Как замерить плотность электролита в аккумуляторе: Как правильно пользоваться ареометром для аккумулятора?

Как замерить плотность электролита в аккумуляторе

Устройство аккумулятора

В целом описать устройство аккумулятора можно следующим образом:

• 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 плотность электролита в аккумуляторе: правила пользования ареометром

Содержание

1. Зачем нужно проверять плотность электролита в аккумуляторе?
2. Как правильно пользоваться ареометром?
3. Значение плотности электролита в зависимости от сезона

Зачем нужно проверять плотность электролита в аккумуляторе?

Под электролитом подразумевается химическое соединение, которое состоит из двух компонентов:

• дистиллированная жидкость – 65 %;
• сильная двухосновная кислота с большим содержанием серы – 35 %.

Состав представленных элементов в такой пропорции предоставляет электролиту возможность аккумулировать электрическую энергию. Причём процесс осуществляется так, что причинение повреждений пластинам аккумулятора невозможно.

Начинающие водители часто задаются вопросом: зачем вообще делать замер плотности электролита в аккумуляторе? Дело в том, что рассматриваемый показатель очень часто меняется. Это, в свою очередь, может отрицательно воздействовать на работу АКБ.

В случаях, когда значение показателя выше оптимального уровня, наблюдается появление неполадок в работе машины. Например, значительное превышение сильной двухосновной кислоты в составе вещества, проводящего электрический ток, выступает фактором, приводящим к деформированию пластин. Такое повреждение связано с тем, что она растворяет свинец.

В ситуациях заниженного значения плотности аккумулятора существует вероятность прекращения работы автомобиля. Нехватка тяжёлой маслянистой воды не даёт возможности АКБ выполнять свои задачи в оптимальном режиме. Речь идёт о невозможности аккумулятора работать согласно его техническим параметрам. К примеру, при минусовом температурном режиме двигатель внутреннего сгорания при заниженной плотности не сможет запуститься.

Нельзя не отметить, что длительная эксплуатация автомобиля при недостаточном заряде АКБ является одной из основных причин сульфатации свинцовых пластин. Они покрываются большим количеством нерастворимых серебристо-белых кристаллов. Критический уровень сульфатов может привести к неисправностям, которые не подлежат ремонту:

• осыпание пластин;
• короткое замыкание.

Таким образом, рекомендуется периодически осуществлять замер рассматриваемого показателя, чтобы не возникло неприятностей с машиной в самый неподходящий момент. Следовательно, каждому владельцу автотранспортного средства необходимо иметь представление, как проверить плотность аккумулятора в домашних условиях. Во-первых, это стандартное действие, выполнение которого не требует профессиональных навыков и умений. Во-вторых, своими силами осуществить замер показателя гораздо выгоднее с точки зрения денежных затрат.

Как правильно пользоваться ареометром?

Ключевую роль в измерении плотности электролита в аккумуляторе играет специальный прибор – ареометр. В основе его действия лежит Закон Архимеда. Ареометр состоит из следующих элементов:

• наконечник;
• колба;
• резиновая груша;
• шкала измерений.

С помощью резиновой груши в измерителе плотности электролита осуществляется забор вещества, проводящего электрический ток. Перед тем как проверить плотность аккумулятора, важно произвести ряд подготовительных действий:

1. Батарею нужно разместить на ровной поверхности.
   

   Электролит – химическая смесь, попадание которой может привести к серьёзным последствиям. Порча одежды, химический ожог кожи – всё это является следствием неосторожного обращения.

2. Прочистить батарею – без этого проверка плотности электролита в аккумуляторе запрещается. Это объясняется тем, что каждое загрязнение может стать причиной поломки АКБ.
3. Полностью зарядить аккумулятор:  только так можно замерить плотность электролита с большей точностью.

Снимать показания рекомендуется в резиновых перчатках, чтобы оградить себя от попадания на части тела химических веществ.

Проверить плотность электролита в аккумуляторе с помощью ареометра вам поможет следующий алгоритм:

1. Тщательно протереть наконечник ареометра чистой сухой тканью.
2. Опустить его в банку.
3. Набрать небольшое количество электролита, это можно сделать с помощью аккуратных надавливаний на грушу. В процессе прибор должен располагаться чётко по вертикали. Это необходимо для того, чтобы ареометр, находящийся в растворе электролита, не прилипал к стенкам АКБ.
4. Снять значения показателя по шкале прибора. В большинстве случаев на ней с помощью полосок зелёного цвета отображается интервал приемлемого уровня.

Значение плотности электролита в зависимости от сезона

Водители часто спрашивают о том, как правильно проверить плотность электролита в аккумуляторе в зависимости от температурного режима. Приведём таблицу, в которой указаны примерные оптимальные значения в соответствии с климатическими зонами.

Регион использования транспортного средства (со средней температурой в январе)	Значение показателя при +25 градусов, г/см3 Заливаемого	Значение показателя при +25 градусов, г/см3 В батарее с полным зарядом
Регионы Крайнего Севера (от -50 до -30)	1,27	1,29
Северные регионы (от -30 до -15)	1,26	1,28
Центральные регионы (от -15 до -4)	1,24	1,26
Южные регионы (от -15 до +4)	1,22	1,24
Регионы тропической зоны (от +4 до +6)	1,20	1,22

Имея информацию о приблизительных значениях, можно с помощью ареометра без проблем выполнить проверку плотности аккумулятора. И уже в зависимости от уровня показателя принять решение: добавить электролит или очищенную жидкость.

Таким образом, изучив информацию, как измерить плотность аккумулятора, необходимо помнить, что проверку рекомендуется осуществлять регулярно, чтобы обеспечить оптимальное функционирование АКБ.

Разрешение в датчиках QCM для вязкости и плотности жидкостей: применение к свинцово-кислотным аккумуляторам

. 2012;12(8):10604-20.

дои: 10.3390/s120810604. Epub 2012 3 августа.

Ана Мария Као-Пас ¹ , Лорето Родригес-Пардо, Хосе Фаринья, Хорхе Маркос-Асеведо

принадлежность

• ¹ Факультет электронных технологий, Университет Виго, Кампус Лагоас Маркосенде, Виго 36310, Испания. [email protected]

• PMID: 23112618
• PMCID: PMC3472846
• DOI: 10. 3390/с120810604

Бесплатная статья ЧВК

Ана Мария Као-Пас и др. Датчики (Базель). 2012.

Бесплатная статья ЧВК

. 2012;12(8):10604-20.

дои: 10.3390/s120810604. Epub 2012 3 августа.

Авторы

Ана Мария Као-Пас ¹ , Лорето Родригес-Пардо, Хосе Фаринья, Хорхе Маркос-Асеведо

принадлежность

• ¹ Факультет электронных технологий, Университет Виго, Кампус Лагоас Маркосенде, Виго 36310, Испания. [email protected]

• PMID: 23112618
• PMCID: PMC3472846
• DOI: 10. 3390/с120810604

Абстрактный

В приложениях с батареями, особенно в автомобилях, подводных лодках и удаленной связи, состояние заряда (SoC) необходимо для эффективного управления батареями. Наиболее широко используемым физическим параметром для этого является плотность электролита. Однако существует большая зависимость между вязкостью электролита и SoC, чем между плотностью и SoC. В этой статье представлен датчик кварцевых микровесов (QCM) для измерения произведения плотности электролита на вязкость в свинцово-кислотных батареях. Датчик откалиброван в растворах H(2)SO(4) в диапазоне электролита батареи для получения чувствительности, шума и разрешения. Кроме того, проводятся тесты заряда и разряда в режиме реального времени с размещением кристалла кварца внутри аккумулятора. В то же время определяется существующий теоретический «предел разрешения» для измерения квадратного корня из произведения плотности на вязкость [формула: см.

текст] жидкой среды или наилучшее разрешение, достижимое с генератором QCM. Полученные данные показывают, что предел разрешения зависит только от характеристик исследуемой жидкости, а не от частоты. Предел разрешения QCM для [формулы: см. текст] измерений ухудшается, когда увеличивается произведение плотности на вязкость жидкости, но его нельзя улучшить за счет повышения рабочей частоты.

Ключевые слова: измерение продукта плотность-вязкость; частотный шум; свинцово-кислотные батареи; кварцевые микровесы; разрешение; чувствительность; состояние заряда.

Цифры

Рисунок 1.

Электромеханическая модель пьезоэлектрического…

Рисунок 1.

Электромеханическая модель пьезоэлектрического резонатора для микрогравиметрических применений в жидкости; Сечение…

Рисунок 1.

Электромеханическая модель пьезоэлектрического резонатора для микрогравиметрических приложений в жидкости; Поперечное сечение нагруженного резонатора и эквивалентной схемы BVD, модифицированной Мартином и Гранстаффом.

Рисунок 2.

Экспериментальная установка для калибровки…

Рисунок 2.

Экспериментальная установка для калибровки датчика ( и ) Схема подключения,…

Фигура 2.

Экспериментальная установка для калибровки датчика ( a ) Схема подключения, ( b ) Экспериментальный испытательный стенд, ( c ) Кристалл кварца при калибровке растворами серной кислоты.

Рисунок 3.

Изменение частоты колебаний…

Рисунок 3.

Изменение частоты колебаний в зависимости от температуры в полностью заряженной батарее (40%…

Рисунок 3.

Изменение частоты колебаний в зависимости от температуры в полностью заряженном аккумуляторе (серная кислота 40 %), Δ f _QCM , и компенсация изменения квадратного корня из произведения вязкость-плотность в зависимости от температуры, Δf(T) = Δ f _ККМ −Δ f _ρη (Т).

Рисунок 4.

Держатель кристалла кварца, предназначенный для…

Рисунок 4.

Держатель кристалла кварца, предназначенный для измерения заряда батареи в режиме реального времени. ( a ) Внешний вид…

Рисунок 4.

Кварцевый держатель для измерения заряда батареи в режиме реального времени. ( a ) Внешний вид кристалла в собранном виде на держателе; ( b ) Фрагмент области кристалла; ( c ) Воздушная камера для колебаний кристалла.

Рисунок 5.

Датчик QCM, расположенный внутри…

Рисунок 5.

Датчик QCM, размещенный внутри батареи во время измерений в реальном времени.

Рисунок 5. Датчик

QCM, помещенный внутрь аккумулятора во время измерений в реальном времени.

Рисунок 6.

Частота датчика QCM и жидкость…

Рисунок 6.

Частота датчика QCM и температура жидкости при тестировании растворов.

Рисунок 6.

Частота датчика QCM и температура жидкости во время теста растворов.

Рисунок 7.

Калибровочный график QCM…

Рисунок 7.

Калибровочный график датчика QCM.

Рисунок 7.

Калибровочный график датчика QCM.

Рисунок 8.

Связь между добротностью и…

Рисунок 8.

Зависимость добротности от ρ η .

Рисунок 8.

Связь между коэффициентом качества и рη.

Рисунок 9.

Связь между отклонением Аллана и…

Рисунок 9.

Связь между отклонением Аллана и ρ η .

Рисунок 9.

Связь между отклонением Аллана и рη.

Рисунок 10.

Частота колебаний за четыре дня…

Рисунок 10.

Частота колебаний за четыре дня при погружении резонатора в аккумуляторную ячейку…

Рисунок 10.

Частота колебаний за четыре дня при погружении резонатора в ячейку полностью заряженной батареи (40% серная кислота) и температура электролита.

Рисунок 11.

Частота колебаний за четыре дня…

Рисунок 11.

Частота колебаний в течение четырех дней после температурной компенсации и отклонения Аллана.

Рисунок 11.

Частота колебаний в течение четырех дней после температурной компенсации и отклонения Аллана.

Рисунок 11.

Частота колебаний за четыре дня…

Рисунок 11.

Частота колебаний в течение четырех дней после температурной компенсации и отклонения Аллана.

Рисунок 11.

Частота колебаний в течение четырех дней после температурной компенсации и отклонения Аллана.

Рисунок 12.

Частота колебаний и температура…

Рисунок 12.

Частота колебаний и температура датчика QCM во время пробного заряда.

Рисунок 12.

Частота колебаний и температура датчика QCM во время пробного заряда.

Рисунок 13.

Частота датчика QCM…

Рисунок 13.

Частота датчика QCM после температурной компенсации с использованием уравнений (14)–(17) и вариации…

Рисунок 13.

Частота датчика QCM после температурной компенсации с использованием уравнений (14)–(17) и изменением ρη в процессе заряда.

Рисунок 14.

Частота колебаний и температура…

Рисунок 14.

Частота колебаний и температура датчика QCM во время пробного разряда.

Рисунок 14.

Частота колебаний и температура датчика QCM во время пробного разряда.

Рисунок 15.

Частота датчика QCM…

Рисунок 15.

Частота датчика QCM после температурной компенсации с использованием уравнений (14)–(17) и вариации…

Рисунок 15.

Частота датчика QCM после температурной компенсации с использованием уравнений (14)–(17) и изменением ρη в процессе разряда.

См. это изображение и информацию об авторских правах в PMC

Похожие статьи

• Различные результаты экспериментов по влиянию угла погружения на резонансную частоту микровесов кварцевого кристалла в жидкой фазе: с комментариями.

  Шэнь Д., Канг К., Ли С., Цай Х., Ван Ю. Шен Д. и др. Анальный Чим Акта. 2007 19 июня; 593 (2): 188-95. doi: 10.1016/j.aca.2007.03.059. Epub 2007 1 апр. Анальный Чим Акта. 2007. PMID: 17543606

• Небольшая лаборатория для измерений на чипе, включающая микровесы на кристалле кварца для измерения произведения вязкости на плотность ионных жидкостей при комнатной температуре.

  Дой Н., Макхейл Г., Ньютон М.И., Хардакр С., Гэ Р., Макиннес Дж.М., Кувшинов Д., Аллен Р.В. Дой Н. и соавт. Биомикрофлюидика. 2010 8 марта; 4 (1): 14107. дои: 10.1063/1.3353379. Биомикрофлюидика. 2010. PMID: 20644676 Бесплатная статья ЧВК.

• Сверхчувствительные датчики микровесов на кварцевом кристалле для обнаружения М13-фагов в жидкостях.

  Уттенталер Э., Шрамль М., Мандель Дж., Дрост С. Уттенталер Э. и соавт. Биосенс ​​Биоэлектрон. 2001 Декабрь; 16 (9)-12):735-43. doi: 10.1016/s0956-5663(01)00220-2. Биосенс ​​Биоэлектрон. 2001. PMID: 11679251

• Электронные интерфейсные системы кварцевых микровесов: обзор.

  Аласси А., Бенаммар М., Бретт Д. Аласси А. и др. Датчики (Базель). 2017 5 декабря; 17 (12): 2799. дои: 10.3390/s17122799. Датчики (Базель). 2017. PMID: 29206212 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

• Технология молекулярного отпечатка в датчиках кварцевых микровесов (QCM).

  Эмир Дилтемиз С., Кечили Р., Эрсёз А., Сай Р. Эмир Дилтемиз С. и др. Датчики (Базель). 2017 24 февраля; 17 (3): 454. дои: 10.3390/s17030454. Датчики (Базель). 2017. PMID: 28245588 Бесплатная статья ЧВК. Обзор.

Посмотреть все похожие статьи

Цитируется

• Распознавание септической и воспалительной синовиальной жидкости на основе ИНС: новый метод с использованием данных о вязкости с датчика QCR.

  Миранда-Мартинес А., Суфрате-Вергара Б., Фернандес-Пунтеро Б., Алькайде-Мартин М.Дж., Буньо-Сото А., Серрано-Ольмедо Х.Дж. Миранда-Мартинес А. и соавт. Датчики (Базель). 2022 2 декабря; 22 (23): 9413. дои: 10.3390/s22239413. Датчики (Базель). 2022. PMID: 36502129Бесплатная статья ЧВК.

• Разрешение процессов переноса заряда и массопереноса окислительно-восстановительных соединений VO ²⁺ /VO ₂ ⁺ на границе раздела электрод/электролит с использованием спектроскопии электрохимического импеданса для ванадиевой окислительно-восстановительной батареи.

  Леуа П., Приядаршани Д., Чоудхури Д., Маурья Р., Неергат М. Леуа П. и др. RSC Adv. 20 августа 2020 г.; 10 (51): 30887-30895. doi: 10.1039/d0ra05224h. Электронная коллекция 2020 17 августа. RSC Adv. 2020. PMID: 35516052 Бесплатная статья ЧВК.

• Датчик измерения вязкости: прототип нового метода медицинской диагностики на основе кварцевого резонатора.

  Миранда-Мартинес А., Ривера-Гонсалес М.Х., Зейнун М., Карвахал-Аумада Л.А., Серрано-Ольмедо Дж.Дж. Миранда-Мартинес А. и соавт. Датчики (Базель). 2021 13 апреля; 21(8):2743. дои: 10.3390/s21082743. Датчики (Базель). 2021. PMID: 33924605 Бесплатная статья ЧВК.

• Обнаружение белка без меток с помощью микроакустического биосенсора в сочетании с сортировкой электрического поля. Теоретическое исследование моделей мочи.

  Мухин Н., Коноплев Г., Осеев А., Шмидт М.П., ​​Степанова О., Козырев А., Дмитриев А., Хирш С. Мухин Н. и соавт. Датчики (Базель). 2021 6 апреля; 21 (7): 2555. дои: 10.3390/с21072555. Датчики (Базель). 2021. PMID: 33917374 Бесплатная статья ЧВК.

• Высокочувствительный двойной электрохимический QCM для надежных трехэлектродных измерений.

  Тот Д., Каспер М., Алик И., Авадейн М., Эбнер А., Бани Д., Грамс Г., Киенбергер Ф. Тот Д. и соавт. Датчики (Базель). 2021 7 апреля; 21 (8): 2592. дои: 10.3390/s21082592. Датчики (Базель). 2021. PMID: 33917195 Бесплатная статья ЧВК.

Просмотреть все статьи «Цитируется по»

Рекомендации

1. 1. Линден Д., Редди Т.Б. Справочник по батареям. Макгроу Хилл; Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США: 2002.
2. 1. Мозли П.Т., Гарш Дж., Паркер К.Д., Рэнд Д.А.Дж. Клапанно-регулируемые свинцово-кислотные аккумуляторы. Эльзевир; Амстердам, Нидерланды: 2004 г.
3. 1. Арнау А. Обзор интерфейсных электронных систем для микровесов на кварцевых кристаллах в жидкостях. Датчики. 2008; 8: 370–411. — ЧВК — пабмед
4. 1. Зауэрбрей К.Г. Verwendung фон Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung. З. Физ. 1959; 155: 206–222.
5. 1. Канадзава К.К., Гордон Дж.Г. Частота кварцевых микровесов в контакте с жидкостью. Анальный. хим. 1985; 57: 1770–1771.

Типы публикаций

9.4: Размеры аккумуляторов и топливных элементов

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

18994

• Андреа М. Митофски
• Университет Трине

Напряжение элемента, удельная энергия и связанные с ними показатели

Точно так же, как химики имеют несколько показателей способности протекать зарядов, они имеют несколько показателей энергии или заряда, хранящихся в устройстве. В этом разделе определены следующие параметры батарей и топливных элементов:

• Напряжение элемента в вольтах
• Удельная энергия в \(\frac{J}{g}\) или \(\frac{W \cdot h}{kg}\) 93}\) или \(\frac{W \cdot h}{L}\)
• Емкость в \(мА \cdot h\) или \(C\)
• Удельная емкость в \(\frac{мА \cdot ч}{г}\) или \(\frac{C}{кг}\)
• Плотность заряда в \(\frac{мА \cdot h}{L}\) или \(\frac{C}{L}\)

Определения в этом разделе следуют ссылкам [128, гл. 1] и [140].

Если эти меры рассчитываются с использованием знаний о химических реакциях и количествах, найденных в периодической таблице, они называются теоретическими значениями. Если эти величины экспериментально измерены, они называются практическими значениями. Практические значения обязательно меньше, потому что ни одно устройство преобразования энергии никогда не бывает полностью эффективным. Меры, которым предшествует слово «конкретный», даны на единицу массы. Меры, за которыми следует плотность слова, даны на единицу объема. Например, удельная энергия измеряется в единицах СИ джоулей на грамм, а плотность энергии измеряется в единицах СИ джоулей на кубический метр. Однако эти правила не соблюдаются, поэтому термин плотность энергии иногда используется для обозначения энергии на единицу веса, а не на единицу объема. Безопаснее всего явно указать единицы измерения, чтобы избежать путаницы. 90\) также используются в литературе. Как обсуждалось в Приложении C, слово «потенциал» перегружено множеством значений. Слово напряжение и символ \(V_{ячейка}\) используются здесь, чтобы подчеркнуть, что эта величина по существу является напряжением. Поскольку окислительно-восстановительные потенциалы для многих полуреакций сведены в таблицу [128, прил. B] [137], для многих реакций можно быстро рассчитать теоретическое напряжение ячейки. Хотя мы можем рассчитать теоретическое напряжение ячейки, мы можем измерить практическое напряжение ячейки с помощью вольтметра. Теоретическое напряжение ячейки всегда будет немного больше, чем практическое напряжение ячейки, потому что теоретическое напряжение ячейки не учитывает ряд эффектов, включая внутреннее сопротивление и другие факторы, обсуждаемые в следующем разделе. Реакции с \(V_{cell} > 0\) протекают самопроизвольно [12, гл. 18].

Три взаимосвязанных показателя: емкость, удельная емкость и плотность заряда. Емкость измеряется в ампер-часах или кулонах. (По определению, один ампер равен одному кулону в секунду.) Это мера заряда, хранящегося в батарее или топливном элементе. 3}\), впервые было введено в разделе 1.6.1, и оно проявляется в законе Гаусса, один уравнений Максвелла. Однако слово «емкость» не имеет ничего общего с введенным ранее словом «емкость». См. Приложение C для получения дополнительной информации об этом и других перегруженных терминах. 93}\) или \(\frac{W \cdot h}{L}\) — это мера энергии, хранящейся в устройстве на единицу объема. Теоретическая плотность энергии является произведением теоретического напряжения ячейки и плотности заряда. Эти меры могут быть рассчитаны на основе знаний о химических реакциях с использованием информации из периодической таблицы. Практическая удельная энергия и практическая плотность энергии обычно на 25-35% ниже теоретических значений [128, гл. 1.5]. Удельная энергия и плотность энергии являются важными показателями батареи. Часто желательны высокие значения, чтобы небольшие и легкие батареи можно было использовать для питания устройств как можно дольше. Однако по мере увеличения удельной энергии и плотности энергии возрастают требования безопасности. 9{4} \frac{\mathrm{C}}{\mathrm{mol}} \nonumber \]

[68]. Эта величина не будет использоваться ниже, поскольку постоянная Авогадро \(N_a\) и величина заряда электрона \(q\) уже определены, а также потому, что в этом тексте уже слишком много переменных.

Мы можем рассчитать теоретическую удельную емкость в \(\frac{A \cdot h}{g}\) и теоретическую удельную энергию в \(\frac{J}{g}\) для реакций, заданных уравнением 9.3. .1 и 9.3.2. Окислительно-восстановительный потенциал полуреакции Mg равен \(V_{rp} = 2,68\) В, а окислительно-восстановительный потенциал полуреакции Ni равен \(V_{rp} = 0,49).\) V [140] [137]. Общее напряжение ячейки составляет

\[V_{ячейка} = 2,68 + 0,49 = 3,17 \text{В}. \nonumber \]

Реакция происходит самопроизвольно, когда она настроена, потому что \(V_{ячейка} > 0\).

Переводя единицы измерения, мы можем рассчитать вес единицы заряда для каждой полуреакции. Из периодической таблицы атомный вес Mg равен 24,31 \(\frac{g}{mol}\), атомный вес Ni равен 58,69 \(\frac{g}{mol}\), а атомный вес O составляет 16,00 \(\ frac{g}{mol}\). Сначала рассмотрим полуреакцию Mg по уравнению 9.{-19} \mathrm{C}} \cdot \frac{1 \mathrm{C}}{1 \mathrm{A} \cdot \mathrm{s}} \cdot \frac{3600 \mathrm{s}}{ 1 \mathrm{h}} = 1,69 \frac{\mathrm{g}}{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}} \nonumber \]

Для общей реакции

\[0,454+1,692 = 2,146 \ frac {\ mathrm {g}} {\ mathrm {A} \ cdot \ mathrm {h}}. \nonumber \]

Общая теоретическая удельная емкость является обратной величиной.

\[\frac{1}{2,146} = 0,466\frac{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

Добавление плотностей зарядов для каждой полуреакции не имеет смысла, но мы можем просуммировать значения веса на единицу заряда в единицах \(\frac{g}{A \cdot h}\).

Мы можем рассчитать теоретическую удельную энергию, умножив теоретическое напряжение ячейки на теоретическую удельную емкость.

\[3,17 \mathrm{V} \cdot 0,466 \frac{\mathrm{A} \cdot \mathrm{h}}{\mathrm{g}}=1,48 \frac{\mathrm{W} \cdot \mathrm {h}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

Теоретическая удельная энергия может быть преобразована в единицы \(\frac{J}{g}\). 9{3} \frac{\mathrm{J}}{\mathrm{g}} \nonumber \]

В приведенных выше расчетах учитывались только веса электродов. Однако упаковка, сепаратор и другие компоненты батареи имеют некоторую массу, которая увеличивает вес батареи.

Практическое напряжение и эффективность

Мы можем смоделировать как аккумулятор, так и топливный элемент как идеальный источник напряжения. Это полезная модель, но иногда она недостаточно хороша по нескольким причинам. Лучшая модель включает некоторое внутреннее сопротивление [128, с. 9.27]. Однако даже эта модель неадекватна, поскольку напряжение любой практической батареи зависит от температуры, нагрузки, тока через батарею, доли используемой емкости, количества перезарядок и других факторов [128, с. 3.2]. Еще более совершенная модель включает и эти варианты, как показано на рис. \(\PageIndex{1}\).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Модели батареи.

Для описания напряжения на аккумуляторе или топливном элементе используется множество показателей. Номинальное напряжение — это типичное напряжение во время использования, и часто это напряжение указано на этикетке. Конечное или отсечное напряжение — это напряжение в конце срока службы батареи. Напряжение холостого хода — это напряжение без нагрузки, приблизительно равное начальному напряжению батареи. Напряжение замкнутой цепи – это напряжение под нагрузкой. Оно меньше напряжения холостого хода из-за внутреннего сопротивления батареи [128, с. 3.2]. 97 \frac{1}{\Omega \cdot m}\) [106]. Каждый раз, когда ток протекает через физический материал с конечной электропроводностью, энергия преобразуется в тепло. Фактическое напряжение является функцией тока, потребляемого от батареи, поскольку при больших токах этот эффект больше. Кроме того, фактическое напряжение является функцией температуры, потому что ионы движутся быстрее при более высоких температурах, поэтому внутреннее сопротивление при более высоких температурах меньше [128, с. 3.9]. Однако при более высоких температурах химические реакции могут протекать быстрее, поэтому срок службы батарей может быть меньше, поскольку реакции протекают быстрее.

Фактическое напряжение на аккумуляторе или топливном элементе также зависит от накопления продуктов химической реакции. В примере, представленном уравнениями 9.3.1 и 9.3.2, реагентами были Mg и NiO\(_2\), а продуктами реакции были Mg(OH)\(_2\) и Ni(OH)\(_2\) . Фактическое напряжение на устройстве падает по мере использования, потому что реагенты накапливаются в электролите по мере протекания реакции. Эти реагенты препятствуют протеканию дальнейших реакций [128, с. 3.2]. Влияние накопления продуктов на напряжение батареи можно смоделировать с помощью

\[V_{cell\,theor}-V_{cell\,prac} = \frac{k_{B} T}{N_{v} q} \ln \left(\frac{[\text { products } ]}{[\text { реагенты }]}\right) \nonumber \]

известное как уравнение Нернста [12, с. 750 789]. Многие авторы заменяют постоянную Больцмана в этом выражении, используя \(\mathbb{R} = N_ak_B\), где \(N_a\) — постоянная Авогадро, а \(\mathbb{R}\) — молярная газовая постоянная. В этом выражении \(V_{cell\,theor}\) — теоретическое напряжение элемента, а \(V_{cell\,prac}\) — практическое напряжение элемента, учитывающее влияние продуктов реакции. Количество \(N_v\) представляет собой количество валентных электронов, участвующих в химической реакции. Для примера уравнения 9.3.1 и 9.3.2 участвуют два электрона. Итак, величина \(\frac{k_BT} {N_v}\) представляет собой внутреннюю энергию, приходящуюся на один валентный электрон, участвующий в реакции. Количество \(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\) известно как коэффициент активности, и его натуральный логарифм находится между нулем и единицей.

\[0 \leq \ln \left(\frac{[\text { products }]}{[\text { реагенты }]}\right) \leq 1 \nonumber \]

При первой установке батареи вверх, имеется много реагентов, но мало продуктов, и

\[\ln \left(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \приблизительно 0. \nonumber \]

В этом случае коэффициент активности равен очень мало, поэтому практическое напряжение элемента между клеммами очень близко к теоретическому напряжению элемента. После того, как аккумулятор разряжается в течение длительного времени, коэффициент активности становится большим, поскольку присутствует много продуктов.

\[\ln \left(\frac{[\text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \приблизительно 1 \номер \]

Как и ожидалось, эта модель показывает, что по мере разряда батареи разница между теоретическим и практическим напряжением элемента увеличивается. Мы никогда не сможем использовать всю емкость, хранящуюся в батарее. По мере разрядки аккумулятора напряжение между клеммами падает. В какой-то момент уровень напряжения становится слишком низким, чтобы его можно было использовать, и достигается конечное напряжение. В этот момент аккумулятор следует заменить, даже если в нем еще есть запас заряда.

Уравнение Нернста полезно химикам, потому что его можно использовать для решения количественной концентрации продуктов реакции и реагентов. Теоретическое напряжение ячейки можно рассчитать или найти в таблице, а практическое напряжение ячейки можно измерить вольтметром. В [137] представлены компоненты коэффициента активности в зависимости от температуры для различных реакций.

Инженеров-электриков может больше заинтересовать уравнение Нернста, потому что оно дает информацию об эффективности батарей и топливных элементов. Эффективность определяется как выходная мощность по сравнению с входной мощностью или выходная энергия по сравнению с входной энергией.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{E_{out}}{E_{in}} \nonumber \]

Энергия, запасенная в электрическом компоненте, определяется уравнением 2.2.7, где Q — заряд и V напряжение. Количество заряда, участвующего в каждой реакции, определяется количеством вовлеченных электронов, умноженным на их заряд для каждой, \(Q = qN_v\).

\[E_{in} = \frac{1}{2}qN_vV_{cell\,theor} \label{9.4.14} \]

Также указана внутренняя энергия реакции при температуре \(T\) by

\[E_{in} = \frac{1}{2}k_BT \label{9.4.15} \]

Мы можем смоделировать теоретическое напряжение элемента батареи, комбинируя уравнения \ref{9.4.14} и \ref{9.4.15}.

\[k_BT = qN_vV_{cell\,theor} \nonumber \]

\[V_{cell\,theor} = \frac{k_BT}{qN_v} \nonumber \]

Выходная энергия батареи пропорциональна практическому напряжению элемента, измеренному между клеммами.

\[E_{out} = \frac{1}{2}qN_vV_{cell\,prac} \nonumber \]

Затем можно переписать эффективность.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{V_{cell\,prac}}{V_{cell\,theor}} \nonumber \]

С некоторой алгеброй мы можем использовать уравнение Нернста для запишите эту величину как функцию коэффициента активности.

\[\eta_{ef\,f} = \frac{V_{cell\,prac}+V_{cell\,theor}-V_{cell\,theor}}{V_{cell\,theor}} \ нечисло \]

\[\eta_{ef\,f} = 1-\left( \frac{V_{cell\,theor}-V_{cell\,prac}}{V_{cell\,te}}\ справа) \номер\]

Числитель можно заменить уравнением Нернста.

\[\eta_{ef\,f} =1- \frac{1}{V_{cell\,theor}} \left( \frac{k_BT}{N_vq} \ln \left(\frac{[\ text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \right) \nonumber \]

\[\eta_{ef\,f} =1- \ln \left(\frac{[\ text { продукты }]}{[\text { реагенты }]}\right) \label{9.4.23} \]

Уравнение \ref{9.4.23} показывает, что эффективность является функцией коэффициента активности. Как описано выше, коэффициент активности различен для разных реакций и зависит от температуры. Коэффициент активности является мерой эффекта накопления продуктов в электролите батареи или топливного элемента.

Уравнение \ref{9.4.23} описывает эффективность батарей и топливных элементов. Это еще один способ выражения уравнения Нернста. Это аналогично уравнениям, которые мы встречали, описывая эффективность других устройств преобразования энергии. Более конкретно, оно имеет форму, аналогичную уравнению для эффективности Карно, уравнению 8.6.6. Эффективность Карно описывает температурную зависимость эффективности всех устройств, преобразующих разность температур в другую форму энергии. Он был введен в связи с термоэлектрическими устройствами, но применим и к пироэлектрическим устройствам, паровым турбинам и другим устройствам. Эти уравнения также имеют форму, аналогичную уравнению 7.3.4, которое моделирует влияние коэффициента отражения зеркала и оптического поглощения на эффективность лазера.

---

Эта страница под названием 9.4: Измерения аккумуляторов и топливных элементов распространяется под лицензией CC BY-NC 4.