Низкая плотность электролита: как правильно повысить и какая должна быть после зарядки — Автозапчасти для иномарок — Продажа и подбор автозапчастей на иномарки

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе? ― 130.com.ua

Практически все автовладельцы вообще не уделяют внимание аккумулятору до первых проблем. Именно наша безответственность быстрее приближает моменты поломок, когда автомобиль уже просто отказывается заводиться. Наиболее распространенная причина — севший аккумулятор.

Кстати, даже новое АКБ может помешать вашей поездке. Есть же доля вероятности купить не совсем качественное устройство. Что подразумевается под этим? Чаще всего: не доконца заряженный аккумулятор или недостаточность электролита. Такие нюансы никак не проверяют во время покупок.

Основные способы

Как только отказывается работать аккумулятор, мы ставим его на зарядку. Но что видим: цикл зарядки прошел, а батарея все такая же дохлая. Появляется новая проблема — АКБ просто не держит заряд. Тут нужно выяснить причины, почему так происходит.

Чаще всего это случается с батареями, которые были посажены в 0. Здесь уже появляется новая задача — проверить насколько сильно разряжен аккумулятор. Для начала проверьте плотность электролита с помощью специального устройства: кислотомера.

Делаем это следующим образом:

• Кислотомер устанавливаем в любую банку аккумулятора.
• Шкала на ареометре будет показывать плотность электролита.
• Сравниваем полученные значения с табличными параметрами плотности.

Если вы живете в регионе с суровым климатом, то значение будет равно приблизительно 1,25 кг/литр. Тут учитывайте, что разница плотности между двумя банками не должна быть больше 0,01.

Как поднять плотность?

Способ решить эту задачу зависит от того, какие значения вы получили.

Плотность 1,18-1,20 кг/литр

С помощью груши откачиваем старый электролит: как можно больше. Заливаем новый на половину того объема, который вы откачали. Условно для примера: откачали 1 кг., заливаем 0,5 кг. Тут нужно добиться нормы плотности электролита, а остаток доливаем уже дистиллированной водой.

Плотность менее 1,18 кг/литр

В таком случае нужно использовать аккумуляторную кислоту. Все делаем также, как и в первом случае, но вполне вероятно, что процедуру придется повторять. Ваша главная задача остается прежней — получить значение нормы.

Плотность очень низкая

К сожалению, тут придется менять полностью электролит, чтоб спасти аккумулятор. С помощью груши, вам нужно будет максимально откачать старый электролит, а банки закрыть заглушками. И дальше придерживаемся такого плана:

• После закручивания заглушек, аккумулятор кладем на бок. Берем сверло 3 мм. или 3,5 мм. и делаем по одному отверстию внизу банки. Так, мы сможем слить электролит полностью.
• Промываем все банки с помощью дистиллированной воды. Отверстия закрываем кислотостойкой пластмассой. Так, мы сделали все необходимое, чтоб подготовить емкость к новому электролиту.
• Приготовим электролит самостоятельно. Берем дистиллированную воду и наливаем в нее аккумуляторную кислоту. Обратите внимание, что обратный порядок недопустим, то есть воду в кислоту наливать нельзя. Не забудьте надеть резиновые перчатки.

В итоге, вы должны получить необходимые значения электролита для вашего региона. Если по какой-то причине увеличить плотность электролита не удалось, придется выбрать новый аккумулятор. Аккумулятор купить с доставкой по Украине в Харьков, Киев, Одессу можно на 130.com.ua.

ТОП-3 автомобильных аккумулятора

Материалы по теме

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе самостоятельно

Доброго времени суток! Все читатели блога знают, что обслуживаемый аккумулятор, требует периодических проверок. Ведь концентрация серной кислоты в нем со временем падает. Поэтому, каждый уважающий себя автомобилист, должен знать, как поднять плотность электролита в аккумуляторе. Об этом, мы с вами и поговорим.

Содержание

Почему плотность электролита падает

Прежде чем разбираться, как повысить плотность электролита в аккумуляторе, давайте выясним причины ее падения.

Для любого АКБ, изменение плотности это нормальное явление. Т.е., аккумулятор разрядился – ее значение понизилось. Зарядился – повысилось. Но в некоторых ситуациях, батарея попросту не держит заряд. А это говорит о том, что концентрация упала слишком сильно и ее пора поднимать.

Почему у АКБ становится маленькая плотность:

• аккумулятор просто разряжен;
• батарея подвергалась перезарядке, в результате чего выкипал электролит;
• в банки доливается дистиллированная вода, а замеры концентрации не проводятся. В результате плотность электролита постепенно падает;

Кстати, если АКБ будет долго работать в таком состоянии, это приведет к сульфитации пластин. Поэтому, лучше его не запускать.

Подготовка

Итак, если в результате проверки ареометром, обнаружилась низкая плотность электролита в аккумуляторе ее нужно поднимать. Но, прежде чем это делать, нужно убедиться, что соблюдены некоторые условия:

• АКБ заряжен;
• температура электролита в банках находится в пределах 20-25 оС;
• во всех банках уровень жидкости в норме;
• аккумулятор целый. На АКБ, часто появляются трещины возле токовыводов, из-за расшатывания контактов. Поэтому не нужно стучать и прикладывать излишних усилий чтобы снять клемму на аккумуляторе. Лучше потратить немного больше времени и сделать это аккуратно.

Если же батарея автомобиля разряжена, то она заряжается, а после измеряется плотность. Почему так? Дело в том, что при низком заряде – концентрация кислоты в банках уменьшается.

Если залить корректирующий раствор в незаряженный аккумулятор – концентрацию серной кислоты можно повысить до такой степени, что в банках осыпятся пластины.

Нужно учесть, и тот факт, что автомобильный генератор, заряжает аккумулятор лишь на 85-90%. Поэтому перед замерами, зарядку батареи нужно проводить в обязательном порядке.

Корректирующая подзарядка АКБ

Иногда, может возникнуть ситуация, что после полной зарядки, плотность электролита в банках оказывается разная. Вообще, разница в плотности допускается не более 0,01 кг/см3. Иначе, требуется ее выравнивание.

Для этого, можно провести корректирующую подзарядку батареи. В 2-3 раза уменьшается сила тока (по сравнению с номинальной величиной) и АКБ заряжается 1-2 часа. Если это не помогло выровнять плотность электролита – потребуются более радикальные меры.

Корректирующий электролит

Корректирующим, называют электролит с плотностью 1,40 кг/см3. Запомните, ни в коем случае, нельзя просто так вливать его в АКБ. Т.е. вначале, нужно проверить аккумулятор и выяснить причину падения уровня жидкости, а потом его уже поднимать.

Часто встречается ситуация, когда начинающие автолюбители неправильно истолковывают название «корректирующий». Например, когда из банок выпарилась вода. Т.е. нужно поднять уровень жидкости, а тут как раз корректирующий раствор. Логика проста:

• в АКБ залит электролит, а его уровень упал;
• раствор корректирующий, значит он предназначен для корректировки уровня жидкости.

К сожалению, такая точка зрения в корне неправильна. В большинстве случаев, для выравнивания уровня, в АКБ льется дистиллированная вода.

А корректирующий электролит льется в таких случаях:

• если жидкость вытекла из банок;
• если вы налили в АКБ слишком много дистиллята и понизили плотность.

Поэтому не нужно его лить, если, например, батарея просто разряжена, а соответственно концентрация ниже требуемой.

Поднимаем плотность электролита в АКБ

Итак, давайте разбираться, как повысить плотность аккумулятора. Скажу сразу – дело это хоть и не хитрое, но достаточно кропотливое и к тому же, занимает много времени. Поэтому лучше заранее запастись терпением.

Нормальная плотность электролита должна быть в пределах 1,25-1,27 г/см3. Причем, это значение должно быть одинаково для всех банок. Для того чтобы поднять концентрацию электролита в банках аккумулятора, используется корректирующий раствор. Если же вы захотите самостоятельно приготовить смесь в домашних условиях, запомните последовательность:

• в емкость льется дистиллят, а уже в него добавляется серная кислота. Если сделать наоборот – раствор начнет бурно кипеть.

Кроме того, понадобится:

• аэрометр с грушей для откачки жидкости из банок;
• стеклянная емкость для слива старого электролита;
• мерный стакан;
• защитные очки, перчатки.

Важно помнить и то, что у жидкости может быть разная плотность в банках. Поэтому имеет смысл сделать простую табличку, куда заносить результаты замеров по каждой банке – иначе можно запутаться.

Сразу сделаю одно важное уточнение. Некоторые товарищи, советуя как поднять плотность в аккумуляторе, предлагают полностью выливать электролит и заливать новый. А для этого, они рекомендуют просто перевернуть батарею, вылить жидкость и промыть все дистиллированной водой. А в результате таких манипуляций перестает работать одна или несколько банок.

Почему так происходит? Дело в том, что на дне собирается свинцовый осадок. И если АКБ перевернуть – кусочки свинца могут упасть между пластин и закоротить их. Т.е. банка перестает работать.

Итак, когда упала плотность электролита, есть несколько действенных метода, чтобы ее безболезненно поднять. Давайте их рассмотрим.

Доливка корректирующего электролита

Для этого понадобится концентрированный электролит.

Как увеличить плотность:

• из банки откачивается жидкость при помощи аэрометра или обычной спринцовки;
• вместо нее, заливается такой же объем корректирующего раствора;
• АКБ ставится на зарядку на полчаса – час, после чего, выдерживается в течение 2-3 часов;
• проводятся контрольные замеры;
• при необходимости, процедура повторяется.

При откачке, нужно следить, чтобы не оголялась поверхность пластин.

Выравнивание при помощи зарядного устройства

Здесь все просто. Единственное условие, понадобится зарядное для автомобиля с жесткой регулировкой выходного напряжения. Автоматические зарядные, уменьшающие силу тока при достижении полной зарядки не подойдут.

Как восстановить плотность:

• АКБ доводится до полной зарядки;
• когда он заряжен и начинает кипеть – уменьшается сила тока до 1-2 Ампер;
• логика простая – АКБ кипит, вода испаряется, концентрация электролита повышается;
• время выпаривания зависит от конкретного случая и может длиться больше суток;
• когда уровень упал – доливается электролит и замеряется плотность;
• если нужно – операция повторяется.

Из минусов, стоит отметить, что это долго.

Если плотность слишком низкая

Как выровнять плотность, если она слишком низкая? Например, если ее значение, ниже 1,18, описанные методы не сработают. Придется сливать кислоту полностью.

Давайте разберемся, что делать в этом случае:

• электролит откачивается из банок, насколько это возможно;
• АКБ аккуратно переворачивается, и в дне высверливаются отверстия в каждой банке.
• Желательно делать это в какой-нибудь емкости, например в тазу;
• после этого, батарея ставится в вертикальное положение, и с нее выливаются остатки жидкости;
• аккумулятор промывается дистиллированной водой;
• отверстия запаиваются, и заливается новый раствор.

Пластик для запаивания дырок, должен быть устойчивым к серной кислоте.

Иногда встречаются ситуации, когда в старых аккумуляторах совсем нет плотности. Это говорит о глубокой сульфатации. В этом случае потребуются более серьезные меры для восстановления.

На самом деле, если в вашем аккумуляторе упала плотность электролита – это не такая уж большая проблема. И поднять ее можно без особых трудов. Но, лишь в том случае, если определить падение концентрации вовремя. Если же за аккумулятором не следить – он просто выйдет из строя.

Как поднять плотность в аккумуляторе в домашних условиях

По каким причинам происходит падение плотности

Прежде чем сразу же приступать к исправлению проблемы стоит разобраться в причине ее возникновения.  Для АКБ явление падения плотности — это естественное явление. При разряде она показатели снижаются, при заряде повышаются.

Низкие показатели в АКБ говорят о следующем:

1. Батарея просто разряжена.
2. Аккумулятор перенес перезарядку, из-за чего раствор просто выкипел.
3. Дистиллированная вода просто доливалась без замера показателей.

В первом случае падение — это естественное явление. Во втором, когда батарея перенесла перезарядку произошло частичное выкипание, что сильно повлияло на параметры жидкости. В третьем, упала плотность электролита в аккумуляторе из-за большого содержания воды.

Важно! Плотность электролита прямо влияет на качество батареи. А самое главное на то как она будет держать заряд.

Рекомендуется постоянно производить замеры показателя плотности электролита при первых признаках. К ним можно отнести быструю разрядку АКБ. В противном случае при долгой работе с некорректными показателями пластины внутри батареи будут разрушены. Исправить такое можно будет только полностью заменив батарею.

Способы повышения плотности

Повысить плотность электролита в АКБ можно поднять несколькими способами. Они различаются своей сложностью исполнения и длительностью.

Корректирующий электролит

Повышение плотности электролита в аккумуляторе происходит в несколько этапов. В этом действии важно соблюдать последовательность, только в этом случае можно получить достоверные результаты.

Также потребуются следующие инструменты и продукты:

• ареометр;
• стеклянные емкости;
• груша для извлечения лишней жидкости;
• перчатки для защиты;
• пластмассовые защитные очки;
• корректирующий электролит;
• дистиллированная вода.

Важно! Перед тем как приступить к работе необходимо убедится, что батарея находилась несколько часов в помещении с температурой 20-25 градусов.

Чтобы реанимировать батарею и поднять плотность электролита в аккумуляторе требуется выполнить следующие действия:

1. Зарядить АКБ, в котором предположительно упала плотность электролита. Важно чтобы батарея заряжалась около 8-12 часов. Необходимо чтобы она стала именно полностью заряженной, так как этот момент сильно влияет на показатели.
2. После зарядки требуется замерить параметр ареометром в каждой банке АКБ. Показатели должны быть в пределах 1.25-1.27 г/см в кубе. Отклонение в показателях между банками допускается до 0.01.
3. Если результат оказался ниже нормы, требуется откачать часть электролита из банок с недопустимыми параметрами.
4. В банку заливается корректирующий электролит, в объеме в двое меньше откаченного. Далее заливают дистиллированную воду для закрытия пластин.
5. Как только была произведена частичная замена электролита необходимо поставить АКБ на подзарядку. Достаточно 30-60 минут. После требуется оставить батарею на 2 часа чтобы жидкость смешалась.
6. По истечению времени производится повторный замер. Если она все также ниже нормального действия повторяются.

Важно! Если планируется самостоятельно делать корректирующий электролит стоит заливать кислоту в воду, а не наоборот. В противном случае произойдет реакция, в ходе которой вода вскипит, и кислота расплескаться.

Выравнивание с помощью зарядки

Для этого метода потребуется зарядное устройство для АКБ с возможностью регулировать выходное напряжение. Простая зарядка, которая уменьшает силу тока при полном заряде не подойдет.

Корректировка плотности электролита в аккумуляторе происходит по следующей схеме:

1. Батарея полностью заряжается.
2. Когда электролит начинает кипеть силу тока снижается до 1-2 А.
3. Пока электролит кипит вода из него испаряется и плотность постепенно повышается.
4. После падения уровня необходимо долить электролит, и замерить плотность.

Выпариваться жидкость будет очень медленно и может понадобится более 24 часов. Этот способ наиболее безопасен. За счет естественного испарения замена производится без выкачивания химического раствора.

Полная замена

В случае если хоть в одной банке показатели ниже чем 1.18 г/м в квадрате, то поможет только полная замена электролита. Это действие стоит проводить очень аккуратно так как при ошибке вся батарея может выйти из строя.

Замена производится следующим образом:

1. Из банок в АКБ выкачивается максимально возможное количество жидкости при помощи груши.
2. После чего необходимо аккуратно перевернуть батарею на бок и просверлить отверстия в каждой банки. С них необходимо слить остатки электролита.
3. После чего все емкости осторожно промываются дистиллятом. Отверстия запаиваются пластиком, который устойчив к кислоте.
4. В свежевымытые банки заливается раствор электролита с необходимой плотностью. Далее батарея заряжается и проверяется на работоспособность.

Можно залить готовый корректирующий раствор, а после нормализовать параметры просто доливая дистиллированную воду.

Важно! Батарею требуется перевернуть очень аккуратно и медленно. Дело в том, что на дне остается осадок из свинца и при резком перевороте он может застрять между пластин тем самым их закоротив. После этого, как правило, батарея становится не дееспособной.

Как понизить

В некоторых случаях плотность не падает, а наоборот увеличивается. Такой исход также негативно сказывается на общем состоянии аккумулятора. Понижение происходит следующим образом:

1. Из банок откачивается некоторое количество электролита.
2. После чего заливается дистиллированная вода.
3. Измеряется плотность, и в случае если она выше 1.27 необходимо добавить воды.

Желательно вводит воду постепенно. Это поможет избежать слишком сильного понижения показателей.

Чем опасна высокая или низкая плотность

Высокая плотность электролита в аккумуляторе приводит к быстрому разрушению пластин. С течением времени пластины будут съедены кислотой, и аккумулятор выйдет из строя.

Низкая плотность электролита в аккумуляторе не дает батареи держать заряд так как значительно падает емкость. Также повышенная концентрация именно воды увеличивает вероятность того что зимой такая батарея просто заледенеет из-за кристаллизации при низких температурах.

Также плотность рекомендуется выбирать исходя из времени года и региона. Разброс в параметрах не сильный, но это поможет избежать многих проблем с обслуживанием аккумулятора.

Советы и рекомендации

Для того, чтобы корректировка плотности прошла успешно, и батарея не была повреждена стоит следовать некоторым рекомендациям:

• Замер производить только при температуре 20-25 градусов;
• Все параметры измеряются у полностью заряженного аккумулятора;
• Для корректировки использовать специальный раствор с плотностью 1.4. Нельзя заливать более насыщенный раствор кислоты, это приведет к разогреву электролита в батарее;
• Корректируется жидкость в каждой банке, главное, чтобы между значениями отдельных емкостей не разнилось больше чем на 0.01;
• Жидкость должна покрывать пластины на 1-2 см.

Совет! Если после всех манипуляций показатели падают за короткое время и не приходит в норму после зарядки батарею следует заменить.

Иногда выровнять плотность электролита в банках аккумулятора невозможно. Это, как правило, происходит по причине того, что батарея не исправна и аккумулятор не может держать плотность.

Заключение

Плотность электролита и его уровень оказывают сильное влияние на работоспособность и эффективность аккумулятора. Своевременная корректировка позволяет увеличить срок службы АКБ. Главное совершать все действия правильно в соответствие с нормами безопасности.

Пористость катода является отсутствующим ключевым параметром для оптимизации плотности энергии литий-серной батареи

Морфология серного электрода с разной пористостью

Морфология композитных электродов S / C с разной пористостью наблюдается с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), так как показано на рис. 1. При пористости 70% наблюдаются большие пустоты с частицами, перекрывающимися и неравномерно распределенными по поверхности. При пористости 60% или 50% расстояние между частицами было значительно уменьшено, а пустое пространство также было менее заметным из-за процесса каландрирования.Между тем, частицы упакованы более конденсированными по поверхности электрода, и агрегация также очевидна. Морфология серного электрода с пористостью 40 и 50% после циклирования наблюдалась с помощью SEM-изображений поперечного сечения (дополнительный рис. 1 в вспомогательной информации, SI). Толщина обоих электродов увеличивается из-за объемного расширения во время цикла. Поверхность углерода также покрыта осажденными материалами, вероятно, изолирующим Li ₂ S.

Изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). СЭМ-изображения серного электрода с пористостью 70, 60 и 50%

Электрохимические характеристики ячеек с разной пористостью

Для серного катода важна высокая доля объема пор для обеспечения пространства как для окислительно-восстановительных реакций, так и для объема расширение серы (~ 80%) ^40,43 . В то же время требуется некоторый избыток электролита для полного заполнения пор и обеспечения взаимосвязанных путей переноса ионов лития между частицами.Начальная пористость электрода с покрытием составляет 70%. Посредством процесса каландрирования были подготовлены электроды с различной пористостью для оценки электрохимических характеристик.

На рис. 2а показаны профили заряда – разряда Li – S элементов с содержанием серы 2,5 мг / см ^–2 при пористости 70, 65, 60, 55, 50 и 45%. Типичное поведение двухплато при разряде Li – S батареи наблюдалось, когда пористость превышала 55%. Первое плато при ~ 2,4 В обычно приписывается реакциям превращения элементарной S в растворимый Li-PS (включая Li ₂ S ₈ , Li ₂ S ₆ и Li ₂ S ₄ ), а второй 2.Плато 1 В указывает на дальнейшее преобразование растворимого Li-PS в нерастворимый Li ₂ S ₂ и Li ₂ S. емкость разряда была выше 1000 мАч г ^-1 для ячеек с пористостью выше 50%, что означает, что степень использования серы не сильно пострадала, когда пористость находилась в определенном диапазоне. При дальнейшем уменьшении пористости до 50% точка поворота плато сместилась назад до 260 мАч г ^-1 , и наблюдалась значительная депрессия второго плато.Общая начальная емкость снизилась до 910 мАч g ⁻¹ . Это явление было еще более серьезным для ячейки с меньшей пористостью 45%. Поворотный момент был дополнительно уменьшен до емкости 200 мАч g ⁻¹ , а общая емкость резко снизилась до всего 299 мАч g ⁻¹ . Подобная тенденция также может наблюдаться для электродов с содержанием серы 5 мг / см ^-2 , как показано на рис. 2b. Электроды с пористостью 70 и 60% показали идентичные емкости, близкие к 1100 мАч g ⁻¹ со вторым плато разряда выше 2.0 В. Хотя электрод с пористостью 50% обеспечивал относительно более высокую начальную емкость по сравнению с электродом с меньшей нагрузкой при той же пористости, все же наблюдалось значительно пониженное второе плато разряда. Когда пористость была дополнительно уменьшена до 40%, начальная разрядная емкость составила всего 255 мАч g ^-1 , а плато разрядки 2 ^nd было сильно сжато. Эти результаты показали, что электроды с более высокой пористостью могут обеспечивать больше реакционных центров и, таким образом, иметь более высокую степень использования серы.

Электрохимические характеристики ячеек с различной массовой загрузкой серы. a , b Зарядно-разрядные профили литий-серных (Li-S) элементов с содержанием серы 2,5 мг / см ^-2 и 5 мг / см ^-2 при различной пористости. c Цикл работы ячеек с содержанием серы 5 мг / см ^-2 при пористости 70, 60, 50 и 40%. d Спектр электрохимического импеданса серного электрода с пористостью 70, 60 и 50% (содержание серы 2.5 мг · см ⁻² ). e , f Li – S аккумулятор с электролитом, состоящим из диметоксиэтана (DME) и диоксолана (DOL) в качестве растворителя с 0,4 M бис (трифторметансульфонил) имидом лития (LiTFSI) −0,6 M LiNO ₃ и 3 M LiTFSI– 0,2 M LiNO ₃ (загрузка серы 2,5 мг / см ^-2 )

Циклические характеристики ячеек с загрузкой серы 5 мг / см ^-2 при различной пористости представлены на рис. 2c. Электроды с пористостью 70, 60 и 50% показывают очень близкие начальные емкости 1104, 1116 и 1040 мАч г ^-1 соответственно.Емкость электрода с пористостью 70% уменьшилась в течение первых 12 циклов, а затем восстановилась и оставалась относительно стабильной. Ячейка с пористостью 60% показала несколько более высокую емкость в течение первых 10 циклов по сравнению с электродом с пористостью 70%, но емкость уменьшилась более значительно в следующих циклах. Ячейка с пористостью 50% показала более стабильную циклическую производительность по сравнению с ячейками с более высокой пористостью, но емкость внезапно упала после 34 циклов, что может быть вызвано коротким замыканием.Что касается ячейки с пористостью 40%, она быстро вышла из строя после двух циклов с начальной емкостью 255 мАч g ^-1 . Хотя небольшие поры углеродной матрицы благоприятны для использования активных материалов ⁴⁰ , электрод с пористостью 70% по-прежнему демонстрирует лучшие характеристики по сравнению с электродами с более низкой пористостью. При низком содержании серы (дополнительный рисунок 2) ячейка с пористостью 70% показала стабильную работу цикла, хотя начальная разрядная емкость была ниже, чем у ячеек с более низкой пористостью (65, 60 и 55%).В то время как начальная емкость ячейки с пористостью 60% была самой высокой среди всех ячеек, она продолжала снижаться и почти сравнялась с емкостью с пористостью 65% после 10 циклов. Обе ячейки с пористостью 70 и 55% испытали быстрое разрушение емкости после 20 циклов по сравнению с ячейками с пористостью 60 и 65%. Емкость ячейки с пористостью 65% постепенно увеличивалась до 80 циклов, а затем внезапно упала до даже меньшей емкости, чем у ячейки с пористостью 60 и 55%.Ячейка с пористостью 70% показала наиболее стабильную производительность цикла в течение 100 циклов по сравнению с другими, за которыми следовали 60 и 55%. Кулоновская эффективность всех клеток сохранялась около 98%, что можно объяснить ингибированием эффекта челнока за счет использования LiNO ₃ ^35,44 . На разложение LiNO ₃ также указывает небольшое увеличение дополнительной емкости при напряжении ниже 1,8 В для пористости более 50% на рис. 2b, что согласуется с наблюдениями в литературе ³⁵ .

На рис. 2d показана спектроскопия электрохимического импеданса для ячеек с пористостью электродов 70, 60 и 50% после 5 циклов при 50% -ном состоянии заряда. Когда пористость уменьшилась на 10%, сопротивление переносу заряда элемента уменьшилось почти вдвое, в то время как сопротивление электролита осталось прежним, что указывает на то, что процесс каландрирования может улучшить проводимость за счет улучшения контакта между частицами ⁴⁵ . Однако процесс каландрирования также оказал отрицательное влияние на электрохимические характеристики ячеек в результате значительного уменьшения пустот и объема пор, как обсуждалось в вышеупомянутом контексте.

Плохие электрохимические характеристики серного электрода с пониженной пористостью демонстрируют, что доля объема пор имеет решающее значение как для скорости использования серы, так и для стабильности циклирования. В отличие от обычных литий-ионных аккумуляторов с интеркаляцией, механизм реакции Li-S аккумуляторов включает процессы растворения и осаждения Li-PS, которые сильно зависят от свойств электролита. Как показано на рис. 2e, с электролитом низкой концентрации, ячейка имела длинное плато разряда 2 ^и на 2.1 В, который, однако, заметно сжимался, если концентрация была увеличена до 3 моль л ^-1 (M, см. Рис. 2f). Было очевидно, что на электрохимические характеристики Li-S батареи сильно влияет наличие свободных растворителей в электролите, что, вероятно, связано с растворением Li-PS. Если концентрация лития Li-PS в элементе превышает предел его растворимости (~ 8 M), производительность батареи будет отрицательно сказываться ⁴⁶ .

Аналитическая модель

Согласно экспериментальным наблюдениям, на общие характеристики Li – S батареи сильно повлияла пористость композитного катода S / C.Сообщалось, что площадь поверхности углерода катодов S / C оказала значительное влияние на второе плато разряда ⁴⁷ . Наши экспериментальные данные показали, что уменьшение пористости вызвало не только пониженное второе плато, но также укороченное первое плато, как показано на рис. 2a, b. Чтобы понять основные механизмы, была построена единая аналитическая модель для количественной оценки влияния пористости катода, p , на плотность энергии на уровне ячейки. В экспериментах мы выбрали залитые плоские элементы с базовым электролитом, чтобы отделить влияние пористости катода от других экспериментальных факторов, таких как расход электролита из-за образования SEI на поверхности Li-металла.Из-за конструкции плоского круглого элемента не весь электролит был использован. Наша аналитическая модель рационализирует количество электролита, участвующего в работе ячейки и растворении Li-PS. Это послужит основой для оценки предела отношения E / S в практической конструкции пакета без избытка электролита.

Ограниченная емкость на первом плато разряда

После сборки ячейки поры электродов, показанные на рис. 1, будут заполнены электролитом. Таким образом, количество электролита, необходимое для полного смачивания электрода, будет зависеть от пористости электрода, p .С учетом пористого полимерного сепаратора и непористого литиевого анода, используемых для изготовления ячейки, общий объем пор ячейки, V _поры , включая поры в сепараторе и катоде, как

$$ V _ {{\ mathrm {pore}}} = V _ {{\ mathrm {pore}}} ({\ mathrm {sep}}) + V _ {{\ mathrm {pore}}} \ left ({{\ mathrm {cat}}} \ справа) $$

(1)

V _поры (sep) были рассчитаны как 2,5 мм ³ на основе общего объема (6.3 мм ³ ) и пористость (40%) сепаратора Celgard 2500, использованного в эксперименте. V _Пора (cat) включала микропоры внутри углерода и пустое пространство между частицами углерода. Он масштабируется с учетом пористости, p как

$$ V _ {{\ mathrm {pore}}} \ left ({{\ mathrm {cat}}} \ right) = p \ ast V \ left ({{\ mathrm {cat}}} \ right) = p (V _ {{\ mathrm {density}}} \ left ({{\ mathrm {cat}}} \ right) + V _ {{\ mathrm {pore}}} \ left ({{\ mathrm {cat}}} \ right)) $$

(2)

На основании экспериментально измеренного компактного объема катода, объем плотного композитного катода S / C без какой-либо пористости V _{плотный} (катод) был около 5.3 мм ³ (Дополнительная таблица 1). Во-первых, мы можем предположить, что весь электролит можно утилизировать. Коэффициенты диффузии наименьшего Li-PS, Li ₂ S ₄ , в типичном растворителе диметоксиэтане (DME) были рассчитаны как функция концентраций Li ₂ S ₄ с помощью классической молекулярной динамики (MD). моделирование. Хотя коэффициент диффузии Li ₂ S ₄ уменьшался с увеличением концентрации, расстояние диффузии Li ₂ S ₄ во время процесса разряда со скоростью 0.По оценкам, 1 C составляет 1–3 мм, что намного превышает размер пор и частиц S / C-композита и толщину электрода. Это подтверждает наличие челночного движения Li-PS, которое широко наблюдалось в опубликованных экспериментах ^10,11 . Также предполагается, что диффузия Li-PS не является ограничивающим фактором для использования серы.

Исходя из содержания серы 5,0 мг / см ^-2 , общая масса S в катоде м _с (общая) составила 6,5 мг для катода площадью 1.3 см ² , что соответствует объему 3,25 мм ³ . (Дополнительная таблица 1). Если бы все 6,5 мг S преобразовались в Li ₂ S ₄ после завершения первого плато разряда, была бы получена теоретическая емкость Q _th = 420 мАч г ^-1 . Поскольку вся экспериментально измеренная разрядная емкость после первого плато меньше Q _th , мы ввели процент использования S P _s (uti) как отношение массы использованного S (преобразованных в Li ₂ S ₄ ), m _s (uti), а общая масса S равна

$$ P_s ({\ mathrm {uti}}) = \ frac {{m _ {\ mathrm { s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right)}} {{m _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {total}}} \ right)}} = \ frac {{Q _ {{\ mathrm {pr}}}}} {{Q _ {{\ mathrm {th}}}}} $$

(3)

Q _pr — это практическая емкость на первом плато, которую можно получить из рис.2b. Как показано на рис. 3а, экспериментальный P _s (uti) поддерживался на уровне ~ 70% для пористости выше 60%. Таким образом, не более 70% S может быть преобразовано в Li ₂ S ₄ . Растворимость Li ₂ S ₄ в растворителе электролита в пересчете на S составляет C _max = 8 M ¹⁹ . Если предположить, что эти Li ₂ S ₄ растворены только в электролите в поре, его концентрация все равно будет превышать предел насыщения даже при высокой пористости 70%.Это означает, что доступный объем электролита был больше, чем V _pore . Дальнейшее снижение пористости ниже 60% привело к уменьшению P _s (uti), поскольку количество доступного электролита больше не растворяет полностью образовавшийся Li ₂ S ₄ , что ограничивает использование активного S Таким образом, мы считаем, что первое плато будет прекращено, когда концентрация Li ₂ S ₄ достигнет предела насыщения, поэтому использование S будет ограничено максимальным количеством растворимого Li ₂ S ₄ ,

$$ P _ {\ mathrm {s}} ({\ mathrm {uti}}) = \ frac {{gV _ {{\ mathrm {pore}}} M _ {\ mathrm {s}} \ cdot C _ {{\ mathrm {max}}}}} {{m _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {total}}} \ right)}} $$

(4)

, где M _с = 32 г моль ⁻¹ — молярная масса S, а доступный объем электролита был принят как гВ _пора .Новый параметр г был введен для учета доступного электролита за пределами пор, но способствовал растворению Li-PS. Путем подгонки к практической емкости первого плато при разной пористости, как показано на рис. 2b, значение г было определено равным 1,8, предполагая, что объем использованного электролита примерно в два (1,8 раза) больше объема внутри электролита. поры.

Результаты аналитического моделирования. Прогнозируемая концентрация полисульфида лития (Li-PS) и использование серы в зависимости от пористости ( a ).Прогнозируемая общая площадь поверхности и эффективная площадь поверхности как функция пористости ( b ). Расчетные кривые разгрузки при разной пористости ( c ). Прогнозируемая гравиметрическая плотность энергии, основанная на общей массе катода, включая S, углеродную матрицу, углеродную сажу, карбоксиметилцеллюлозу и стирол-бутадиеновый каучук (CMC-SBR), и объемной плотности энергии на основе полного объема катода ( дн. ). Также были вставлены схемы, показывающие разницу между низкой и высокой пористостью.Неиспользованная сера, углеродная матрица и осажденный слой Li ₂ S ₂ / Li ₂ S были представлены желтым, черным и красным соответственно

В зависимости от количества использованной серы растворенный Li ₂ S _{4 Концентрация} была также рассчитана в единицах мола S.

$$ c _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right) = \ frac {{m_ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right)}} {{gV _ {{\ mathrm {pore}}} M _ {\ mathrm {s}}}} $$

(5)

На рис.3a, c _s (uti) увеличивалось с уменьшением пористости и сходилось при насыщенной концентрации 8 M ¹⁹ , когда пористость была ниже 60%. Это подтвердило, что насыщение Li-PS в растворителе электролита было ограничивающим фактором для емкости на первом плато.

Депрессия второго плато разряда

Электрохимическая реакция, соответствующая второму плато, будет протекать на поверхности углерода, где растворенный Li ₂ S ₄ забирает электроны с поверхности, а литий-ионные от электролита и отложения в качестве изоляционного Li ₂ S ₂ и Li ₂ S на поверхности.\ alpha \), где α — эмпирическая константа, зависящая от структуры пор, обычно в диапазоне от -1 до 1. Учитывая тот факт, что пористость была изменена в процессе каландрирования вдоль направления толщины, α было выбрано значение 1. Далее, соотнося V (cat) с пористостью p , общая площадь поверхности A уменьшилась с p

$$ A (p) = \ frac {{A_0}} {{1 — p}} $

(6)

Как мы знаем, измеренная площадь поверхности Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ), A , составляла ~ 1000–1100 м ² г ⁻¹ при p = 70%, остальная часть A может может быть получена как функция от p .

Если вся сера может быть преобразована в растворенный в электролите Li ₂ S ₄ , поверхность углерода, первоначально покрытая изолирующей серой, снова станет доступной для облегчения реакции переноса заряда. Однако, если после реакции, связанной с первым плато, остается неиспользованная S, часть поверхности, покрытая S, по-прежнему является изолирующей. Таким образом, эффективная площадь поверхности A _eff была определена для учета неиспользованной серы, \ (m _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {total}}} \ right) (1 — P _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right)) \) с параметром k ,

$$ A _ {{\ mathrm {eff}}} = A-km _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {total}}} \ right) (1 — P _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ справа)) $$

(7)

Зная процент использования серы, предполагая различные k , A, и A _eff были построены как функция от p на рис.3b. И A ₀ , и A _eff уменьшились с уменьшением пористости, но уменьшение A _eff было намного быстрее по сравнению с A . Это произошло из-за увеличения неиспользованной серы, покрывающей площадь поверхности углерода. Точное значение k будет определено позже.

Если предположить, что осажденные изолирующие продукты Li ₂ S ₂ / Li ₂ S равномерно распределены на поверхности углерода, толщина слоя d пропорциональна емкости на втором плато \ (Q — Q_ { {\ mathrm {th}}} P _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right), \) и обратно пропорционально эффективной площади поверхности A _eff . Q здесь был полной вместимостью. Таким образом, используя константу b , соотношение между толщиной d и общей емкостью Q может быть получено как

$$ d = b \ frac {{(Q — Q _ {{\ mathrm {th}}} P_ { \ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right))}} {{A _ {{\ mathrm {eff}}} m _ {\ mathrm {C}}}} $$

(8)

м _c = 1,85 мг — масса углеродной матрицы, использованной в эксперименте. Изолирующий слой Li ₂ S ₂ / Li ₂ S будет вызывать сопротивление, и электроны должны туннелировать через его толщину для продолжения электрохимических реакций.{Bd} — 1) $$

(9)

, где C и B были двумя параметрами подгонки, которые будут обсуждаться позже. Согласно формуле. (9), R было 0, когда толщиной d можно было пренебречь. Изолирующий слой вызвал падение IR , при этом I представляет ток разряда на кривой разряда для второго плато. Равномерное нанесение изолирующего Li ₂ S ₂ / Li ₂ S на углеродную поверхность поддерживалось S / C электродом, изготовленным методом диффузии из расплава (аналогичным нашему) Pan et al. ⁵⁰ . Интересно, что они также представили неоднородное осаждение Li ₂ S, так называемую «похожую на цветок» агломерацию Li ₂ S, которая сохранила электрохимическую активность углеродного волокна и серного катода. Будет интересно, удастся ли этого добиться в макропористой углеродной матрице.

Принимая равновесное напряжение холостого хода 2,4 и 2,1 В для первого и второго плато, кривая разряда покажет две стадии для напряжения В и емкости Q :

$$ V = \ left \ {{\ begin {array} {* {20} {c}} {2.\ prime (Q — Q _ {{\ mathrm {th}}} P _ {\ mathrm {s}} \ left ({{\ mathrm {uti}}} \ right))}} {{A _ {{\ mathrm {eff }}} m _ {\ mathrm {C}}}}} — 1} \ right) \ left ({Q \> \ Q _ {{\ mathrm {th}}} P _ {\ mathrm {s}} \ left ({ {\ mathrm {uti}}} \ right)} \ right)} \ end {array}} \ right. $$

(10)

B ′ = Bb и C ′ = CI были двумя объединенными параметрами. Подгоняя кривые разряда с пористостью 40 и 50% на рис.2b, подобранные значения B ′ , C ′ и k были определены как 1,07 × 10 ^–3 м ² г мАч ^–1 , 0,050 В и 1,27 × 10 ⁵ m ² г ⁻² соответственно. Хотя мы явно не подсчитывали набухание катода, показанное на дополнительном рис. 1, избыточный объем электролита в формуле. (1) и подгоночные параметры в уравнении. (2) неявно должен был включать эффект набухания. Расчетные кривые разрядки при других значениях пористости показаны на рис.3c. Модель успешно предсказала кривые разгрузки с незначительными изменениями, когда пористость была выше 60%. Дальнейшее уменьшение пористости сокращало первое плато и понижало второе плато. Таким образом, емкость быстро падала при уменьшении пористости до 40–50%. Это также соответствовало экспериментальным наблюдениям.

Кроме того, эта аналитическая модель может также объяснить изменение напряжения холостого хода с рис. 2e на рис. 2f, когда концентрация бис (трифторметансульфонил) имида лития (LiTFSI) в электролите увеличилась с 1 до 3 М.Подобно системе «вода в соли» ⁵¹ , с увеличением концентрации LiTFSI количество свободного растворителя, которое можно использовать для сольватации Li-PS, будет падать. Это привело к более низкой концентрации насыщения Li-PS в электролите и уменьшению P _s (uti), что укорачивает первое плато, а также снижает второе плато. Это причина того, что даже при высокой пористости 70% на электрохимические характеристики сильно повлиял электролит 3 M LiTFSI, показанный на рис.2f.

Объемная и гравиметрическая плотность энергии

На основании вышеизложенного обсуждения влияние пористости на электрохимические характеристики можно обобщить на схемах на рис. 3d. Неиспользованная S, углеродная матрица и осажденный слой Li ₂ S ₂ / Li ₂ S были представлены желтым, черным и красным соответственно. Когда пористость была высокой (> 55%), P _s (uti) поддерживалось на уровне 70%, способствуя длительному первому плато.Кроме того, A _eff составлял не менее 500 м ² г ⁻¹ , что было достаточно высоким, чтобы удерживать осажденный слой Li ₂ S ₂ / Li ₂ S до тех пор, пока не будет образован весь Li -PS был преобразован в Li ₂ S ₂ и Li ₂ S, как показано на схемах справа на рис. 3d. Сопротивление, вызванное этим тонким слоем, сформированным на поверхности углерода, было менее 0,1 В, и второе плато оставалось плоским. При средней пористости (~ 50%) значение P _s (uti) упало до 55%, что привело к укороченному первому плато.Кроме того, из-за уменьшения пористости и увеличения количества неиспользованной серы A _eff составляло всего ~ 200 м ² г ^-1 . Осажденный слой Li ₂ S ₂ / Li ₂ S становился толще по мере продолжения второй реакции разряда, вызывая увеличение сопротивления. Как показала аналитическая модель, падение ИК-излучения составило ~ 0,2 В при общей емкости 800 мА · ч g ⁻¹ и ~ 0,4 В при общей емкости 1100 мА · ч g ⁻¹ , демонстрируя явное снижение во второй раз. плато.При низкой пористости (<45%) P _s (uti) ~ 42% привело к еще более короткому первому плато. A _eff также резко упало до ~ 15 м ² г ⁻¹ . В результате толщина слоя Li ₂ S ₂ / Li ₂ S и соответствующее сопротивление росли очень быстро, как показано на вставленных слева схемах на рис. 3d. Общая емкость была <250 мАч g ⁻¹ , когда IR упал на 0,4 В и предел напряжения 1.Было достигнуто 7 В. В этом причина сильной депрессии второго плато, сопровождающейся низкой пористостью.

На рис. 3d расчетная гравиметрическая плотность энергии была рассчитана как общая энергия (рассчитанная по кривой разряда), деленная на общую массу катода. Объемная плотность энергии была рассчитана как полная энергия, деленная на полный объем катода, В, (кат) в уравнении. (1). Гравиметрическая плотность энергии сначала монотонно увеличивается с увеличением пористости и достигает постоянной, когда пористость превышает 55%.Однако объемная плотность энергии показала пиковое значение пористости около 52%.

Критические параметры для проектирования на уровне ячейки

Хотя избыток электролита может увеличить использование серы и улучшить характеристики цикла, это неэффективный подход для достижения высокой плотности энергии гравиметрии. Недавно были продемонстрированы некоторые многообещающие характеристики Li-S-монетных элементов с отношением E / S <5 мкл, мг ^-1 при определенных условиях ^52,53,54 .Как обсуждалось выше, для практического применения рекомендуемое соотношение E / S составляет 3 мкл мг ^-1 , что сопоставимо с имеющимся в продаже литий-ионным аккумулятором ⁵² . В дополнительной таблице 2 показаны значения отношения E / S при различной площади поверхности и пористости на основе монетных ячеек с учетом объема пор в серном электроде и сепараторе. Отношение E / S обычно уменьшается с увеличением площади поверхности и пористости. Когда поверхностная емкость серы составляет 5 мАч см ^-2 , отношение E / S близко к 4 мкл мг ^-1 даже для электрода с пористостью 70%, и оно становится еще меньше по мере уменьшения пористости.В формате ячейки пакета соотношение E / S может быть дополнительно уменьшено за счет устранения мертвого пространства и неравномерного распределения давления ¹⁰ . Как показано на рис. 4, доля электролита увеличивается с 42 до 53%, когда объемная емкость серы изменяется от 1 до 5 мАч см ^-2 при фиксированной пористости 70%. Такая чрезвычайно высокая пористость электрода снижает плотность энергии и увеличивает стоимость из-за большого количества электролита. Если емкость серного электрода остается прежней, использование количества электролита уменьшается с уменьшением пористости.Для электродов емкостью 5 мАч / см ^-2 доля электролита уменьшается на 18% при уменьшении пористости до 50%. Это явление указывает на то, что пористость играет важную роль в общей конструкции элемента, поскольку она определяет количество электролита в элементе. Однако электрохимические характеристики элемента могут ухудшиться, если пористость электрода уменьшается ниже уровня 50%, как показано на фиг. 3c. На рис. 3d максимальная объемная плотность энергии была предсказана аналитической моделью, предполагая, что пористость от 50 до 60% является оптимальной для сбалансированного использования серы и плотности энергии на уровне ячейки для данной загрузки серы.

Параметры для проектирования на уровне ячеек. Соотношение электролит / сера (E / S) в ячейке-пакете с разной пористостью при разной площади поверхности серы

Таким образом, аналитическая модель позволяет проектировать Li – S аккумуляторные батареи на уровне ячеек. Чтобы использовать эту модель для других конструкций ячеек, таких как другой сепаратор или электролит, можно соответствующим образом скорректировать измеренные константы, перечисленные в дополнительной таблице 3, и подгоночные параметры { g , B ‘, C ‘ и k } необходимо переоборудовать, в то время как ключевые уравнения остаются прежними.Затем модель можно использовать для оптимизации пористости катода с целью максимизации плотности энергии элемента. Следует отметить, что пористость катода является ключевым параметром при проектировании высокоэнергетических Li-S элементов, но не единственным. Для описания микроструктуры электрода в будущей работе необходимо мезомасштабное моделирование с более конкретными и точными параметрами, как описано Райаном и Мукерджи ⁵⁵ . Текущая аналитическая модель также не учитывает моделирование жизненного цикла ячейки, которое требует модели на основе механизма деградации, в которой также следует учитывать побочную реакцию электролита и старение анода Li.

Понимание влияния электролита с низкой концентрацией на характеристики Li-S аккумуляторов с высокой плотностью энергии

Принадлежности Расширять

Принадлежность

• ¹ Институт сверхпроводящих и электронных материалов (ISEM), Австралийский институт инновационных материалов (AIIM), инновационный кампус, Университет Вуллонгонга, Вуллонгонг, Новый Южный Уэльс 2522, Австралия.

Элемент в буфере обмена

Jicheng Jiang et al. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2021 .

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Принадлежность

• ¹ Институт сверхпроводящих и электронных материалов (ISEM), Австралийский институт инновационных материалов (AIIM), инновационный кампус, Университет Вуллонгонга, Вуллонгонг, Новый Южный Уэльс 2522, Австралия.

Элемент в буфере обмена

Показать варианты

Формат АннотацияPubMedPMID

Абстрактный

Батареям Li-S с высокой плотностью энергии препятствуют низкая мощность и низкое использование серы катода с высоким содержанием серы и нестабильного металлического литиевого анода.Здесь был предложен новый протокол метода для отдельного исследования влияния электролитов с низкой концентрацией на катод и анод для Li-S батарей. Было обнаружено, что 0,5 М LiTFSI показал лучшую стабильность при циклическом воздействии, чем стандартная концентрация 1,0 М LiTFSI в условиях высокого содержания серы из-за его лучшей смачиваемости по отношению к электроду. Кроме того, электролит с низкой концентрацией мог улучшить стабильность границы раздела Li-электролит, что было связано с более высоким содержанием органического компонента на границе раздела твердого электролита (SEI) из-за участия большего количества растворителя в накоплении SEI.Гибкие и эластичные органические компоненты могли бы лучше адаптироваться к изменениям объема металлического литиевого анода. Следовательно, электролит с низкой концентрацией может быть более подходящим для аккумуляторов Li-S с высокой плотностью энергии. Мы ожидаем, что это исследование может послужить источником вдохновения для разработки недорогих Li-S батарей с высокой плотностью энергии.

Ключевые слова: Li-S аккумуляторы; высокая плотность энергии; литий-металлический анод; электролит низкой концентрации; органический полимер; интерфейс твердого электролита (SEI).

Похожие статьи

• Границы раздела электрод-электролит в литий-серных батареях с жидкими или неорганическими твердыми электролитами.

  Ю Икс, Мантирам А. Yu X и ​​др. Acc Chem Res. 2017 21 ноября; 50 (11): 2653-2660. DOI: 10.1021 / acs.accounts.7b00460. Epub 2017 7 ноя. Acc Chem Res. 2017 г. PMID: 2

  89

• Экранирование полисульфидных промежуточных продуктов сероорганической межфазной фазой твердого электролита на литиевом аноде в литий-серных батареях.

  Вэй JY, Zhang XQ, Hou LP, Shi P, Li BQ, Xiao Y, Yan C, Yuan H, Huang JQ. Wei JY и др. Adv Mater. 2020 Сен; 32 (37): e2003012. DOI: 10.1002 / adma.202003012. Epub 2020 6 авг. Adv Mater. 2020. PMID: 32761715

• Литий-металлический анод с межфазным покрытием из предварительно твердого электролита с повышенной электро-химио-механической надежностью в аккумуляторах с высокой плотностью энергии.

  Чен X, Шан М., Ню Дж. Чен X и др. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2021, 28 июля; 13 (29): 34064-34073. DOI: 10.1021 / acsami.1c05966. Epub 2021 15 июля. Интерфейсы ACS Appl Mater. 2021 г. PMID: 34264650

• Регулирование электролита в отношении стабильных литий-металлических анодов в литий-серных батареях с катодами из сульфированного полиакрилонитрила.

  Chen WJ, Li BQ, Zhao CX, Zhao M, Yuan TQ, Sun RC, Huang JQ, Zhang Q.Chen WJ, et al. Angew Chem Int Ed Engl. 2020 26 июня; 59 (27): 10732-10745. DOI: 10.1002 / anie.201

  1. Epub 2020 1 апр. Angew Chem Int Ed Engl. 2020. PMID: 31746521 Рассмотрение.

• Проектирование анодного интерфейса и архитектура для высокопроизводительных литий-серных батарей.

  Чжао И, Е И, Ву Ф, Ли И, Ли Л., Чен Р. Zhao Y, et al. Adv Mater.Март 2019; 31 (12): e1806532. DOI: 10.1002 / adma.201806532. Epub 2019 22 января. Adv Mater. 2019. PMID: 30672032 Рассмотрение.

Влияние температуры электролита и плотности тока на микротвердость слоя, создаваемую анодным окислением алюминия

В статье исследуется влияние химического состава и температуры электролита, времени окисления, напряжения и плотности тока на микротвердость по Виккерсу. слои оксида алюминия одновременно.Слои формировались в электролитах с разной концентрацией серной и щавелевой кислот и плотностями поверхностного тока 1 А · дм ^-2 , 3 А · дм ^-2 и 5 А · дм ^-2 . Температура электролита изменялась от -1,78 ° С до 45,78 ° С. Результаты показали, что при повышении температуры электролита при плотности тока 1 А · дм ^-2 увеличение значений микротвердости слоев составляет примерно 66%. При одновременном увеличении молярной концентрации H ₂ SO ₄ в электролите скорость роста значения микротвердости снижается.При плотности тока 3 А · дм ^-2 за счет повышения температуры электролита происходит снижение микротвердости сформированного слоя при времени анодного окисления менее 25 мин. Температура электролита не имеет значения при изменении значений микротвердости слоя при напряжениях менее 10,5 В.

1. Введение

Свойства поверхностных слоев, образованных анодным оксидом алюминия (AAO), такие как высокая поверхностная твердость слой, коррозионная стойкость [1, 2] и износостойкость предопределяют обработанные таким образом изделия из алюминия для широкого применения не только в традиционных областях машиностроения, транспорта и строительства, но и для потенциального использования в магнитных носителях записи [3 ], фотоэлектрические солнечные элементы [4], фильтры [5], химические сенсоры [6], фотоника [7] и металлические нанопроволоки [8, 9].

Большинство экспериментальных работ в области (микротвердости) проводится в «сложных» условиях анодирования. Сюда можно отнести низкие температуры электролита, а часто и особый химический состав электролитов. Их основная цель — достижение высоких значений микротвердости слоев. Согласно Скотту [10], который для анодного окисления в серной кислоте при постоянной плотности тока 4 А · дм ^-2 , менял температуру от -5 ° C до 15 ° C, микротвердость в этих условиях влияет в незначительной степени, что также связано с износостойкостью.Другое исследование, опубликованное Коидзуми и соавт. [11] посвящено анодному окислению алюминия в гальваностатическом режиме. Использовались плотности тока от 1 до 8 А · дм ^-2 ; электролит состоял из серной кислоты и щавелевой кислоты. Температура электролита составляла от –5 ° С до 20 ° С. Коидзуми и др. [11] утверждают, что микротвердость и износостойкость практически постоянны в интервале температур от –5 ° C до 5 ° C независимо от приложенной плотности тока. Кроме того, в этом исследовании утверждается, что повышение температуры электролита приводит к постепенному снижению значения микротвердости.Более значительное снижение микротвердости происходит при использовании меньших значений плотности тока. К этому утверждению, однако, следует относиться с осторожностью, поскольку время анодного окисления в этом эксперименте всегда было постоянным, то есть 45 минут, независимо от используемых плотностей тока. В результате были созданы и впоследствии оценены слои большей толщины. Толщина формируемого слоя напрямую влияет на результирующие значения микротвердости и износостойкости [12–14].

слоев АОА толщиной 25 мкм м и более, образованных в электролите, состоящем из серной кислоты, при температурах от 15 ° С до 30 ° С и при различных значениях приложенных плотностей тока (от 1 до 4 A · дм ⁻² ), по мнению некоторых авторов [15], имеют более мягкий внешний слой, что снижает прозрачность слоя, а также его микротвердость и износостойкость. На основании публикации [16] было замечено, что на размер пор влияют напряжение, температура электролита и время анодного окисления.Вертикальный рост пор (10–250 нм · мин ^–1 ) экспоненциально зависит от напряжения и линейно зависит от изменения температуры электролита. С другой стороны, диаметр пор (50-130 нм) линейно изменяется вместе с приложенным напряжением. Размер и количество пор сильно влияют на микротвердость слоя. В работе [17], посвященной реанодированию с целью экспериментального получения кинетики на основе расчетных зависимостей, делается вывод о том, что имеющиеся значения констант, зависящие от напряженности электрического поля и температуры, неприменимы к анодному окисление при высоких плотностях тока.В качестве возможного объяснения дается повышение температуры внутри сформированного слоя.

Целью авторов является экспериментальный анализ зависимости микротвердости слоя от изменения температуры электролита и плотности тока. Процессы обработки поверхности представляют собой сложные многофакторные системы со значительным эффектом взаимодействия. Эти взаимодействия обычно оказываются более значительными, чем влияние отдельных факторов. Таким образом, микротвердость анализируется также с учетом влияния других рабочих факторов.Таким образом, можно делать более точные выводы и рекомендации.

2. Экспериментальная

Алюминиевый лист EN AW-1050 A-h34 толщиной 0,5 мм использовался в качестве экспериментального анодного материала. Химический состав экспериментального материала представлен в таблице 1.

Образцы с размерами 100 × 70 × 0,5 мм подвергали химическому обезжириванию. бикарбонат натрия <20%, пентагидрат метасиликата натрия <5%, фосфаты <30%, бораты <40% и поверхностно-активные вещества <5% при температуре ° C в течение 15 минут. Затем образцы тщательно промывали в деионизованной воде и погружали в 45% раствор гидроксида натрия при температуре ° C на 1 мин.Анодирование было выполнено на основе методологии Плана экспериментов, соответствующей вращающейся центральной композитной конструкции с 44 испытательными запусками. Отдельные прогоны проводились в соответствии с планом эксперимента как комбинация уровней факторов, соответствующих таблице 2.

После анодирования образцы были немедленно промыты в охлажденной (приблизительно 10 ° C) демиводе в течение 1 минуты с последующей промывкой проточной водопроводной водой еще 2 минуты, чтобы вымыть электролит, застрявший в дефектах. После этого образцы сушили сжатым воздухом и сушили в печи (при температуре 50 ° C в течение 20 минут).

В области обработки поверхности ячейка Халла в основном используется для проверки функциональности электролита и химического состава электролита. Ячейка Халла в форме прямоугольной трапеции с размерами, соответствующими рисунку 1, использовалась для обоих проведенных экспериментов. На рисунке 1 также показано подключение экспериментальной установки, которая включает в себя регулируемый источник постоянного тока (постоянный контроль напряжения от 0 до 20 В), амперметр для контроля измерения постоянного тока, протекающего через электрическую цепь (регулировка тока от 0 до 5). А) и вольтметр для измерения полного напряжения.