структурой, которая перемещает ионы лития от анода к катоду и обратно.
Эти типы аккумуляторов популярны благодаря своей высокой плотности энергии и обычно используются в сотовых телефонах, ноутбуках и, в последнее время, в электромобилях.
Кобальт — очень энергоемкий материал, но он может быть дорогим. Поскольку спрос на электромобили возрастает, этот ресурс быстро истощается. Фактически, вскоре мир может столкнуться с нехваткой кобальта.
Кобальт также очень летуч. Литий-кобальтовые батареи не выдерживают больших токов из-за риска перегрева, что представляет собой значительный риск для безопасности.Аккумуляторы LCO имеют более низкую термическую стабильность, что означает, что они очень чувствительны к более высоким рабочим температурам и перезарядке.
Производительность по цене: литий-никель-марганцево-оксидные батареи (NMC)
Литий-никель-марганцево-кобальтооксидные батареитакже имеют высокую плотность энергии — 150–220 Втч / кг. Они используют кобальт в катоде так же, как батареи LCO, но они также содержат никель и марганец для повышения стабильности.
АккумуляторыNMC сегодня используются в большинстве производимых электромобилей, но также используются в медицинских устройствах и электровелосипедах.
Секрет успеха этой батареи заключается в ее хорошо сбалансированном химическом составе; никель, как известно, энергоемкий, но нестабильный, как и кобальт, в то время как марганец более стабилен, но также имеет более низкую плотность энергии. Конкретное соотношение различных элементов варьируется в зависимости от производителя, но добавление никеля обычно предназначено для уменьшения количества дорогостоящего кобальта.
БатареиNMC могут выдерживать большие токи заряда и больший диапазон температур, чем батареи LCO.Однако, поскольку батарея по-прежнему содержит кобальт, стоимость увеличивается из-за дефицита на рынке.
Доступное, безопасное и надежное: литий-железо-фосфатные батареи (LFP)
АккумуляторыLFP обладают высокой плотностью энергии 90-160 Втч / кг. Хотя это меньше, чем у некоторых кобальтовых батарей, он по-прежнему остается одним из самых высоких среди всех типов батарей.
В батареяхLFP используется фосфат железа для катода и графитовый электрод в сочетании с металлической подложкой для анода.
Литий-фосфат железа или LiFePO4 — это природный минерал, недорогой, нетоксичный и обладающий хорошей термической стабильностью и высокой плотностью энергии.
АккумуляторыLFP идеально подходят для тяжелого оборудования и промышленных сред, поскольку они способны выдерживать большие нагрузки и широкий диапазон температур. Они появились как новый вариант для вилочных погрузчиков и другого тяжелого электрического оборудования, которое требует высокого уровня надежности и исторически использует свинцово-кислотные батареи.
Литий-ионная батарея Тип | Плотность энергии ( Вт ч / кг) | Плюсы | Минусы |
Титанат лития (LTO) | 50-80 | Долговечность, стабильность | Низкая плотность энергии, дороже |
Оксид лития-кобальта (LCO) | 150-200 | Высокая плотность энергии | Неустойчивый и дорогой |
Литий, никель, марганец, кобальт, оксид (NMC) | 150–220 | Высокая плотность энергии | Безопаснее, чем LCO, но все же относительно нестабильно и дорого |
Литий-фосфат железа (LFP) | 90–160 | Средняя-высокая плотность энергии | Стабильная, долговечная и более высокая удельная энергия |
Все типы литий-ионных аккумуляторов уникальны.Крайне важно понимать, какой химический состав литий-ионных аккумуляторов лучше всего подходит для вашего применения.
Если вы ищете лучшую батарею для погрузочно-разгрузочного оборудования, литий-железо-фосфатная батарея, вероятно, станет лучшим выбором. Все блоки Flux Power LiFT сконструированы исключительно с элементами LFP, поскольку они обеспечивают наилучший баланс между безопасностью и производительностью.
% PDF-1.6 % 127 0 объект > эндобдж xref 127 136 0000000016 00000 н. 0000003907 00000 н. 0000004118 00000 п. 0000004159 00000 н. 0000004194 00000 п. 0000004484 00000 н. 0000004695 00000 н. 0000004802 00000 н. 0000004910 00000 н. 0000005018 00000 н. 0000005098 00000 н. 0000005179 00000 н. 0000005259 00000 н. 0000005338 00000 н. 0000005417 00000 н. 0000005495 00000 н. 0000005574 00000 н. 0000005653 00000 н. 0000005732 00000 н. 0000005811 00000 н. 0000005891 00000 н. 0000005969 00000 н. 0000006049 00000 п. 0000006128 00000 н. 0000006207 00000 н. 0000006285 00000 п. 0000006364 00000 н. 0000006442 00000 н. 0000006522 00000 н. 0000006602 00000 н. 0000006682 00000 н. 0000006808 00000 н. 0000006842 00000 н. 0000007002 00000 н. 0000007255 00000 н. 0000007337 00000 н. 0000007383 00000 п. 0000007437 00000 п. 0000010072 00000 п. 0000012639 00000 п. 0000012887 00000 п. 0000013065 00000 п. 0000013134 00000 п. 0000013496 00000 п. 0000013952 00000 п. 0000014154 00000 п. 0000014568 00000 п. 0000014897 00000 п. 0000015099 00000 п. 0000015519 00000 п. 0000015814 00000 п. 0000016162 00000 п. 0000016522 00000 п. 0000016700 00000 п. 0000016996 00000 п. 0000017191 00000 п. 0000017351 00000 п. 0000017420 00000 п. 0000019888 00000 п. 0000020319 00000 п. 0000020517 00000 п. 0000020804 00000 п. 0000020863 00000 п. 0000021041 00000 п. 0000021213 00000 п. 0000021282 00000 п. 0000021577 00000 п. 0000021779 00000 п. 0000022296 00000 п. 0000022464 00000 п. 0000022667 00000 п. 0000022869 00000 п. 0000023372 00000 п. 0000023970 00000 п. 0000024256 00000 п. 0000024722 00000 п. 0000024900 00000 п. 0000024969 00000 п. 0000025335 00000 п. 0000025632 00000 п. 0000028155 00000 п. 0000028325 00000 п. 0000028680 00000 п. 0000028874 00000 п. 0000029034 00000 п. 0000029462 00000 п. 0000029670 00000 п. 0000032403 00000 п. 0000032603 00000 п. 0000032927 00000 н. 0000033147 00000 п. 0000033313 00000 п. 0000033589 00000 п. 0000033913 00000 п. 0000034132 00000 п. 0000034492 00000 п. 0000034760 00000 п. 0000035226 00000 п. 0000038003 00000 п. 0000040204 00000 п. 0000042756 00000 п. 0000043160 00000 п. 0000044650 00000 п. 0000049711 00000 п. 0000049971 00000 н. 0000051705 00000 п. 0000055008 00000 п. 0000057298 00000 п. 0000058241 00000 п. 0000058547 00000 п. 0000060391 00000 п. 0000061405 00000 п. 0000061800 00000 п. 0000065801 00000 п. 0000066121 00000 п. 0000068815 00000 п. 0000069156 00000 п. 0000069982 00000 п. 0000072388 00000 п. 0000072895 00000 п. 0000073050 00000 п. 0000086552 00000 п. 0000086591 00000 п. 0000107800 00000 н. 0000107839 00000 п. 0000129048 00000 н. 0000129087 00000 н. 0000150296 00000 н. 0000150335 00000 н. 0000170457 00000 н. 0000170496 00000 п. 0000170549 00000 н. 0000170676 00000 н. 0000170746 00000 н. 0000170816 00000 н. 0000003016 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 262 0 объект > поток x ڴ S; LSa> ז BZ, gA * MVnPR ͥڒ & @ KEr QV] A «F Ը VuKNw?
Влияние количества электролита на литий-ионные элементы
В производственной цепочке литий-ионных аккумуляторных элементов процесс заполнения имеет первостепенное значение для качества конечного продукта и затрат.Заполнение состоит из нескольких этапов дозирования жидкого электролита в ячейку и последующего (промежуточного) смачивания компонентов ячейки. Количество залитого электролита не только влияет на скорость смачивания электродов и сепаратора, но также ограничивает емкость ячейки и влияет на срок службы батареи. Однако слишком много электролита является мертвым грузом, приводит к более низкой плотности энергии и излишне увеличивает стоимость батареи. Для обеспечения низких затрат на производство и в то же время высокого качества ячеек в данной статье исследуется оптимальное количество электролита.На основе экспериментальных данных спектроскопии электрохимического импеданса, процесса заполнения, процесса формирования, а также испытания на срок службы представлены взаимозависимости между количеством электролита, скоростью смачивания, емкостью, плотностью энергии и сроком службы для крупноформатных ячеек.
Литий-ионные батареи (LIB) в качестве электрохимических систем хранения энергии являются ключевой технологией для замены ископаемого топлива и позволяют хранить возобновляемые ресурсы благодаря их малому весу, высокой плотности энергии и длительному сроку службы. 1 Эти батареи за последние три десятилетия заняли доминирующее положение в бытовой электронике и послужили толчком к успеху мобильных устройств, таких как сотовые телефоны и портативные компьютеры. Таким образом, ожидается, что рынок электротранспорта и стационарного хранения энергии будет активно продвигаться за счет LIB. 2 Цель более высокой плотности энергии в автомобильной промышленности может быть достигнута за счет уменьшения процентного содержания неактивных материалов, таких как фольга токосъемника, компоненты корпуса или разделители на элемент.Это способствует тенденции к увеличению размеров ячеек 3 , а также к более толстым электродам. 4 Ячейки большого формата, однако, создают проблемы для производственных процессов, таких как заполнение жидкими электролитами. Для обеспечения надежной работы и высокой производительности все полости и поры электродов и сепаратора необходимо смачивать перед началом цикла пласта. 5 В противном случае существует опасность образования неоднородной межфазной границы твердого электролита (SEI), которая является продуктом реакции компонентов растворителя электролита и лития на поверхности анода. 6 В то время как SEI на аноде формируется во время этих начальных циклов зарядки и разрядки, межфазная фаза катодного электролита (CEI) является результатом старения при повышенных температурах или цикличности при высоких напряжениях. 7 Преждевременная зарядка до полного смачивания может привести к сильным локальным колебаниям толщины слоя, которые могут вызвать частичные отслоения слоя. 8 Тогда, в отличие от реальной функции SEI, возможен перенос электронов от электрода к электролиту (восстановление электролита) и блокирование ионов, что отрицательно сказывается на емкости и сроке службы элемента. . 9
Увеличение количества слоев, толщины электрода и площади поверхности на ячейку еще больше снижает трудоемкое смачивание компонентов ячейки электролитом. 10 Небольшие поверхности в монетных элементах не представляют проблемы для смачивания, так как электролит может достичь всех полостей за короткое время. Однако при промышленном производстве ячеек большого формата выполняется несколько периодических циклов смачивания и формирования, в результате чего общая продолжительность составляет до 3 недель. 11 Это подразумевает значительные расходы, так как десятки тысяч циклов, а также складские помещения необходимы для управления требуемой пропускной способностью. 11
Один из способов снизить стоимость LIB — ускорить процесс смачивания. 12 Weydanz et al. 13 показали, что заполнение под вакуумом до 100 мбар значительно ускоряет этот производственный этап. Habedank et al. 14 даже достиг в 12 раз более быстрого смачивания за счет лазерного структурирования электродов, что дополнительно улучшает поведение C-rate. 15 Состояние смачивания определяется как смоченные и насыщенные поверхности и полости электродов и сепаратора по сравнению с общими поверхностями и полостями узла ячейки. Заполнение полостей, которые представляют собой внутренние поверхности среды, можно описать как микроскопическое смачивание. А смачивание (макроскопических) поверхностей можно рассматривать как поверхностное смачивание. Первые можно измерить с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). 16,17 Последнее можно визуализировать с помощью нейтронной радиографии. 18 Еще один способ снизить затраты на киловатт-час — это снизить материальные затраты, например, за счет минимизации количества электролита на элемент. 12 В лабораторных условиях дозируется непропорционально большое количество электролита по сравнению с поверхностями компонентов в однослойных ячейках. Напротив, при производстве промышленных ячеек в ячейках большого формата не хватает пустого пространства для содержания электролита в таком же соотношении к поверхности активного материала и сепаратора. 19 Кроме того, поскольку электролит является неактивным материалом, слишком много и, следовательно, ненужного электролита является мертвым грузом, что снижает плотность энергии и увеличивает стоимость батареи. 10
Чтобы точно определить влияние количества производимого электролита, были построены большие ячейки, заполненные различным количеством электролита. Эти ячейки были измерены во время смачивания с помощью импедансной спектроскопии, затем подверглись процедуре формирования и были циклически проверены в испытании на срок службы.
Cell-Assembly
Ячейки-пакеты, состоящие из 13 анодных листов и 12 катодных листов, были собраны в Техническом университете Мюнхена на полуавтоматических машинах в сухом помещении с точкой росы ниже -55 ° C. Катодные листы состояли из двустороннего покрытия LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 (NCM111) на алюминиевой фольге коллектора, а для анода в качестве активного материала использовался графит. с обеих сторон покрыт медным коллектором.Точные характеристики имеющихся в продаже электродов с покрытием показаны в Таблице I. Электродные листы были разделены в процессе удаленной лазерной резки, как описано в Ref. 20 до формата 101 мм × 73 мм (катод) и 104 мм × 76 мм (анод). Коммерческий сепаратор (Celgard 2325) был зажат между электродами, чтобы обеспечить электрическую изоляцию, и обернут вокруг пакета ячеек для обеспечения механической стабильности, удерживая электроды в их точном положении. Язычки и фольги токосъемника были соединены с помощью ультразвуковой сварки, и готовый пакет ячеек был упакован в гибкий пакет с углубленным карманом.С трех сторон пакет из фольги запечатывали импульсными запаивающими планками, оставляя одну сторону открытой для заполнения электролитом. Чтобы предотвратить нежелательные побочные реакции с остаточной влажностью, как указано в Ref. 21, они были высушены в вакуумной печи при 60 ° C и 20 мбар перед последующим заполнением в течение ночи. Подробности процедуры заполнения будут объяснены в следующем разделе. До и после каждого этапа производства ячейки взвешивались, чтобы отобразить влияние каждого этапа процесса на плотность энергии продукта посредством сборки ячеек, как показано на рисунке 1.
Таблица I. Технические характеристики используемых электродов.
| блок | катод | анод | |
|---|---|---|---|
| активный материал | вес.% | 93,0 (NCM111) | 92,5 (графит) |
| Углерод проводящий | вес.% | 3,0 | 0,5 |
| скоросшиватель | вес.% | 4.0 | 7,0 |
| загрузка емкости | мАч см -2 | 2,748 | 3,606 |
| пористость | % | 32,1 | 32,2 |
| толщина электрода | мкм | 118 | 130 |
| толщина фольги подложки | мкм | 20 (Аl) | 10 (Cu) |
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 1. Изменение доли NMC на этапах процесса сборки электролизера после изготовления электродов в качестве индикатора влияния сборки электролизера на плотность энергии продукта. Объемный коэффициент vf описывает количество дозированного электролита и приведен в таблице II.
Filling-Process
1 M раствор LiPF 6 в смеси этиленкарбоната (EC) и этилметилкарбоната (EMC; массовое соотношение EC: EMC 3: 7) с 2 мас.% Виниленкарбоната (VC ) от BASF служил электролитом.Как правило, для крупноформатных ячеек требуется несколько итераций дозирования после поглощения жидкости узлом ячеек из-за небольшого количества пустого пространства в ячейке и высокого сопротивления потоку пористых структур. 22 Для данной экспериментальной схемы из-за небольшого количества электролита по сравнению с объемом пустот между гибкой фольгой мешочка и стопкой одной стадии дозирования было достаточно. В результате заполнение состояло из шести этапов: промывка инертным газом, вакуумирование, дозирование, герметизация, удаление воздуха и смачивание.Электролит дозировали в вакуумную камеру при абсолютном давлении 80 мбар. Количество варьировалось по объемному коэффициенту.
от 0,6 до 1,8 объема пор компонентов ячейки (сепаратора и электродов). Средний объем пор ячеек составил 8,85 мл. Точность дозирования и полученные объемы электролита сведены в Таблицу II. Давление закрытия герметизирующих стержней было установлено на 3 бара в течение 3 секунд при температуре герметизации 195 ° C.
Таблица II. Точность дозирования, итоговое количество дозированного электролита и емкость ячеек после формирования, которые соответствуют токам при испытании на срок службы.
| объемный коэффициент | – | 0,6 | 0,8 | 1.0 | 1,2 | 1,4 | 1,6 | 1,8 |
| количество электролита | мл | 5.35 | 7,11 | 8,77 | 10,98 | 12,54 | 14,26 | 15,82 |
| стандартное отклонение | мл | 0,08 | 0,04 | 0,17 | 0,04 | 0,13 | 0,16 | 0,19 |
| количество электролита | мл Ач — 1 теор | 1,10 | 1,46 | 1,81 | 2.26 | 2,58 | 2,93 | 3,26 |
| емкость ячейки | Ач изм. | 2,68 | 3,23 | 3,33 | 3,16 | 3,28 | 3,41 | 3,44 |
| стандартное отклонение | Ач изм. | 0,12 | 0,07 | 0,04 | 0,07 | 0,11 | 0,01 | 0.02 |
| количество ячеек | – | 3 | 5 | 6 | 3 | 4 | 3 | 4 |
После вентиляции камеры ячейки выдерживались под давлением окружающей среды в течение 180 минут перед первой загрузкой. Во время этого смачивания электрохимические измерения проводились с помощью потенциостата Interface 5000E от Gamry Instruments. Последовательность состояла из измерений потенциала открытого тока (OCV) и EIS и была запрограммирована на повторение в течение не менее 90 минут.Сначала измеряли OCV в течение 15 секунд с периодом выборки 0,5 секунды. Впоследствии потенциостатический EIS был запущен с начальной частотой 100 кГц и был изменен на 1 Гц с 10 точками на декаду и амплитудой 10 среднеквадратичных мВ в качестве сигнала возбуждения переменного тока, подаваемого на ячейку. Постоянное потенциальное смещение, которое может применяться к ячейке во время сбора данных, было установлено равным нулю по сравнению с OCV ячейки. Напряжение переменного тока суммировалось с напряжением постоянного тока.
Кривые EIS были проанализированы с упором на высокочастотное сопротивление (HFR).HFR ячейки — это значение импеданса, при котором мнимая часть равна нулю. Он интерпретируется как внутреннее сопротивление ячейки и изменяется во время смачивания компонентов ячейки жидким электролитом. 17
Процесс формирования и испытание на срок службы
Формирование проводилось с использованием испытательной системы ячеек BaSyTec, подключенной к ячейкам в температурной камере при 25 ° C. Процесс состоял из 2 циклов при скорости C 0,1 ° C (что соответствует 4,86 Ач теор ).Ячейки заряжались в режиме постоянного тока-постоянного напряжения (CCCV) с ограничением тока, соответствующим C / 20, в то время как разряд выполнялся в режиме постоянного тока (CC). Верхнее напряжение отсечки было установлено на 4,2 В, а нижнее напряжение отсечки было установлено на 2,5 В.
Перед началом испытания на срок службы элементы были дегазированы, удаляя газ, который образовывался во время первых циклов зарядки и разрядки в результате химических реакций между ними. электроды и электролит, а также активация электродов.Сначала клетки были измерены с помощью EIS, используя ту же процедуру, что и в последнем разделе. Из-за временной стабильности EIS только трех циклов измерения было достаточно, чтобы зафиксировать поведение импеданса ячейки после цикла. Затем клетки помещали в вакуумную камеру. Камера промывалась инертным газом и откачивалась до 100 мбар, что было немного выше, чем уровень давления для дозирования электролита в последней секции. Ячейки открыли для удаления газа и снова запечатали. После вентиляции камеры мешок с избыточным газом упаковки был вырезан, и клетки снова были измерены с помощью EIS и взвешены.
Обратимые емкости клеток определяли по второму циклу формирования. Вернувшись в температурную камеру, циклирование было выполнено при 1 C (Ah rev ) и 25 ° C в режиме CCCV для зарядки с ограничением тока, соответствующем C / 20, и в режиме CC для разряда. Перед каждой серией из 50 циклов при 1 ° C выполняли один цикл при 0,1 ° C, а затем один цикл при 0,5 ° C. После завершения испытания на срок службы клетки были измерены с помощью EIS в четвертый раз.
Для каждого варианта были протестированы не менее трех независимых ячеек, и данные на рисунках всегда представляют собой среднее значение этих ячеек. Планки погрешностей на рисунках представляют собой стандартное отклонение измерений.
На рис. 1 показана массовая доля NMC в общей массе промежуточного продукта через процессы сборки ячеек. Поскольку (без электролита) активный материал катода является единственным резервуаром лития в элементе, содержание NMC является показателем плотности энергии элемента.Начальная доля катода в 76% уменьшается за счет таких этапов сборки, как z-образное складывание, при котором добавляются сепаратор и аноды. Затем удельный вес дополнительно увеличивается за счет приваренных ультразвуком язычков и алюминиевой фольги упаковки. График разделен на различные количества электролита для секции, представляющей процесс заполнения. С увеличением количества электролита весовая доля NMC еще больше уменьшается. От vf 0,6 до 1,8 наблюдается разница почти в 10% в доле NMC.Окончательное увеличение доли NMC связано с удалением фольги мешка для отходов после дегазации.
Измерения EIS после дозирования электролита показаны на рисунке 2a для смачивания ячеек. Результирующая HFR изменяется с течением времени и сходится к окончательному значению, как описано в Ref. 17. Эта точка схождения зависит от количества жидкого электролита. Большие дозированные количества приводят к более низким значениям HFR клеток после смачивания. Кроме того, HFR уменьшается и сходится для величин, больших или равных vf 1, тогда как он снова увеличивается для меньших величин перед сходимостью.Относительно скорости смачивания
(со степенью смачивания) влияние на скорость смачивания также становится заметным на Рисунке 2b. Скорость смачивания клеток с vf 0,6 и 0,8 пересекает нулевую линию в отрицательный диапазон и медленно приближается к нулю. В отличие от ячеек с большим количеством электролита, эти ячейки еще не завершили смачивание за время измерения 150 мин. Увеличение HFR и связанное с этим более длительное смачивание элементов является результатом недостаточного количества электролита в элементе.На этом этапе можно провести различие между двумя фазами микроскопического смачивания. Во время первой фазы смачивания HFR элементов уменьшается, как и в элементах с большим количеством электролита. Причина этого может заключаться в том, что электролит сначала проникает через участки поверхности компонентов ячейки, которые находятся в непосредственном контакте с жидкостью, и начинает сжимать или замещать остаточный газ в порах. Эта фаза смачивания заканчивается минимальной HFR (рис. 2a) или переходом через нуль скорости смачивания (рис. 2b).Минимум получается из-за локального избытка электролита, который замыкает электрическую цепь параллельно несмачиваемым участкам во время измерения EIS. На втором этапе жидкость электролита перераспределяется в оставшиеся поры, которые еще не заполнены электролитом в такой же степени. Капиллярные силы, действующие во время проникновения, зависят от радиуса пор. 23 Следовательно, объемная доля жидкого электролита в малых порах увеличивается за счет более крупных пор с тем же углом смачивания, если присутствует недостаточно электролита.Вторая фаза завершается, когда между порами всех компонентов ячейки достигается равновесие сил (например, капиллярных сил, сжатия газа, силы тяжести и т. Д.). Макроскопически теперь наблюдается однородное распределение жидкого электролита. HFR остается постоянным с течением времени, а скорость смачивания приближается к нулю.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 2. а) HFR ячеек при смачивании жидким электролитом; б) Скорость смачивания как функция времени после дозирования жидкого электролита.
Помимо недонасыщения жидким электролитом, подробное картирование скорости смачивания показывает, что зависимость от количества электролита незначительна (для исследованных количеств и формата ячейки). Влияние гидростатического давления столба жидкости на пакет ячеек приводит к разнице 0,06 мОм в первые 10 минут и снижается до менее 0,01 мОм через 20 минут. Можно предположить, что гидростатическое давление не оказывает большого влияния, поскольку даже максимальный дозируемый объем составляет 16.01 мл остается небольшим по сравнению с смачиваемыми поверхностями.
Влияние количества электролита на обратимую емкость и плотность энергии ячеек после формирования показано на Рисунке 3 как функция от коэффициента C. Объемный коэффициент 1 соответствует дозированному количеству электролита, равному величине всех полостей электродов и сепаратора. Однако никакие границы раздела или объемы между сепаратором и электродами не принимаются во внимание. Следовательно, для достижения максимально возможной производительности за счет смачивания всех пустотных объемов необходим коэффициент, превышающий vf 1.Емкость при 0,1 ° C увеличивается с vf 0,6 до 1,2, а затем остается постоянной, поскольку vf продолжает увеличиваться. При 0,5 и 1 ° C он не меняется до vf 1,4. Превосходное электрическое поведение ячеек с vf 1 или меньшим 1 C может быть объяснено диффузией носителей заряда: во время этих более длительных фаз заряда / разряда носители заряда имеют достаточно времени для обхода недостаточно (в достаточной степени). ) смоченные участки ячеек. Максимальная плотность энергии достигается при 0,1 C и vf 0,8. Чем больше электролита дозируется в ячейки, тем ниже становится плотность энергии после этого пика.Причина такого поведения — уменьшение веса активного материала, который имеет большее влияние, чем увеличение емкости. Также можно показать, что плотность энергии при 1 ° C не уменьшается так быстро, как при более низких уровнях C.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 3. Обратимая удельная емкость (столбцы слева) и удельная энергия (столбцы справа) ячеек в зависимости от количества электролита в течение первых трех циклов (0.1 C, 0,5 C, 1 C) срока службы.
На рисунке 4 показана удельная емкость ячеек во время испытания на срок службы в зависимости от объемного фактора, а также от коэффициента C. Емкость тем выше, чем ниже C-rate, и уменьшается с увеличением количества циклов. Поскольку после 50 циклов клетки циклируются с двумя более низкими скоростями C, на графике появляются небольшие скачки при 1 C, что свидетельствует о восстановлении клеток после низких скоростей. Ячейки с vf 0,6 уже испытывают резкое падение емкости в течение первых 50 циклов и теряют свою функциональность из-за недостаточного количества электролита внутри элементов.Ян и др. 24 различают линейное и нелинейное старение. В то время как рост SEI за счет электролита играет доминирующую роль в линейной фазе, нелинейное старение является индикатором литиевого покрытия, вызванного большими локальными градиентами электролита на аноде и на границе раздела с сепаратором. 24 Здесь после образования кулоновская эффективность ячеек с vf 0,6 [vf 1] составляет 99% (± 1) [102,5% (± 1,1)] при 0,1 C. При 1 C она быстро падает до 78% ( ± 2) [95.8% (± 0,5)], а затем требуется около 30 циклов [1 цикл] для достижения эффективности 97% (± 1) [99,9% (± 0)]. Предполагается, что емкость, которую не удалось восстановить во время разряда, на которую указывает эффективность, будет размещена в позднем здании ГЭИ. В дополнение к восстановлению SEI из-за растрескивания во время работы, 9 дополнительный SEI образуется из несмаченных участков, вытягивающих электролит из уже увлажненных участков из-за изменения преобладающего равновесия сил. Низкая максимальная эффективность 97% при 1 ° C для vf 0.6 является результатом местных плохо или даже не увлажненных участков, которые имеют более высокое сопротивление и, следовательно, способствуют нанесению литиевого покрытия по сравнению с другими участками. 25 При дальнейшем истощении электролита ионная проводимость через поры сепаратора уменьшается, прекращая функциональность ячеек. По этой причине предполагается, что истощение электролита и последующее литиевое покрытие является механизмом разрушения элементов.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 4. Характеристики ячеек в течение всего срока службы после формирования. Тест состоял из 20 [0,1 C, 0,5 C, 50 [1 C]] циклов в режиме CCCV для зарядки и в режиме CC для разряда.
По мере увеличения количества электролита до vf 1,4 характеристики ячеек улучшаются, так что потери емкости в течение их срока службы уменьшаются. Однако для больших количеств (vf 1,6–1,8) большая потеря емкости может наблюдаться в увеличенном виде первых 200 циклов при 1 ° C на Рисунке 4.Ячейки могут до некоторой степени компенсировать эту потерю: даже несмотря на то, что емкость при 0,5 ° C после 650 циклов снова выше, чем для vf 1,2, элементы остаются ниже производительности этих элементов с vf 1,4 даже при более высоких циклах. Этот нежелательный эффект потери емкости во время первых циклов можно объяснить избытком VC. Добавка, не израсходованная во время формирования, создает CEI во время цикла до тех пор, пока не будет исчерпан. Таким образом он связывает литий, который впоследствии больше не может участвовать в перезарядке. 26
Два разных эффекта, потеря лития и истощение электролита, также можно наблюдать на Рисунке 5, представляющем напряжение разряда в зависимости от емкости элементов. Во время первого цикла преобладает недостаток электролита. Чем больше электролита присутствует в элементах, тем выше напряжение во время разряда и тем выше емкость, при которой напряжение падает до напряжения отсечки. Это эквивалентно уменьшению перенапряжения при увеличении количества электролита и, следовательно, увеличению разрядной емкости элемента.После 100 циклов ячейка с vf 0,6 уже разрушилась. Поскольку применялись высокие скорости зарядки при относительно низких температурах, возможными причинами могут быть нанесение литиевого покрытия уже в первых циклах 27 или недоступные электродные области. Ячейки с vf 1,6 и vf 1,8 остаются при более высоких напряжениях примерно до 2,5 А · ч, но затем падают, так что емкость ячеек соответствует емкости ячеек с vf 0,8. Эта потеря емкости связана с недоступным количеством лития, который лигирован в CEI.Ячейки с vf 1,2 и 1,4 по-прежнему генерируют высокое напряжение во всем диапазоне емкости, а также высокую конечную емкость. Однако после 500 циклов эти элементы (vf 1.2 и 1.4) страдают от потери напряжения в начале фазы разряда, что, как предполагается, является результатом литиевого покрытия в сочетании с повышенным SEI. Хотя ячейки, заполненные vf 1.4, все еще достигают максимальной емкости, напряжение vf 1.6 и 1.8 выше при одновременной более низкой емкости. Как правило, напряжение в начале процесса разряда падает из-за того, что в элементах присутствует меньше электролита.Однако потеря лития в элементах (из-за чрезмерного наращивания CEI) указывается преждевременным падением напряжения с высокого уровня по сравнению с элементами без чрезмерного CEI.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 5. Напряжение разряда выше емкости характеристической ячейки в зависимости от количества электролита для 1 st , 100 th и 500 th цикл при 1 C срока службы.
CV-доля определяется как емкость, заряженная в режиме CV, по отношению к общей заряженной емкости Q в режимах CC и CV:
и показан на рисунке 6. Процент заряда может служить индикатором возможности быстрой зарядки элементов и зависит от C-rate: с увеличением SOC потенциал катода увеличивается, а потенциал графита приближается. 0 В по сравнению с Li + / Li . Разница между двумя потенциалами определяет напряжение ячейки.Таким образом, в режиме CC напряжение зарядки повышается, чтобы обеспечить определенный ток. Анод должен интеркалировать атомы лития за заданное время (определяемое скоростью C). Если скорость интеркаляции на аноде ниже, чем скорость переноса Li + в электролите, вызванная током заряда, литий накапливается на поверхности анода. Потенциал графита падает ниже 0 В по сравнению с Li + / Li , и металлическое покрытие литием происходит поверх анода.Следовательно, высокие концентрации углерода способствуют нанесению литиевого покрытия. 28 Кроме того, гальваническое покрытие может быть вызвано несмачиваемыми участками анода или сепаратора из-за результирующего неоднородного распределения плотности тока. 29 Отрицательный потенциал анода (по сравнению с литием) приводит к тому, что напряжение ячейки превышает потенциал катода, так что верхнее напряжение отсечки и, следовательно, фаза CV достигается раньше. 30 На верхнем уровне напряжения отсечки напряжение поддерживается постоянным в режиме CV, и элемент будет заряжаться до тех пор, пока ток не упадет до состояния отсечки.Таким образом, небольшая доля CV является синонимом высокой скорости интеркаляции анода и полностью увлажненного сепаратора, как показано на рисунке 6: чем больше электролита дозируется в ячейки, тем ниже доля CV. С увеличением количества циклов и C-rate доля CV увеличивается. Следовательно, элементы не только должны заряжаться в течение более длительного времени, но они также должны подвергаться более длительному воздействию более высоких напряжений, что представляет собой нагрузку на компоненты элементов. 31
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рисунок 6. CV-доля клеток в течение жизненного цикла после формирования. CV-доля определяется как емкость, заряженная в режиме CV, по отношению к общей заряженной емкости в режимах CC и CV. Испытание на срок службы состояло из 20 [0,1 C, 0,5 C, 50 [1 C]] циклов в режиме CCCV для зарядки и в режиме CC для разряда.
HFR всех ячеек после смачивания, формирования, дегазации и испытания на срок службы показано на рисунке 7. Предполагалось, что SOC всех ячеек равняется 0%, поскольку они либо никогда не заряжались (просто смачивались), либо разряжались до напряжения 2.5 В. HFR после дегазации немного выше, чем после образования. Причина этого может заключаться в том, что небольшое количество жидкого электролита вытягивается из пор во время дегазации и должно повторно занимать это пространство. Для ячеек с vf от 0,6 до 1,2 оба значения HFR после образования и дегазации выше, чем HFR после смачивания. От vf 1,4 до 1,8 HFR после образования и после дегазации ниже, чем после смачивания. В сочетании с электрохимическими характеристиками во время испытания на срок службы измерения показывают, что количество электролита не менее vf 1.4 требуется, чтобы позволить SEI полностью сформироваться во время формирования и обеспечить оптимальную ионную проводимость через сепаратор, необходимую для перезарядки. Перенос заряда между электролитом и анодом даже улучшается за счет образования SEI с достаточным количеством электролита, как показывают значения HFR. Однако в течение срока службы внутреннее сопротивление элемента увеличивается из-за расхода электролита, нежелательных реакций и образования дополнительных SEI и CEI. Стандартное отклонение измерений не позволяет делать какие-либо существенные выводы, но существует тенденция к тому, что HFR увеличивается в меньшей степени в течение срока службы с большими количествами электролита, чем с элементами с небольшими количествами электролита.
Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения
Рис. 7. HFR ячеек после смачивания, формирования, дегазации и испытания на срок службы (1040 циклов без образования) для различных количеств электролита при SOC 0.
Исследование, на котором основана эта статья, показало, что плотность энергии, а также емкость литий-ионных батарей зависят от количества электролита. Слишком мало электролита приводит к потере емкости и срока службы, тогда как слишком большое количество электролита снижает плотность энергии.Для оптимального смачивания компонентов ячейки электролитом было определено минимальное количество электролита, соответствующее объему пор. Кроме того, избыток ВК сравнивали с недостатком электролита в течение срока службы элементов. Оба механизма отказа можно распознать по разному напряжению разряда в зависимости от емкости. При недостатке электролита напряжение резко падает уже в начале процесса разряда, а превышение VC приводит к более позднему, но более сильному падению напряжения в конце фазы разряда.Доля CV при циклировании увеличивается с уменьшением количества электролита и без влияния чрезмерных количеств VC. Следовательно, предполагается, что без чрезмерной добавки VC и с увеличением количества электролита характеристики повышаются в течение срока службы, особенно при более высоких скоростях C. Также было показано, что HFR уменьшается с увеличением количества электролита. При слишком низком количестве электролита можно использовать EIS для обнаружения перераспределения электролита в порах.Таким образом, EIS не может использоваться только для измерения распределения электролита после завершения смачивания компонентов ячейки, но также помогает выяснить, было ли дозировано достаточное количество электролита для данной структуры пор.