Повышенная плотность электролита в аккумуляторе: Высокая плотность электролита в аккумуляторе — dvd-auto.ru — Штатные головные устройства c GPS навигацией

Содержание

Высокая плотность электролита в аккумуляторе

В процессе работы тяговых аккумуляторных батарей, при чередующихся
зарядах и разрядах, происходит окисление решеток и разрушение активных
масс, потеря механических связей между частицами, интенсивная коррозия
электродов. В результате чего происходит уменьшение емкости
аккумуляторов и короткое замыкание разноименных пластин.

Характерными признаками разрушения пластин являются:

электролит делается мутным и приобретает коричневую окраску из-за высыпания активной массы;

быстрое нарастание плотности электролита при заряде батареи;

резкое
понижение емкости АКБ, что проявляется в небольшой продолжительности
разряда аккумулятора, и как следствие сокращение времени работы
электротехники.

Скорость разрушения пластин зависит от условий эксплуатации аккумуляторов.

Причинами разрушения пластин в аккумуляторах могут быть:

Увеличенная плотность электролита ( более 1300 кг/м3). Нельзя доливать электролит в аккумулятор – только дистиллированную воду.

Повышение температуры аккумулятора выше 45 град. С. Если
при заряде температура электролита поднялась выше 45 град. С, то зарядку
необходимо прекратить и дать остыть электролиту до температуры ниже
35град. С. Затем продолжить заряд батареи.

Перезаряд аккумуляторной батареи из-за неправильного подбора или настройки зарядного устройства.

Заливка
не дистиллированной (водопроводной) воды в аккумуляторную батарею.
Этот процесс ускоряется при наличии в электролите таких вредных веществ,
как хлор, железо и др.

Замерзание воды в аккумуляторной батарее. Электролит плотностью 1,100г/см3 замерзает при температуре -7,7 град. С. Нельзя оставлять разряженную батарею более 12 часов даже в теплом помещении.

Удары и вибрации, т. к. происходит стряхивание активной массы свинца с решеток пластин.

Выпадение большого количества активного вещества на дно аккумулятора, что приводит к короткому замыканию пластин.

Повышенная плотность электролита вызывает коррозию решеток, сокращает срок службы и снижает качество работы аккумуляторов. Работа с электролитом повышенной плотности целесообразна только при низких температурах, так как такой электролит замерзает при более низкой температуре. [1]

Повышенная плотность электролита также вредна для деревянной сепарации. При длительном воздействии электролита повышенной плотности древесина обугливается и приобретает повышенную хрупкость. Комбинированная сепарация аккумуляторов типа СН от повышения плотности ( в пределах, могущих быть практически в эксплуатации) не страдает. [2]

Повышенная плотность электролита отрицательно сказывается на сроке службы аккумуляторной батареи, поэтому она устанавливается в зависимости от условий и требований эксплуатации. [3]

Интенсивное сульфатирование происходит также при повышенной плотности электролита , при колебании температуры электролита или наличии примесей в нем, а также при работе аккумулятора с пониженным уровнем электролита.

[4]

Преждевременное разрушение пластин наступает при длительном перезаряде батареи, повышенной плотности электролита , слабом креплении батареи на автомобиле, замерзании воды в электролите. [5]

Сульфатация пластин ускоряется при длительном хранении батареи без подзаряда, повышенной плотности электролита , большом саморазряде, соприкосновении пластин с воздухом и систематическом недозаряде батареи. [6]

При эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо учитывать, что хранение их с повышенной плотностью электролита существенно сокращает срок службы. [7]

Сульфатация – образование на поверхности электродов крупных малорастворимых кристаллов сернокислого свинца – происходит при повышенной плотности электролита , длительном хранении батарей без подзаряда, систематическом недозаряде, наличии контакта электродов с воздухом вследствие пониженного уровня электролита. Батареи с сульфатированными электродами быстро теряют емкость при разряде. [8]

Наиболее вероятными причинами необратимой сульфатации могут служить: систематические недозаряды батареи, работа с повышенной плотностью электролита , усиленный саморазряд вследствие загрязнения электролита вредными примесями или коротких замыканий пластин, слишком низкий уровень электролита. [9]

В процесе эксплуатации необходимо следить, чтобы на заряд не отправлялись заряженные аккумуляторы, так как систематические перезаряды последних приводят к быстрому нарастанию плотности электролита за счет разложения воды в результате электролиза. Эксплуатация аккумуляторов с повышенной плотностью электролита является, как известно, причиной резкого сокращения срока службы аккумуляторов. Поэтому не следует также допускать эксплуатацию аккумуляторов в условиях положительной температуры окружающей среды с электролитом повышенной плотности, предусмотренным для зимних условий эксплуатации. [10]

Плотность электролита при этом должна быть не более 1 290, так как хранение батарей с повышенной плотностью электролита ускоряет разрушение пластин и сепараторов. [12]

Подготовка к корректировке.

Измерение уровня электролита.

 Трубка для измерения уровня электролита.
Перед проверкой плотности электролита и в процессе её корректировки необходимо контролировать уровень электролита в банках аккумулятора. У автомобильных аккумуляторов принято считать нормальным уровень электролита на 10÷15 мм выше верхней кромки пластин (сепараторов).

В батареях с индикатором (тубусом) электролит должен быть на одном уровне с ним или выше его на 5 мм.


Корректирующий электролит — электролит повышенной плотности (обычно 1,40 г/см3) для повышения плотности электролита АКБ или приготовления электролита нормальной плотности для заливки батарей.

Дистиллированная вода.
Добавляется в электролит для уменьшения его плотности.

1. В связи с тем что, кислота и вода имеют разную плотность, при разведении электролита или кислоты водой, следует добавлять кислоту в воду, но не наоборот.

2. Обращаться с аккумулятором нужно очень аккуратно. Его ни в коем случае нельзя переворачивать кверху дном. Это может привести к осыпанию пластин и последующему выходу аккумулятора из строя.

Определение необходимого значения плотности электролита полностью заряженного аккумулятора.
Весь период службы аккумулятора плотность электролита непрерывно меняется.

Существуют обратимые изменения плотности — это нормальные заряд и разряд аккумулятора. Интервал изменения плотности электролита при изменении состояния аккумулятора от полностью разряженного до полностью заряженного и наоборот обычно составляет 0,15÷0,16 г/см3 для новой АКБ.
Но также существуют и необратимые изменения, например электролиз воды (разложение на водород и кислород) при «кипении» электролита. При этом плотность электролита повышается.

При сульфатации пластин, когда их активная поверхность покрывается слоем нерастворимого сульфата свинца или происходит осыпание активной массы пластин, что уменьшает площадь поверхности пластин, участвующую в электрохимической реакции — восстановление первоначальной плотности электролита в процессе заряда невозможно. Это приводит к необратимому снижению плотности электролита и, соответственно, сужает интервал изменения плотности в диапазоне полный разряд — полный заряд (0,15÷0,16 г/см3 — для нового, исправного аккумулятора).

Стабильно завышенная плотность электролита приводит к снижению срока службы АКБ.

Повышенная плотность электролита в аккумуляторе: Высокая плотность электролита в аккумуляторе

Стабильно заниженная плотность приводит к снижению ЭДС и затруднению пуска двигателя, а также к повышению опасности замерзания электролита в зимний период эксплуатации.

Сначала нужно определиться, какую плотность электролита мы хотим иметь в нашей батарее применительно к климатической зоне её эксплуатации.

На этой таблице представлена температура замерзания электролита.
Например, для центральных районов России (Москва, Казань…) можно выбрать плотность электролита 1,25÷1,27 г/см3. Необходимо помнить, что на автомобиле аккумуляторная батарея, в лучшем случае, может быть заряжена на 80÷90 % её максимальной ёмкости (то есть плотность электролита будет чуть ниже, чем при полном заряде). Именно поэтому плотность электролита, исходя из температуры его замерзания (Таблица), выбирается чуть-чуть повыше, чем необходимо для обеспечения гарантированной незамерзаемости при минимальной температуре воздуха в зимний период.

Полная зарядка батареи.

Необходимо четко усвоить и неукоснительно соблюдать правило:
Проверка плотности электролита, с целью выяснения необходимости её корректировки, производится только у ПОЛНОСТЬЮ ЗАРЯЖЕННОЙ БАТАРЕИ.
Известно, что при исправном генераторном оборудовании автомобиля и его нормальном напряжении 14,0÷14,6 В, можно зарядить АКБ лишь на 80÷90 % её максимальной ёмкости из-за неэффективности процесса заряда батареи на автомобиле.

При выборе зарядного устройства следует избегать применения «автоматических зарядных устройств» без предварительного подробного ознакомления с логикой работы его автоматики. Во многих из них автоматическое выключение режима заряда производится просто при достижении напряжения на выводах батареи величины 14,5÷14,6 В, а это не всегда обеспечивает полный заряд АКБ.

Признаком ПОЛНОГО заряда аккумулятора является постоянство величины плотности электролита и напряжения на его выводах при продолжающемся заряде в течение 2 часов.

При достижении условий полного заряда батареи, то есть постоянства напряжения на выводах и плотности электролита в течение двух часов при продолжающемся заряде, его прекращают и выдерживают батарею от 30 минут до двух часов в отключенном состоянии.
Выдержку в отключенном состоянии в течение от получаса до двух часов рекомендуется выполнять после заряда (разряда), заливки (корректировки плотности) электролита, корректировки уровня электролита. Это делается для выравнивания плотности электролита в объёме банок, снижения температуры электролита, выхода пузырьков газов, образовавшихся при «кипении». В противном случае возможно возникновение недопустимых погрешностей в измерении плотности и уровня электролита, а также напряжения на выводах АКБ.

Затем измеряется уровень электролита и его плотность в каждой банке. Если замечена значительная разница в плотности электролита между банками (более 0,01 г/см3), следует попытаться провести дополнительную, так называемую выравнивающую зарядку АКБ для выравнивания плотности между банками, при этом ток заряда можно уменьшить в 2÷3 раза по сравнению с номинальным, для уменьшения газообразования («кипения»).
Если дополнительный заряд в течение нескольких часов не приводит к выравниванию плотности электролита в банках, очевидно, требуется выровнять её путем последующей корректировки.
В заключение этого этапа работы составляется табличка с указанием плотности и уровня электролита в каждой банке. Принимается решение, какие действия производить над каждой конкретной банкой. Основанием является соотношение величины плотности электролита, принятой нами за оптимальный вариант для нашей климатической зоны, и реальной, измеренной после полного зарядааккумулятора.

Корректировка плотности электролита.
Суть корректировки плотности электролита в банке аккумулятора заключается в следующем:
а) из банки забирается некоторый объём электролита;
б) вместо него в банку добавляется тот-же объём либо дистиллированной воды (плотность 1,00 г/см3) — для понижения плотности электролита в банке, либо корректирующего электролита (обычно плотностью 1,40 г/см3) — для повышения плотности;

в) батарея включается на 30 минут на заряд номинальным током для лучшего перемешивания электролита в результате газовыделения;
г) батарея отключается от зарядного устройства и выдерживается 0,5÷2 часа для выравнивания плотности электролита в объёме банок;
д) измеряется плотность электролита в каждой банке и его уровень, оба параметра приводятся в норму. То есть, при необходимости, все операции а)÷д) повторяются.

Приведу таблица, в которой указано, «…сколько вешать в граммах», то есть указано конкретное количество в см3 удаляемого электролита и соответствующее количество доливаемой жидкости (дистиллированная вода или корректирующий электролит — в зависимости от направления изменения плотности).

Объёмы жидкостей указаны для корректировки 1 литра электролита (1000 см3). Таким образом, чтобы провести коррекцию конкретной батареи нам необходимо знать объём электролита в одной банке этой батареи в литрах. Полученные из таблицы значения необходимо умножить на объем электролита в литрах в одной банке корректируемой батареи.
Объём электролита в одной банке:
6СТ-45 — 500 см3;
6СТ-55 — 633 см3.

Примерные нормы в см3 корректировки плотности электролита в объеме 1 литра.
Таблица предусматривает использование корректирующего электролита плотностью только 1,40 г/см3. Ниже приведена формула, при использовании которой можно применять корректирующий электролит с плотностью, отличной от 1,40 г/см3.

где
Vэ — объём удаляемого из банки электролита, см3,
Vб — объём электролита в одной банке, см3,
для некоторых типов аккумуляторов объём электролита в одной банке указан чуть выше по тексту,
ρн — начальная плотность электролита до корректировки, г/см3,
ρк — конечная плотность, которую надо получить, г/см3,
ρд — плотность доливаемой жидкости, (вода — 1,00 г/см3 или корректирующий электролит — * г/см3)

Следует учесть, что при использовании данной формулы объёмы удаляемого и добавляемого электролитов равны.

Если с таблицей разобраться сложно! То можно сделать прощё :

Откачайте большую часть жидкости из одной из банок. Эту операцию удобно выполнять с помощью “груши”. Замерьте выкачанный объем и долейте примерно половину от этого объема электролитом. Аккуратно покачайте аккумулятор в разные стороны, затем замерьте плотность снова. Если плотность не достигла требуемого значения, долейте еще ¼ от выкачанного ранее объема электролитом. Таким образом, следует доливать электролит, каждый раз уменьшая его количество в два раза.

Пониженная или повышенная плотность электролита

Плотность электролита понижается в основном при разрядке аккумуляторов и сульфатации электродов. При понижении плотности электролита увеличивается внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи и снижается ее емкость. В результате падает напряжение в цепи работающего стартера, уменьшаются частота вращения якоря и мощность стартера, что затрудняет пуск двигателя, особенно в зимнее время года. Кроме того, зимой может произойти замерзание электролита. Плотность электролита повышается при испарении воды во время перезарядки или в результате доливки в аккумуляторы электролита, а не воды. В случае повышенной плотности электролита ускоряется разрушение активного вещества и решеток электродов, а также сульфатация активного вещества, что снижает емкость и срок службы аккумуляторной батареи. Плотность электролита в аккумуляторах батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см3. В противном случае батарею необходимо зарядить и произвести корректирование плотности электролита доливкой в аккумуляторы воды или электролита. Если плотность выше нормы. – доливают воду, если ниже – электролит плотностью 1,4 г/см3. Доливку производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25–30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность. Плотность электролита в аккумуляторах батареи указывает на степень разряженное™ аккумуляторов. Снижение плотности электролита на 0,01 г/см3 соответствует разрядке аккумулятора на 6 %.

Сульфатаиия электродов заключается в образовании крупных трудно растворимых кристаллов сернокислого свинца (сульфата) на поверхности электродов и на стенках пор активного вещества. Кристаллы сульфата забивают поры активного вещества электродов, что препятствует проникновению электролита в глубь активного вещества. В результате не все активное вещество участвует в работе, что снижает емкость аккумуляторной батареи. Сульфатация электродов ускоряется при длительном хранении аккумуляторной батареи без подзарядки, повышенной плотности электролита, большом разряжении, взаимодействии электродов с воздухом при пониженном уровне электролита. Сульфатированная аккумуляторная батарея из–за малой емкости быстро разряжается при резком падении напряжения, особенно при включении стартера. При зарядке сульфатированной аккумуляторной батареи быстро повышаются напряжение и температура электролита, и начинается интенсивное газовыделение, в то время как плотность электролита повышается незначительно, поскольку часть серной кислоты остается связанной в сульфате. Сульфатацию электродов определяют методом сравнения ЭДС подсчитанной по плотности электролита с величиной напряжения, измеряемого с помощью вольтметра без нагрузки. Если напряжение больше ЭДС, подсчитанной по плотности, электроды аккумулятора сульфатированы. Сульфатацию устраняют, несколько раз разряжая и заряжая батарею при малой плотности электролита (1,11 – 1,12 г/см3). При зарядке электрический заряд не должен превышать 5 % номинальной емкости аккумуляторной батареи. Затем проводят контрольную разрядку, равную 10 % номинальной емкости батареи. Силу тока в цепи регулируют реостатом. Когда на зажимах наихудшего аккумулятора напряжение понизится до 1,7 В, разрядку заканчивают. Аккумуляторная батарея считается исправной, если время разрядки не менее 7,5 ч для батареи с электролитом плотностью 1,29 г/см3, 6,5 ч при плотности электролита 1,27 г/см3 и 5,5 ч при плотности электролита 1,25 г/см3.Если время разрядки аккумуляторной батареи меньше указанных величин, то ее подвергают нескольким циклам зарядки – разрядки, контролируя время разрядки. Если при повторных разрядках не увеличивается время разрядки, то такая аккумуляторная батарея требует ремонта. Контрольную разрядку также производят для определения пригодности аккумуляторных батарей к дальнейшей эксплуатации и перед их длительным хранением.

h) Преждевременное разрушение электродов

За время эксплуатации аккумуляторной батареи происходит окисление решеток и разрыхление активного вещества, особенно плюсовых электродов. Изменение объема активного вещества при зарядке и разрядке аккумуляторной батареи вызывают отслаивание его от решеток. Во время эксплуатации могут возникнуть и другие причины, приводящие к ускоренному разрушению электродов. Это непрочное крепление аккумуляторных батарей на автомобиле, длительная перезарядка батареи, замерзание воды в электролите, понижение уровня электролита ниже верхних кромок электродов, короткое замыкание, неумелый пуск двигателя стартером и др.Короткое замыкание, а также частое и длительное включение стартера приводит к короблению электродов, что ускоряет разрушение массы активного вещества, особенно плюсовых электродов. Включать стартер следует не более чем на 5 с и не более двух–трех раз подряд. Между включениями рекомендуется делать паузу на 15–20 с.Разрушение электродов ускоряется при повышении плотности и температуры электролита, применении химически не чистой серной кислоты и недистиллированной воды.При длительной перезарядке аккумуляторной батареи происходит электролиз воды электролита на кислород и водород. Кислород сильно окисляет решетки плюсовых электродов, что вызывает их разрушение. Одновременно в порах активного вещества электродов накапливается большое количество газов (кислорода и водорода). Давление газов в порах увеличивается, что вызывает разрыхление и выкрашивание активного вещества. Характерным признаком перезарядки являются сильное газовыделение из электролита и быстрое уменьшение его уровня. Во избежание перезарядки аккумуляторных батарей на автомобиле необходимо систематически проверять напряжение генератора.Разрушение электродов вызывает уменьшение емкости аккумуляторных батарей и короткое замыкание разноименных электродов. В аккумуляторных батареях с разрушенными электродами, даже если они полностью заряжены и не имеют сульфатации, напряжение под нагрузкой (особенно стартерной) будет быстро падать. Измерение напряжения под нагрузкой, близкой к стартерной. позволяет проверить работоспособность аккумуляторной батареи.

Плотность электролита в аккумуляторе какая должна быть, как проверить, как поднять плотность

Содержание:

Нормальный уровень плотности
Поднятие плотности в аккумуляторе
Повышенная плотность — электролит
Как поднять плотность электролита в аккумуляторе, поэтапная инструкция.
- Рекомендую прочитать:
Как поднять плотность электролита
Измерение плотности электролита в аккумуляторе
Причины изменения плотности электролита
Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе
На что влияет плотность электролита в аккумуляторе
Маркировка АКБ
Уход за аккумулятором

Нормальный уровень плотности

Как уже было сказано, нормальный уровень плотности находится в пределах 1,26 – 1,29 г/см3. Если это значение выше – уровень повышенный, что грозит более быстрым выходом аккумулятора из строя. Если же он ниже нормы, то автомобиль может просто не завестись. Причина в том, что батарея может банально замерзнуть, особенно при температурах, которые ниже минус 40 градусов по Цельсию.

Необходимо не забывать о том факте, что плотность «прыгает» при разных уровнях заряда АКБ, что, соответственно, влияет на показываемый уровень.

Если посмотреть на весь процесс со стороны физики, то можно понять, что при заряде батарея начинает поглощать дистиллированную воду, из-за чего концентрация увеличивается.

При разряде же начинается поглощаться уже кислота, из-за чего начинается сульфатация – процесс, при котором пластины «закупориваются», и уже не могут нормально заряжаться. Это очень опасно для аккумулятора, ведь так он может выйти из строя из-за того, что его нельзя будет зарядить.

Поднятие плотности в аккумуляторе

Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе повышение плотности и плотность после зарядки АКБ

Если при запуске автомобиля не крутит стартер, то основная причина – разряжен аккумулятор. Можно попробовать зарядить его специальными устройствами, или завести автомобиль, например, с буксира, чтобы зарядить с помощью генератора. Но, если это не помогает, то причина в том, что упала плотность электролита.

Чтобы поднять его, необходимо выполнять следующие, поэтапные действия:

Проверьте уровень для каждой банки. Разброс не должен превышать 0,01 значение.
Избавитесь от старого раствора. Чем больше вы его «выкачаете», тем лучше.
Долейте жидкость так, чтобы она занимала половину банки.
Перемешайте её с помощью покачиваний или легкой встряски.
После этого можно проверять плотность, и доливать необходимое количество до желаемого результата.
Остаток емкости заливаем дистиллированной водой. Необходимо, чтобы смесь и плотность была одинакова во всех банках.

Но, как и при проверке, всегда можно обратиться в сервис, где все делают опытные специалисты.

Повышенная плотность — электролит

Аккумуляторам как пишется

Интенсивное сульфатирование происходит также при повышенной плотности электролита, при колебании температуры электролита или наличии примесей в нем, а также при работе аккумулятора с пониженным уровнем электролита.

Преждевременное разрушение пластин наступает при длительном перезаряде батареи, повышенной плотности электролита, слабом креплении батареи на автомобиле, замерзании воды в электролите.

Сульфатация пластин ускоряется при длительном хранении батареи без подзаряда, повышенной плотности электролита, большом саморазряде, соприкосновении пластин с воздухом и систематическом недозаряде батареи.

При эксплуатации аккумуляторных батарей необходимо учитывать, что хранение их с повышенной плотностью электролита существенно сокращает срок службы.

Сульфатация — образование на поверхности электродов крупных малорастворимых кристаллов сернокислого свинца — происходит при повышенной плотности электролита, длительном хранении батарей без подзаряда, систематическом недозаряде, наличии контакта электродов с воздухом вследствие пониженного уровня электролита. Батареи с сульфатированными электродами быстро теряют емкость при разряде.

Наиболее вероятными причинами необратимой сульфатации могут служить: систематические недозаряды батареи, работа с повышенной плотностью электролита, усиленный саморазряд вследствие загрязнения электролита вредными примесями или коротких замыканий пластин, слишком низкий уровень электролита.

Изменение плотности электролига аккумуляторной батареи в зависимости от длительности ее хранения при различной температуре.

Плотность электролита при этом должна быть не более 1 290, так как хранение батарей с повышенной плотностью электролита ускоряет разрушение пластин и сепараторов.

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе, поэтапная инструкция.

Сколько Ампер В 12 Вольтовом Аккумуляторе

Сперва производятся необходимые измерения плотности специальным прибором – ареометром. Нормируемая плотность электролита должна составлять 1,26 – 1,29 килограмм на литр.

Еще необходимо обратить внимание на распределение величины плотности в различных банках аккумуляторной батареи. Плотность не должна отличается более чем на 0,01

Если у вас другие значения, то это может говорить о том, что существуют уже необратимые процессы внутри аккумулятора, поэтому даже если вы добьетесь повышения плотности, то со в скором времени она, скорее всего, все равно вновь опуститься. Следовательно, АКБ в данном случае лучше просто заменить на новую.

В остальных же случаях будем предпринимать действия по повышению плотности электролита.

Итак, первым делом пробуем зарядить аккумулятор (как зарядить аккумулятор автомобиля). При зарядке происходит обратная химическая реакция, соответственно, плотность электролита должна увеличиться.

Если повысить плотность электролита его зарядкой не представилось возможным, то при показаниях ареометра, которые составляют не ниже 1,18 килограмм на литр, можно произвести частичную замену самого электролита (замена электролита в аккумуляторе). Для этого следует приобрести уже готовый электролит либо приготовить его самому из аккумуляторной кислоты и дистиллированной воды. Здесь стоит учесть, что плотность добавляемого раствора должна быть выше, чем плотность электролита в самом аккумуляторе. Это необходимо для того, чтобы смесь (низкоплотного и высокоплотного электролита) перемешавшись, дала необходимую величину. Кстати, для лучшего перемешивания аккумулятор можно слегка раскачивать.

Если плотность электролита меньше чем, 1,18 килограмм на литр, то единственным вариантом, который может спасти вашу АКБ является добавление непосредственно внутрь нее неразбавленной аккумуляторной кислоты

Производить данную манипуляцию стоит с особой осторожностью, в несколько этапов. При каждом этапе необходим контроль плотности электролита

Наиболее радикальным способом по повышению плотности электролита в аккумуляторе является полная его замена. Для этого необходимо предварительно удалить старый электролит. Крайне не рекомендуется полностью переворачивать аккумулятор для слива последнего, по причине того, что осадок на дне банок может попасть между пластинами и спровоцировать тем самым их замыкание. Наиболее вероятен такой исход у давно эксплуатируемых батарей, где изолирующие пластины конверты могли быть повреждены агрессивной средой и временем.

В качестве варианта для осуществления подобной процедуры может стать проделывание небольших отверстий внизу банок. В последующем, после слива старого электролита и промывки аккумулятора дистиллированной водой, эти отверстия необходимо будет заклеить стойким к агрессивной кислотной среде герметиком. Только после его схватывания в батарею заправляется свежий электролит необходимой плотности.

Надеюсь, способы, представленные выше по процессу, как поднять плотность электролита в аккумуляторе, дали ожидаемы результат и необходимость в замене АКБ у вас отпала.

Как измерить плотность электролита в аккумуляторе — видео

Как поднять плотность электролита

Первое, что необходимо сделать — попробовать поднять плотность полностью зарядив аккумулятор. Открыть пробки, при необходимости долить дистиллированной воды и подключить зарядное устройство. Полная зарядка может привести к следующим результатам:

Плотность во всех банках одинакова.
Во всех ниже нормы.
Различается более на 0,1 г/см3 и более.

В первом случае каких либо действий не требуется.

Во втором случае потребуется специфическая зарядка. На поверхности свинцовых пластин уже хорошо потрудившихся аккумуляторов откладывается сульфат свинца. В таком состоянии батарею невозможно зарядить полностью. Её необходимо разрядить и провести зарядку импульсным устройством автоматически переключив его на Десульфатацию.

Обычным устройством это сделать труднее и процесс длится дольше. Для этого на 2 часа установить ток зарядки в 1/10 от ёмкости АКБ. Например для аккумулятора 65 Ач, ток зарядки выставить 6,5 А. После этого снизить ток до 2 А и заряжать 8 – 12 часов. Дать отстояться батарее до комнатной температуры измерить плотность. Если не пришла в норму, опять разрядить и провести ступенчатую зарядку.

Десульфатация обычно проводится в два – три цикла. Отрицательный результат говорит о том, что с АКБ придётся расстаться. Можно ещё попробовать полностью слить электролит, промыть дистиллированной водой и залить новый. Но этого обычно хватает ненадолго.

В третьем случае, когда плотность в банках разница более чем на 0,1 надо попробовать провести десульфатацию. Не помогло – откорректировать. Для этого приобрести корректирующий электролит плотностью 1,33 – 1,4 и дистиллированную воду. В банках с ненормальной плотностью откачать по 20 мл электролита. Для повышения добавить корректирующий, для снижения дистиллят. Зарядить 30 минут, дать отстояться ещё полчаса и замерить. Скорее всего к успеху приведут несколько корректировок.

Усилия ни к чему не приведут, а аккумулятор окажется непригоден при буром цвете электролита. В этом случае можно не предпринимать никаких действий.

Не сильно изношенным аккумуляторам десульфатация и корректировка значительно продлевает жизнь. Если усилия не увенчались успехом, то с батарей нужно расстаться немедленно и без сожаления. Иначе непредвиденный отказ станет неприятным сюрпризом.

Срок службы АКБ при условии соблюдения элементарных правил до пяти лет. В автомобиле нужно контролировать напряжение, не допускать чрезмерного и нулевого заряда батареи. Периодически заряжать и следить за плотностью электролита. При таком отношении аккумулятор служит долго и безотказно.

Измерение плотности электролита в аккумуляторе

Измерить плотность залитого в свинцовый аккумулятор электролита не так уж сложно, однако есть определенные нюансы, связанные с особенностями устройства и принципом работы АКБ. Перечислим некоторые важные моменты, которые надо учесть:

Осуществить процедуру измерения плотности получится только в случае с так называемым обслуживаемым аккумулятором, который предоставляет доступ к банкам (секциям) с электролитом посредством закрытых крышками заливных отверстий. Как раз через эти отверстия (обычно их число равно шести, как и количество секций) и осуществляется забор состава для замера плотности.
В процессе своей работы автомобильная аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. Разряд происходит при прокручивании стартера, а заряд – при уже заведенном двигателе от генератора. В зависимости от степени заряженности меняется и плотность электролита. Значения могут колебаться в пределах 0.15-0.16 г/см 3

Важно отметить, что автомобильный генератор не способен полностью зарядить аккумуляторную батарею. При штатной работе на машине потенциал АКБ используется только на 80-90%

Полный заряд может обеспечить только внешнее зарядное устройство, к которому обязательно придется прибегнуть перед осуществлением замера плотности электролита.
Плотность электролита зависит от его температуры. Обычно замер производится при температуре +25 °С, в противном случае делаются поправки.

Допустим, все вышеперечисленные условия приняты во внимание, и есть возможность приступить непосредственно к замеру плотности. Для этого понадобится специальный прибор – денсиметр, который состоит из ареометра, резиновой груши и стеклянной трубки с наконечником

Прибор вводится в банку аккумулятора через заливное отверстие, а затем осуществляется засасывание электролита с помощью резиновой груши. Оно происходит до тех пор, пока ареометр не всплывет. Показания считываются после того, как прекратятся колебания ареометра и появится возможность определения точного значения. Отсчет показаний производится по шкале, при этом взгляд должен находиться на уровне поверхности жидкости.

Полученное значение должно входить в диапазон 1.25-1.27 г/см 3 , если автомобиль эксплуатируется в средней полосе. В холодной климатической зоне (средняя месячная температура января ниже -15 °С) показатель должен находиться в интервале 1.27-1.29 г/см 3 . Проверять плотность электролита на соответствие этим числам нужно в каждой из шести банок аккумулятора. Показания не должны отличаться более чем на 0.01 г/см 3 , иначе потребуется их корректировка.

Как мы уже говорили, плотность электролита изменяется в зависимости от температуры. Это значит, что зимой и летом жидкость в одном и том же полностью исправном аккумуляторе будет иметь разную плотность. О том, насколько будут разниться показания, дает представление приведенная ниже таблица.

Зависимость температуры замерзания электролита от его плотности демонстрирует еще одна таблица. На основе этих данных можно установить оптимальную плотность электролита для конкретных климатических условий. Нижняя граница подобранного интервала должна гарантировать, что электролит не замерзнет даже при самых сильных холодах и обеспечит требуемое для прокручивания стартера усилие. В то же время чрезмерно завышать плотность тоже нельзя, так как на положительных электродах аккумулятора начинают ускоряться коррозионные процессы, приводящие к сульфатации пластин.

	Температура замерзания, °С	Плотность электролита при 25 °С, г/см 3	Температура замерзания, °С
1. 09	-7	1.22	-40
1.10	-8	1.23	-42
1.11	-9	1.24	-50
1.12	-10	1.25	-54
1.13	-12	1.26	-58
1.14	-14	1.27	-68
1.15	-16	1.28	-74
1.16	-18	1.29	-68
1.17	-20	1.30	-66
1.18	-22	1.31	-64
1.19	-25	1.32	-57
1.20	-28	1.33	-54
1.21	-34	1.40	-37

Причины изменения плотности электролита

Зафиксированные в результате измерения плотности значения не всегда соответствуют требуемым показателям. Расхождения могут касаться как отдельных банок аккумулятора, так и всех вместе

Если плотность завышена, то нужно обратить в первую очередь внимание на уровень электролита. Низкий уровень в большинстве случае является последствием электролиза, приводящего к разложению входящей в состав электролита воды на водород и кислород

Этот процесс выражается в появлении на поверхности жидкости пузырьков, что обычно происходит при зарядке аккумулятора. Частое «кипение» может приводить к снижению концентрации воды, и этот вопрос решается ее простым добавлением. Доливать в аккумулятор стоит только дистиллированную воду, контролируя при этом уровень электролита. Подробнее о корректировке плотности электролита поговорим ниже.

Если с повышенной плотностью все ясно, то с пониженной ситуация несколько сложнее. В теории, одной из причин понижения плотности, может быть то, что по какой-то причине в электролите уменьшилась доля серной кислоты. Однако на практике это маловероятно, так как сама по себе она обладает высокой температурой кипения, исключающей испарение даже при интенсивном нагреве, который происходит, например, при зарядке аккумуляторной батареи. Более распространенной причиной снижения плотности электролита является так называемая сульфатация пластин, заключающаяся в образовании на электродах сульфата свинца (PbSO4). На самом деле, это естественный процесс, происходящий при каждом разряде АКБ. Но дело в том, что при нормальном режиме работы после разряда аккумулятора обязательно происходит его заряд (на автомобиле аккумулятор постоянно подзаряжается от генератора). Заряд сопровождается обратным преобразованием сульфата свинца в свинец (на катоде) и двуокись свинца (на аноде) – в те активные вещества, которые составляют основу электродов и непосредственно участвуют в химическом процессе внутри аккумуляторной батареи. Если АКБ находится длительное время в разряженном состоянии, сульфат свинца кристаллизуется, безвозвратно теряя способность участвовать в химических реакциях. Это очень неприятный процесс, в результате которого аккумулятор уже не получится зарядить полностью даже при использовании внешнего зарядного устройства ввиду того, что не вся площадь пластин задействована в работе. Так как аккумулятор не заряжается до конца, то и плотность электролита не восстанавливается до своих исходных значений. По сути, здесь уже идет разговор об устранении нарушений в нормальном функционировании аккумулятора.

Частичную сульфатацию пластин можно устранить с помощью контрольно-тренировочных циклов, заключающихся в заряде и последующем разряде батареи до определенного уровня. Большинство современных зарядных устройств имеют такую функцию, поэтому имеет смысл ей воспользоваться, особенно если аккумулятор по какой-то причине долго находился в разряженном состоянии. Процедура десульфатации весьма длительная и может занять до нескольких дней. Если она не принесла результата, то крайней мерой является увеличение плотности с помощью добавления корректирующего электролита (плотность около 1.40 г/см 3). Такой способ можно рассматривать только как временное решение проблемы, потому что причина как таковая не устраняется.

Какая плотность электролита должна быть в аккумуляторе

Добраться до электролита, измерить плотность и отрегулировать показатель можно только в обслуживаемых аккумуляторах. Они изготавливаются по технологии WET или иначе мокрых банок. Представляют собой пластиковый корпус, поделенный на 6 отсеков (банок). В отсеках находятся пакеты пластин, залитые электролитом. Каждая банка это отдельный маленький аккумулятор напряжением 2,1 вольт, соединённые последовательно. Поэтому на крайних контактах в сумме получается 12,5 – 12,6 В. Сверху отсеки закрыты крышкой с пробками. Через эти пробки можно контролировать состояние электролита. Внешне всё выглядит как пластиковая коробка с ручкой, пробками и двумя контактами плюс и минус.

Залитые свинцово – кислотные батареи до сих пор остаются самыми распространёнными АКБ (аккумуляторными батареями). Их используют в легковых и гольф автомобилях, газонокосилках и другой садовой технике, грузовиках и на водном транспорте. Имеют две отличительные особенности – низкую цену и необходимость обслуживания. В составе электролита никаких секретов нет, это водный раствор обыкновенной серной кислоты h3SO4.

Показатель плотности измеряют в весе одного кубического сантиметра раствора. В продаже имеется электролит для заливки плотностью — 1,28 г/см3 и так называемый, корректирующий — 1,33. Для изготовления электролита плотностью 1,28 при температуре 25 °С смешивают 0,285 мл кислоты с 0,781 лм дистиллированной воды.

Оптимальная плотность очень важна для стабильной и долговечной работы аккумулятора. Она зависит от уровня заряда и температуры окружающей среды при измерении. Достоверные данные можно получить только на полностью заряженной батарее с температурой электролита 25 °С.

Немаловажным фактором являются условия эксплуатации. Для жаркого и холодного климата используют батареи с различной плотностью. В условия Крайнего Севера при сильных морозах она должна быть 1,3 и снижаться до 1,23 в жарком климате при высокой температуре. Это связано с поведением электролита при различных температурах. На морозе он должен не замерзнуть и не закипеть в жару. Для эксплуатации в средних климатических условиях допускается плотность 1,27 полностью заряженной АКБ. На разряженной показатель снижается до 1,11 и ниже.

На что влияет плотность электролита в аккумуляторе

Отрицательно влияют на аккумулятор колебания плотности в обе стороны.

При повышенной бурный химический процесс ведет к выкипанию воды и разрушению пластин. Необходимо постоянно доливать дистиллированную воду. Срок эксплуатации АКБ резко снижается.

Низкая затрудняет пуск двигателя, а при отрицательной температуре электролит может попросту замерзнуть. В теплый период года затруднения можно не заметить, но зимой стартер не сможет прокрутить двигатель. Электролит плотностью 1,11 замерзает при температуре всег лишь — 10 °С. Аккумулятор с пониженной плотностью полностью не заряжается, что провоцирует сульфатацию пластин.

Соблюсти баланс помогает утвердившаяся практика использования электролита различной плотности в зависимости от климата:

Очень холодный и в условиях Крайнего Севера 1,3
Умеренный климат — большая часть РФ от 1,26 до 1,27
Южные районы страны от 1,23 до 1,25
Минимально возможное значение 1,23 г/см3

Как следствие, ненормированная плотность приводит к преждевременной сдаче аккумулятора в утиль.

Маркировка АКБ

Емкость батареи₂₀

Значение тока холодного старта при -18°С (по DIN) — Величина тока, которую батарея способна отдать при пуске двигателя при температуре — 18 °С. Наиболее важная характеристика, напрямую сказывающаяся на пуске двигателя. Ведь при -20°С ток, потребляемый стартером, составляет порядка 300А. (Для пуска в летнее время горячего двигателя этот же показатель равен 100-120А.) Значение стартового тока определяется конструкцией батареи, пластин, сепараторов. Сепараторы карманного типа без каких-либо других дополнений увеличивают напряжение батареи на 0.3В, одновременно улучшая стартовые характеристики. Чем ниже внутреннее сопротивление батареи, тем выше стартовый ток, тем надежнее пуск двигателя при низких температурах.
Некоторые батареи имеют такую маркировку:

Резервная емкость — время, в течении которого батарея сможет обеспечить работу потребителей в аварийном режиме. Величина резервной емкости, выраженная в минутах, последнее время все чаще проставляется изготовителями батарей после значения тока холодного старта.

Кроме того, на необслуживаемых батареях проставляется соответствующая надпись. Чаще всего на русском, английском или немецком языке. (либо на языке производителя, как например, на испанских батареях «Tudor»). Большинство АКБ, изготавливаемых в настоящее время известными производителями являются необслуживаемыми, то же можно сказать и о поставках на Волжский автозавод — на его конвейере используются только необслуживаемые батареи. Однако это вовсе не означает, что к ней не нужно подходить и следить за ее состоянием. Производители гарантируют данный показатель только при соблюдении нормальных условий эксплуатации. (Нелишне отметить, что необслуживаемые батареи выпускаются как с пробками для заливки электролита, так и полностью закрытыми. К разряду необслуживаемых могут относиться и сухозаряженные батареи, поставляемые в торговлю, однако они требуют заливки электролита и последующей зарядки.

Кроме того, на батареи, поставляемые на автозавод, фирмы-производители наносят на корпусе дату изготовления. Плюс к этому, на ВАЗе на клеммы наносится дата установки батареи на автомобиль.

Как обычно, попробуем дать несколько рекомендаций при покупке аккумуляторов в магазине. Во-первых, как и любой другой товар, батареи следует приобретать в специализированных магазинах, предоставляющих гарантию. При покупке желательно запастись ареометром. Плотность батареи должна быть не менее 1.25 г/см3 (лучше 1.27) и одинаковой во всех банках. Если же замер плотности в магазине связан с определенными трудностями, можно ограничиться измерением напряжения вольтметром. Оно должно быть не ниже 12.5 В. (Именно 12.5. а не 12, как нам может казаться достаточным. Напряжение 12 В, наносимое на АКБ — это напряжение бортовой сети, на которое данная батарея рассчитана, а вовсе не напряжение батареи.)

Еще одно замечание. В данной отрасли сильно развито такое направление, как производство баков фирмами, не связанными с производством батарей. И многие фирмы — производители аккумуляторов, в том числе и достаточно солидные, используют уже готовые баки, вставляя в них свою начинку и наклеивая свои «лейблы», становясь при этом менее уязвимыми от производителей внешне похожих дешевых подделок.

Бытует мнение, что выбирая батарею, прежде всего необходимо обращать внимание на ее емкость. Однако все далеко не так просто

Нельзя сказать, что чем выше емкость батареи, тем она лучше. Во-первых, габаритные размеры батареи — величина строго регламентированная международным стандартом. (Это же относится и к автомобилям Волжского автозавода — размеры бака едины для всех поставщиков.) А потому для увеличения емкости батареи при тех же габаритных размерах неизбежно приходится жертвовать каким-либо другим показателем — и чаще это сказывается на долговечности батареи. Если же и выбирать по какой-либо характеристике, так правильнее это делать по величине тока холодного старта. Его значение играет более весомую роль при эксплуатации автомобиля в период суровых российских зим.

Редакция благодарит за помощь, оказанную при подготовке материала специалистов Генерального Департамента Развития АО АвтоВАЗ Пуряева Виктора Михайловича и Осипова Андрея Юрьевича.

Владимир Семаков

Вопросы и предложения присылайте по адресу
[email protected]

Авто | Архив «Виртуального автоклуба» | Виртуальный Автоклуб

Уход за аккумулятором

Периодически, не реже одного раза в 2-3 месяца, даже при безотказной работе, необходимо проверять напряжение на клеммах аккумуляторной батареи при неработающем и при работающем двигателе. Все стартерные АКБ при работе теряют часть воды из электролита. Поэтому на обслуживаемых батареях необходимо проверять уровень электролита не реже 1-2 раз в месяц и доливать дистиллированную воду (не электролит!) до требуемого уровня.

АКБ подвержены саморазряду. Поэтому при долгом бездействии их необходимо подзаряжать каждые 1 -2 месяца. Чтобы исключить разряд батареи во время длительной стоянки автомобиля, рекомендуется отключать «массу», поскольку из-за утечки тока в системе электрооборудования АКБ может разрядиться настолько, что не сможет запустить двигатель. Если же и при отключении от бортовой сети батарея быстро разряжается, это говорит о повышенном саморазряде для старой батареи или о внутреннем дефекте (коротком замыкании) для новой батареи. Надо стараться не допускать повторения глубоких разрядов, составляющих более 40-50% от емкости АКБ — после них она не сможет быстро и полностью зарядиться от генератора.

Возможны следующие причины глубоких разрядов АКБ: «утечка» тока в электрической цепи; неисправность генератора или регулятора напряжения; слабое натяжение ремня привода генератора двигателя; длительное использование потребителей при неработающем двигателе, например — сигнализации при долговременной стоянке автомобиля.

Следует помнить, что индикатор (глазок), размещенный в крышках некоторых АКБ, не всегда позволяет объективно оценить их заряженность. Поэтому, даже если цвет индикатора зеленый, реальная заряженность АКБ может колебаться в широких пределах — от 100 до 63%. Кроме того, постепенное выкипание воды из электролита приводит к повышению его фактической плотности, что дает ложное (более высокое) состояние заряженности. Надо учитывать и зимнее понижение температуры, в результате чего плотность электролита также повышается. Одним словом, в результате действия всех факторов может случиться так, что глазок будет зеленым даже у батареи, заряженность которой составляет менее 50%. Следовательно, даже если АКБ располагает индикатором, для обеспечения надежной работы необходим периодический контроль ее заряженности.

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе

Плотность электролита в аккумуляторе — одна из важнейших эксплуатационных характеристик портативного источника электроэнергии. Если по тем или иным причинам этот показатель не соответствует норме, то работоспособность автомобильного аккумулятора будет под большим вопросом.

Содержание

На что влияет плотность электролита
Какой должна быть плотность в зависимости от времени года
Как проверить плотность
, что приводит к снижению плотности
Как увеличить плотность батареи
- с использованием корректирующего электролита
- с помощью зарядного устройства
- Полная электролит
Рабочие меры. зависит от плотности электролита
Плотность электролита напрямую влияет на способность аккумулятора накапливать энергию во время зарядки. Если этот показатель намного ниже нормы, то аккумулятор не будет выдавать максимальный пусковой ток. Кроме того, время автономной работы резко сократится.
Высокая плотность электролита также негативно влияет на работу источника питания, значительно сокращая срок его службы. Это связано, прежде всего, с повышенным образованием сульфатов на поверхности свинцовых пластин.
Такой «рейд» плохо проводит электричество, что способствует значительному снижению емкости аккумулятора. Сильно засульфатированные аккумуляторы со временем полностью перестают «держать» заряд и подлежат утилизации.
Риск физического разрушения аккумулятора может возникнуть при оставлении аккумулятора, в котором находится электролит с низким содержанием серной кислоты, в неотапливаемом помещении зимой. В таких случаях даже при медленном оттаивании источники питания могут оказаться совершенно непригодными для дальнейшего использования.
Сульфатация плиты
Какой должна быть плотность в зависимости от сезона
Плотность электролита зимой и летом может быть разной. В холодное время года рекомендуется увеличивать этот показатель даже в сильный мороз, чтобы уберечь аккумулятор от разрушения. В среднем плотность аккумуляторной жидкости в зависимости от времени года составляет:
- Зима: 1,30 г/см3.
- Лето: 1,26 г/см3.
Приведенные значения являются наиболее экстремальными для очень суровой зимы и жаркого лета. В субтропическом климате возможна круглогодичная работа от аккумуляторов с плотностью электролита 1,27 г/см3.
Как проверить плотность
В батареях, не оборудованных специальным «глазком», определить плотность практически невозможно, но даже при наличии такого элемента в батарее о концентрации серной кислоты можно только судить условно. Этот параметр можно точно определить с помощью специального прибора.
Влагомер
Влагомер представляет собой прибор, в котором имеется «поплавок» со шкалой. По степени погружения этой детали в электролит можно точно определить плотность электропроводящей жидкости. Измерить очень просто:
- Открытые пробки.
- Установите прибор в отверстие.
- Сожмите грушу.
- Освободите резиновый элемент.
- Определите плотность жидкости по шкале.
Таким образом, измерения производятся во всех банках батареи.
При отсутствии ареометра плотность можно измерить с помощью электронных весов и мерного объема 100 мл. Для выполнения процедуры достаточно набрать электролит из одной банки, после чего установить емкость на измерительный прибор.
Масса нетто в граммах будет равна плотности электролита со сдвигом запятой влево на 2 знака. Например: 127 грамм будет равняться плотности 1,27 г/см3. Измеряется только вес нетто, то есть перед выполнением процедуры нужно не забыть взвесить пустой бак и вычесть это значение из общей массы.
Что вызывает падение плотности
Основной причиной значительного падения плотности электролита является постоянное разбавление жидкости внутри банок дистиллированной водой, с частыми протечками. Истечение может произойти при наличии щелей в корпусе или недостаточно плотно закрытых пробках.
Если причиной изменения состава токопроводящей жидкости является утечка в корпусе, то утечку необходимо выявить как можно быстрее. Плохо закрытые пробки необходимо правильно закрутить или установить на силиконовый герметик.
Небольшое отклонение концентрации серной кислоты всегда выявляется при сильном разряде аккумулятора. Это состояние очень вредно для свинцовых аккумуляторов. Если аккумулятор «ноль», немедленно подключите источник питания к зарядному устройству.
Как увеличить плотность в батарее
Поднять плотность в батарее совсем несложно. Для выполнения этой операции можно использовать корректирующий или обычный электролит или зарядное устройство.
Электролит-корректор
Использование электролита-корректора
Использовать этот способ восстановления плотности электролита можно только в том случае, если аккумулятор обслужен, а концентрация серной кислоты в электропроводной жидкости не снизилась ниже критического уровня.
Корректирующий электролит представляет собой раствор серной кислоты (формула h3SO4) в дистиллированной воде со значительно большей концентрацией основного вещества. Регулировка заключается в удалении сильно разбавленного электролита из банок.
Это можно сделать с помощью груши или ареометра. Затем вместо выбранной жидкости заливается корректирующий состав. При выполнении этой операции следует постоянно контролировать плотность электролита в банках с помощью ареометра.
Boost с зарядным устройством
С помощью зарядного устройства можно увеличить плотность электропроводящей жидкости как в батареях с вилкой, так и в необслуживаемых моделях.
Для выравнивания значения плотности достаточно подключить прибор к аккумулятору с соблюдением полярности, а затем подключить прибор к сети 220 В. Если есть возможность выбора силы тока, для более плавного увеличения плотности рекомендуется установить значение этого параметра на 10% от емкости аккумулятора.
Полная замена электролита
Полная замена электролита необходима, если плотность электролита не может быть восстановлена заправкой или использованием корректирующего раствора. Для замены токопроводящей жидкости потребуется подготовить новый электролит, пластиковую воронку, резиновую грушу, ареометр, а также емкость для слива старой жидкости.
Такая операция выполняется по следующей инструкции:
- Удалите пробки из банок.
- Откачайте электролит из аккумулятора с помощью груши (для получения жидкости снизу рекомендуется надеть на резиновое приспособление тонкую силиконовую трубку).
- Залить новый электролит с помощью воронки (эту процедуру следует выполнять очень медленно, чтобы не пролить едкую жидкость).
После доведения уровня токопроводящей жидкости во всех банках до оптимального значения заменяют пробки и подключают аккумулятор к сетевому зарядному устройству.
Следует отметить, что регулировать плотность таким способом можно только в обслуживаемых моделях аккумуляторов.
Меры предосторожности при выполнении работ
Доливать электролит в канистры или полностью заменять аккумуляторную жидкость можно только с соблюдением техники безопасности. Раствор серной кислоты — очень активная жидкость, реагирующая с органическими и неорганическими веществами.
Попадание электролита в глаза при работе может привести к необратимому изменению работы органов зрения, поэтому обязательно использование специальных защитных очков.
При попадании на кожу токопроводящей жидкости поверхность тела покрывается сильными химическими ожогами. По этой причине также следует использовать резиновые перчатки и фартук, чтобы защитить одежду от сквозных отверстий.
Негативное воздействие кислоты на металлические поверхности проявляется в эрозии изделий из этого материала. Даже очень прочные сплавы подвержены химической реакции, поэтому при необходимости долить электролита следует снять аккумулятор с машины.
При восстановлении плотности аккумулятора от сетевого зарядного устройства необходимо следить за наличием достаточного движения воздуха в помещении. При отсутствии вентиляции возможно воспламенение газа, образующегося при зарядке. Кроме того, вдыхание таких смесей может вызвать сильное отравление.
При соблюдении всех мер предосторожности до начала работ по восстановлению плотности электролита аккумуляторной батареи данная процедура будет выполнена без каких-либо осложнений.
Есть вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это сделает материал более полным и точным.
Роль концентрации в растворах электролитов для неводных батарей на основе лития начало 1990-х. Однако поиски электрохимических систем накопления энергии с высоким содержанием энергии заставили исследователей пересмотреть пригодность «стандартной» одномолярной концентрации и обратить внимание на высококонцентрированные растворы электролитов. Однако взаимосвязь между фундаментальными свойствами электролита и характеристиками элемента не согласуется с тем, что можно было бы ожидать, основываясь только на ионной проводимости электролита. Здесь обсуждаются недавний прогресс и будущие перспективы корреляции между физико-химическими свойствами нестандартных растворов электролитов и их способностью улучшать характеристики накопления энергии в батареях на основе лития.
Основной
С момента коммерциализации Sony в 1991 году ¹ многочисленные достижения в области неводных литий-ионных аккумуляторов привели к появлению множества продуктов ^1,2 . Усилия по увеличению плотности энергии и удельной энергии привели к десятилетиям интенсивных исследований по улучшению электродных активных материалов. Следовательно, разработка электродных активных материалов намного опередила достижения в области химии электролитов. Состав раствора электролита, несмотря на его критическую роль в клетке как ионного проводника для переноса ионов лития между электродами, сегодня в основном такой же, как и в начале 19 века.90-е ^1,2 . «Стандартный» состав электролита содержит смесь линейных и циклических карбонатных растворителей в виде 1-молярного (М) раствора соли, где солью обычно является гексафторфосфат лития (LiPF ₆). Затем этот «стандартный» электролит приспосабливается к конкретному химическому составу элемента, прежде всего за счет изменения карбонатного растворителя и включения запатентованных смесей добавок ³ . Эти добавки, которые могут включать растворители, соли или другие молекулы, которые не считаются растворителями, обычно используются в небольших количествах по сравнению с количеством растворителя электролита (в обзоре Сюй произвольно установлено 10%, без указания массы). % или объемных %; кроме того, количества выше 10% считаются сорастворителями) ⁴ . Совсем недавно Solchenbach et al. предположил, что отношение добавки к активному материалу может иметь большее значение, чем конкретная концентрация ⁵ . Однако идеальное количество любой конкретной добавки, вероятно, зависит от ее функции в клетке и количества, необходимого для получения желаемого эффекта, без значительного негативного влияния на другие свойства, влияющие на производительность. Добавки выполняют множество функций в ячейке, например, в качестве пленкообразователей (т. е. расходуемых добавок) для образования межфазного слоя твердого электролита (SEI), межфазного слоя катод-электрод (CEI) или соединений для повышения безопасности системы (например, антипирены). ³ . Например, количество добавки CEI, вероятно, будет ниже, чтобы избежать увеличения межфазного сопротивления, чем, например, количество антипирена, где требуется более высокое содержание, чтобы повлиять на время самозатухания.
Что касается основных компонентов раствора электролита, остается довольно большое игровое поле, которое только начали исследовать в последние годы (рис. 1). Например, концепция электролитов, не содержащих этиленкарбоната (ЭК), была исследована для улучшения работы при высоком напряжении ⁶ . Аспект концентрации соли является особенно интересным аспектом для изучения. Изменение концентрации напрямую влияет на сольватацию ионов Li ⁺ в растворе, а затем и на все остальные свойства электролита, в том числе на образование межфазных границ (SEI и CEI). В этой статье с комментариями основное внимание будет уделено высококонцентрированным растворам электролитов (также известным как системы растворителей в соли ⁷ ) и рассмотрены аспекты, касающиеся будущей разработки электролитов и их применения в батареях на основе лития.
Рис. 1: Игровое поле с электролитом.
В центре рисунка описан стандартный раствор электролита для литий-ионных аккумуляторов. Этот стандартный электролит можно изменить (зеленое кольцо) не только путем изменения состава (например, растворителей или солевого аниона), но и путем изменения концентрации. Изменения в составе влияют на свойства электролита (синее кольцо), которые впоследствии влияют на работу элемента (оранжевое кольцо).
Полноразмерное изображение
Адекватные транспортные свойства литий-иона необходимы для удовлетворительной гарантии характеристик электрохимического накопления энергии. Здравый смысл (т. е. понимание и объяснение свойств электролита, общепринятое специалистами в области растворов аккумуляторных электролитов) гласит, что это достигается за счет высокой электропроводности и малой вязкости электролита. В большинстве неводных растворов проводящих электролитов с ионами лития максимальная объемная проводимость достигается при концентрации соли примерно 1 М. Поэтому не случайно, что «стандартная» концентрация электролита составляет 1 М. Бородин и соавт. назвали это «наследием 1 моляра (M)» ⁸ . Эта максимальная проводимость является результатом компромисса между количеством носителей заряда и ионной подвижностью этих носителей заряда. Количество носителей заряда определяется диссоциацией солей, а ионная подвижность в первую очередь связана с вязкостью электролитных сред. В режиме концентрации 1 M ионы лития сольватируются «обычно используемыми» карбонатными растворителями, а анионы в основном считаются «свободными» (часто называемые ионными парами, разделенными растворителем, или SSIP) ⁹ . Строение сольватной оболочки, т. е. ионов лития и непосредственно координированных компонентов электролита, зависит как от природы растворителя, так и от солевого аниона. Кроме того, имеется значительное количество некоординированного растворителя, т. е. молекул растворителя за пределами первой сольватной оболочки. При высоких концентрациях соли (определение «высокой концентрации» обсуждается в следующем абзаце) координация ионов лития сильно отличается. Ионы лития координируются как анионами, так и молекулами растворителя. Более того, свободных молекул растворителя, которые влияют не только на транспортные свойства электролита, но и на взаимодействие между электролитом и другими компонентами в ячейке, например, при образовании SEI/CEI, немного, если они вообще есть.
Сравнение растворов электролитов «1 M» и «высокой концентрации солей» приводит к вопросу, что такое «высокая концентрация»? К сожалению, на этот вопрос нет однозначного ответа, поскольку границы между различными режимами концентрации неводных растворов аккумуляторных электролитов сильно зависят от критериев определения. С точки зрения идеальности, из которой были выведены почти все классические уравнения, описывающие поведение электролита, все ионы в растворе должны быть полностью диссоциированы, участвовать в диффузии и миграции и двигаться независимо (т. е. не подвергаться влиянию других ионов). ионы) ¹⁰ . Однако растворы аккумуляторных электролитов отклоняются от идеальности уже при концентрациях ниже 0,1 M ¹¹ ; таким образом, даже «стандартные» 1 М растворы электролитов можно считать концентрированными электролитами. Поэтому практическое определение «концентрированного электролита» существенно отличается от идеального определения, основанного на независимом движении ионов. В возможной попытке примирить эти различия в литературе появился термин «суперконцентрированный», который слабо ассоциируется с концентрациями выше примерно 3 M в апротонных растворителях 9.0147 8 .
Недавно было высказано предположение, что один из способов классификации практических электролитов (т. е. электролитов, используемых в технологически значимых электрохимических накопителях энергии) по режимам концентрации может основываться на природе ионно-сольватной оболочки ^8,10 . Как отмечалось выше, в высококонцентрированных электролитах (или «сверхконцентрированных» электролитах) свободных молекул растворителя мало, если они вообще есть, а анионы присутствуют в первой сольватной оболочке. Напротив, в электролитах с «низкой концентрацией» (т.е. менее 3 M на основе определения молярности, указанного выше) есть молекулы растворителя, которые не координируются напрямую с катионами в растворе и, таким образом, являются свободными.
Приведенные выше концентрации даны в молярных единицах (т. е. количество молей растворенного вещества на литр раствора), как это часто используется в литературе. Однако молярность не обязательно является наилучшей мерой концентрации для высококонцентрированных растворов электролитов, поскольку плотность значительно изменяется с концентрацией. Например, электролиты, содержащие бис(фторсульфонил)имид лития (LiFSI) в ЭК, увеличили плотность с 1,38 г см ^-3 при 0,63 М до 1,71 г см ^-3 при 5,67 М ¹² . Следовательно, лучше подходят другие единицы для выражения концентрации, такие как моляльность (т.е. моли растворенного вещества на 1 кг растворителя) или молярное отношение (моли растворенного вещества:моли растворителя), особенно при сравнении электролитов в широком диапазоне концентраций.
В развитие общепринятого мнения, упомянутого выше, можно ожидать худших характеристик элемента при использовании электролитов с высокой концентрацией, когда объемная проводимость ниже, а вязкость увеличивается. Это предположение в значительной степени вытекает из картины при более низких концентрациях, когда транспортный механизм транспорта (т. е. когда ионы лития движутся через электролит с его сольватной оболочкой) вносит существенный вклад в проводимость ионов лития ⁸ . В этом случае «более низкая концентрация» зависит от растворителя и может считаться примерно до 3 M для карбонатов ⁸ . Изучение результатов исследований высококонцентрированных растворов электролитов приводит к вопросам относительно этого общепринятого мнения и, следовательно, полезности проводимости (объемного) электролита в качестве ключевого критерия оценки. Возможны ли другие транспортные механизмы, такие как структурная диффузия, при которой литий-ион транспортируется за счет обмена компонентами в первой сольватной оболочке (т.е. процессы ассоциации-диссоциации ионов) ⁸ , также эффективно транспортирует «достаточное количество» лития к электроду? Может ли высокая концентрация ионов лития свести к минимуму влияние градиентов концентрации в электролите? Основываясь на этих двух вопросах, необходимо ли изменение парадигмы в общепринятом понимании связи между транспортными свойствами и производительностью клетки? Кроме того, можно ли за счет координации изменить электрохимическую стабильность отдельных компонентов электролита и как координация влияет на межфазное образование? Эти вопросы рассматриваются в следующих разделах наряду с другими аспектами, важными для будущей разработки, оптимизации и внедрения высококонцентрированных электролитов в батареях на основе лития.
Сравнение объемной проводимости или переноса лития как ключевого транспортного свойства
Часто используется объемная электропроводность (собственная ионная проводимость материала, на которую не влияют какие-либо границы раздела, например, из-за заключения в пористой структуре). как ключевое транспортное свойство для оценки электролитов перед тестированием элементов. Ионная проводимость — это параметр, который можно относительно легко и надежно измерить с помощью стандартного оборудования, доступного в большинстве электрохимических лабораторий. Тем не менее, существуют определенные ограничения; в частности, высокая объемная электропроводность электролита не обязательно означает высокую электропроводность литий-иона ¹³ .
Вклад переноса ионов лития в общий ток известен как число переноса лития. Концепция числа переноса не уникальна для растворов жидких ионно-литиевых электролитов. Это общая концепция для описания вклада конкретных частиц x в общую (т. е. объемную) проводимость (передаточное число x , T _x , со значениями от 0 до 1) ¹⁴ . В «стандартных» электролитных системах это значение обычно низкое (между 0,2 и 0,4) ¹⁵ , что означает, что «свободные» анионы более подвижны, чем ионы лития с сольватной оболочкой растворителя. Таким образом, анионы, например PF ₆ ⁻ «стандартный» электролит, как определено выше, вносят больший вклад в общий ток. Литий-ионная проводимость σ _Li ⁺ в конкретном электролите может быть определена из произведения объемной проводимости электролита σ на T _Li ⁺ (т. е. σ _Li ⁺ = σ ∙ T _Li ⁺ ). В конечном счете, именно литий-ионная проводимость ограничивает плотность тока, которая может быть достигнута с данным электролитом в гальваническом элементе ¹⁰ .
Научные исследования с высококонцентрированными электролитами показали, что растворы электролитов с более низкой объемной проводимостью могут иметь улучшенные электрохимические характеристики накопления энергии по сравнению с их аналогами с более низкой концентрацией ^12,16 . Этот изначально противоречащий здравому смыслу результат означает, что электролит с более низкой объемной проводимостью должен иметь более высокую литий-ионную проводимость, что может быть только в случае более высоких T _Li ⁺ (т. е. если σ _Li ⁺ [высокий] > σ _Li ⁺ [низкий], как указано в характеристиках ячейки, и σ[высокий] < σ[низкий], то T _Li ⁺ [высокий] > T _Li ⁺ [низкий]). Когда значения T _Li ⁺ были приведены в рецензируемых отчетах, они были выше в высококонцентрированных электролитах, чем в более разбавленных «стандартных» растворах электролитов (например, T _Li ^{+ 9).0148 = 0,42 для 1 M LiPF ₆ в EC/DMC (3:7 по объему) по сравнению с T _Li ⁺ = 0,58 для 4 M LiTFSI + 0,5 M 16140709M LiDFOB в фторэтиленовом углероде _Li ⁺ = 0,32 для 1 M LiPF ₆ в EC/DMC (1:2 по объему) по сравнению с T _Li ⁺ = 0,57 для [LiFSI]:[ацетонитрилкарбонат]:[ацетонитрилкарбонат] = 0,52:1:0,09 ¹⁷ ).}
Более высокая проводимость ионов лития приводит к более высокой доступности ионов лития на электроде из-за образования более низкого градиента концентрации в электролите. В недавнем исследовании с использованием рамановской спектроскопии in situ изучалось количество ионов лития в электролите в фиксированном положении в ячейке после подачи тока. ¹⁷ Результаты показали значительное истощение ионов лития в «стандартном» растворе карбонатного электролита. Однако высококонцентрированный раствор электролита (т. е. 10 M) формировал значительно более низкий градиент концентрации. Дальнейшее исследование показало, что, хотя вязкость и ионная проводимость являются хорошими показателями производительности литий-ионных элементов с низкой массовой нагрузкой (например, 0,95 мАч см ^-2 ) и тонкими электродами (например, 22 мкм), электролиты с более высокой концентрацией (например, , 1,9M) может уменьшить истощение ионов лития в порах толстых электродов (например, массовая нагрузка 8,10 мАч см ⁻² и толщина 161 мкм) для улучшения характеристик электрохимического накопления энергии ¹⁸ . Важно отметить, что ионная проводимость объемного раствора электролита обычно выше, чем у электролита, заключенного в пористой структуре электродов или сепаратора ¹³ .
Было бы полезно использовать литий-ионную проводимость, полученную из числа переноса, в качестве ключевого параметра переноса для прогнозирования поведения растворов электролитов. Однако существуют значительные проблемы, связанные с точным измерением числа переноса. О значительных вариациях сообщает исх. 19в результатах, полученных электрохимическими методами (например, метод Брюса-Винсента) и в результатах, полученных из градиента импульсного поля ЯМР ¹⁹ . Каждый метод имеет определенные ограничения/допущения, которые необходимо учитывать. Таким образом, числа переноса вряд ли будут полезны в качестве универсального инструмента скрининга. Тем не менее, концепция переноса и его влияние на градиент концентрации ионов лития в аккумуляторной ячейке должны учитываться в исследованиях, посвященных электролитам.
Влияние вязкости
Высокая концентрация соли в растворе электролита достигается за счет высокой вязкости, которая значительно снижает подвижность ионов. Как отмечалось выше, количества растворителя при высоких концентрациях уже недостаточно для полного заполнения первой сольватной оболочки. Следовательно, анионы участвуют в координации ионов лития. Недостаточное количество растворителя также может привести к сценарию, при котором анионы координируются с более чем одним ионом лития, образуя то, что часто называют «агрегатами» 9.0147 8 . Образование агрегатов наряду с координацией анионов эффективно увеличивает ионный радиус сольватированных ионов лития. Поскольку подвижность обратно пропорциональна произведению вязкости и ионного радиуса ¹⁴ , оба из которых больше при высоких концентрациях, в результате подвижность комплексов на основе лития значительно снижается. Этот результат согласуется с классической картиной сил (электрических и сопротивления), действующих на заряженную частицу, движущуюся в электрическом поле ¹⁴ и описывает движение ионов, основанное на автомобильном транспортном механизме. Однако исследования показали, что при наличии агрегатов вклад структурной диффузии в общий перенос значителен (рис. 2А) ⁸ , что может помочь свести на нет другие эффекты высокой вязкости ²⁰ .
Рис. 2: Аспекты, которые следует учитывать при разработке высококонцентрированных растворов электролитов.
A Параметры, влияющие на вклад транспортных и структурных диффузионных механизмов переноса катионов металлов в жидких электролитах (Перепечатано из ссылки 8 с разрешения Elsevier.) B XPS-анализ металлического лития, прошедшего цикл в концентрированном (10 M) и стандартном (1 M) LiFSI в растворе электролита EC:DMC (1:1 по объему). (Перепечатано из ссылки 27 с разрешения Elsevier). C Скрининг материалов-кандидатов с использованием высокопроизводительных расчетов ключевых свойств для целенаправленных вычислительных исследований и/или синтеза и тестирования. (Воспроизведено из Crabtree, G. AIP Conference Proceedings 1652 , 112–128 (2015) ³⁶, с разрешения AIP Publishing).
Изображение в натуральную величину
Вязкость электролита играет роль не только в транспортных свойствах литий-иона, но также и в аспектах, важных для производства и формирования клеток, а именно в наполнении электролитом и смачивании (хотя характер смачивания конкретного электролита, как определено контактный угол может играть более важную роль) ²¹ . Было показано, например, что емкость лабораторных ячеек с высоковязкими растворами электролитов на основе ионных жидкостей увеличивается во время начального циклирования по мере того, как электроды постепенно смачиваются электролитом ^20,22 . Можно использовать различные стратегии, чтобы понять и смягчить медленное смачивание. Например, в высококонцентрированные растворы электролитов можно добавлять растворители, используемые в качестве «разбавителей», которые не изменяют механизм локального транспорта и структуру сольватации, но снижают вязкость. Эта относительно новая концепция, описанная как локализованные высококонцентрированные электролиты (LHCE) ²³, кажется многообещающей. В дополнение к модификации электролитов можно использовать аналитические методы для лучшего понимания и отслеживания смачивания. Например, нейтронная радиография использовалась для оценки степени смачивания ²⁴ , в то время как распространение ультразвука было предложено в качестве встроенного инструмента мониторинга ²⁵ .
Различные концентрации, различные межфазные слои
Помимо транспортных свойств, электрохимическая стабильность электролита и межфазное образование являются критическими аспектами получения удовлетворительных характеристик батареи. В «стандартных» коммерческих электролитах образование SEI/CEI в значительной степени обусловлено добавками и растворителями электролитов, которые присутствуют в избытке и в значительной степени не координируются ионами лития ⁴ . При высокой концентрации на электрохимическую стабильность электролита и, следовательно, на межфазные границы могут влиять различные факторы, например наличие анионов в первой сольватной оболочке и литиевая координация большей части растворителя ²⁶ . В этом случае «высокая концентрация» не может быть сужена до определенного диапазона концентраций, а должна определяться на основе координации, как обсуждалось выше. В недавней рецензируемой статье дано подробное описание сложных взаимодействий, происходящих между катионами, анионами и растворителями в неводных растворах электролитов на основе лития 9.0147 26 . Интересным результатом ряда исследований является связь координации анионов с межфазным составом ^17,27 . Природа межфазных фаз смещается от той, в которой преобладают растворители и продукты их разложения, к той, на которую в первую очередь влияют анионы и продукты их разложения, включая LiF (рис. 2B) ^8,27 . Учитывая важность этой соли для интерфаз с высококонцентрированными электролитами, безусловно, интересно исследовать другие соли помимо LiPF 9.0153 6 и исследовать свойства сформированных SEI/CEI. LiFSI заинтересовался в этом отношении ^17,27 . Другие варианты включают использование двухсолевых систем ²⁸ или специальных сорастворителей (как в LHCE) ²³ . Подход с использованием смесей солей и/или растворителей позволяет использовать преимущества различных компонентов электролита для решения проблем, которые могут возникнуть в других компонентах элемента (например, коррозия алюминиевого токосъемника на положительном электроде) ^16,23 .
Разработка электролитов для литиевых аккумуляторов следующего поколения
Одним из факторов, стимулирующих исследования высококонцентрированных электролитов, является желание создать элементы, способные полностью использовать высоковольтные катодные материалы и литий-металлические аноды ^12,17,23 . Материалы электродов с высокой емкостью или высоким напряжением, вероятно, необходимы для компенсации потерь энергоемкости (особенно удельной энергии) из-за повышенной плотности высококонцентрированных электролитов. Несмотря на то, что электролиты высокой концентрации использовались с графитовыми анодами (и, как правило, в паре с высоковольтными катодами), работы, посвященные металлическому литиевому электроду, безусловно, преобладают над теми, о которых сообщается в литературе 9. 0147 17,23,27,28 .
Одной из основных проблем с анодами из металлического лития является необходимость контролировать морфологию осаждения, чтобы избежать мшистого или дендритного роста металлического лития. Высококонцентрированные растворы электролитов имеют в этом отношении существенное преимущество перед «стандартным» электролитом. Несколько исследований ^17,23 показали, что высококонцентрированные электролиты (или также LHCE) позволяют наносить металлический литий с более плотной и округлой морфологией осажденного лития при плотности тока 1 мА см ⁻² . В аналогичных условиях игольчатые дендритные структуры осаждаются из «стандартных» 1 M растворов электролитов на основе карбонатов ^17,23 . В этих примерах авторы связывают улучшенное поведение металлического лития с осаждением (и растворением) с изменениями в составе SEI, полученного из концентрированных электролитов (где SEI также зависит от состава исследуемого раствора электролита) ^17,23 .
В дополнение к рассмотренным здесь неводным электролитам, другие нетрадиционные электролиты, такие как водно-солевые электролиты (WISE) ²⁹ или гибридные водные неводные электролиты (HANE) ³⁰, в последнее время вызывают интерес. WISE и HANE используют преимущества полной координации растворителей (как в высококонцентрированных электролитах, как определено выше), чтобы расширить окно электрохимической стабильности, типичное для водных электролитов в других технологиях хранения энергии, не основанных на литии. Тем не менее, все еще необходимы значительные исследования, чтобы эти системы могли конкурировать с неводными электролитами для батарей на основе лития 9.0147 29 .
Дальнейшая разработка новых компонентов и составов электролитов может выиграть от новых исследовательских подходов, включающих высокопроизводительные и автономные испытательные платформы в сочетании с машинным обучением. Вычислительный скрининг конкретных свойств может ограничить количество молекул, подлежащих углубленным исследованиям (рис. 2C) ³¹ . Автономные платформы, управляемые алгоритмами машинного обучения, могут использоваться для оптимизации составов, что может привести к неинтуитивным составам электролитов с определенными свойствами, как это уже было продемонстрировано с водными растворами электролитов ³² . Кроме того, использование передовых методов определения характеристик может привести к лучшему пониманию поведения электролита в ячейке во время работы. Например, рамановские характеристики in situ позволили непосредственно исследовать истощение ионов лития в электролите ¹⁸ . Сочетание инновационных исследовательских подходов с передовыми аналитическими методами, скорее всего, окажется особенно важным, учитывая многогранную роль электролита в аккумуляторе и его влияние на производительность и срок службы.
Стоимость в конечном счете станет движущим фактором при внедрении высококонцентрированных электролитов. Хотя между стоимостью основных интересующих солей существует лишь относительно небольшая разница, между стоимостью растворителей-электролитов и солей ³³ существует коэффициент ~10. В результате уменьшение количества растворителя и увеличение количества соли приводит к чистому увеличению стоимости состава электролита. Как недавно указал исх. 34, важно помнить, что «затраты» не всегда являются денежными, но также могут носить технический характер, особенно при рассмотрении возможности интеграции новых компонентов в существующие процессы производства клеток.
Этап формирования и старения является наиболее затратным с точки зрения времени и денег этапом в процессе производства современных литий-ионных аккумуляторов ³⁵ . Следовательно, экономия на этом производственном этапе была бы выгодной. Хотя известно, что природа и состав интерфаз меняются в высококонцентрированных электролитах, потенциальное влияние (с точки зрения времени и связанных с этим денежных затрат) на стадию формирования при производстве клеток до сих пор неизвестно. Вопрос стоимости гораздо сложнее, чем вопрос самих материалов. Таким образом, преимущества работы высококонцентрированных растворов электролитов, вероятно, должны быть значительными, чтобы перевесить затраты на текущие «стандартные» 1M растворы электролитов.
В обозримом будущем «стандартные» растворы электролита 1 M, вероятно, останутся самыми современными для текущего поколения литий-ионных аккумуляторов. Однако обнадеживающие экспериментальные результаты, полученные с использованием высококонцентрированных растворов электролитов, могут открыть альтернативный путь к будущим высоковольтным и высокоэнергетическим батареям на основе лития. Хотя объемная ионная проводимость останется доступным, надежным и экономически эффективным инструментом скрининга для разработки электролитов, важно помнить, что самая высокая объемная проводимость не обязательно приводит к «лучшим» характеристикам элемента, особенно с точки зрения производительности. Отказ от традиционной мудрости электролитов и сосредоточение внимания на таких аспектах, как проводимость литий-иона (т. 1 М. Тем не менее нельзя забывать о важности понимания межфазной химии, поскольку использование высококонцентрированных электролитов меняет многое из того, что ученые знают о межфазном образовании.
Ссылки
1. Zhang, H. et al. От электродов с твердым раствором и концепции кресла-качалки до современных аккумуляторов. Анжю. хим. Междунар. Эд. 59 , 534–538 (2020).
  КАС Статья Google ученый
2. Се, Дж. и Лу, Ю.-К. Ретроспектива литий-ионных аккумуляторов. Нац. коммун. 11 , 2499 (2020).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
3. Haregewoin, A.M., Wotango, A.S. & Hwang, B.-J. Электролитные добавки для электродов литий-ионных аккумуляторов: достижения и перспективы. Энергетическая среда. науч. 9 , 1955–1988 (2016).
  КАС Статья Google ученый
4. Сюй, К. Электролиты и промежуточные фазы в литий-ионных батареях и не только. Хим. Ред. 114 , 11503–11618 (2014 г.).
  КАС Статья Google ученый
5. Solchenbach, S., Pritzl, D., Kong, E.J.Y., Landesfeind, J. & Gasteiger, H.A. Золотой микроэлектрод сравнения для измерения импеданса и потенциала в ионно-литиевых батареях. Дж. Электрохим. соц. 163 , А2265 (2016).
  КАС Статья Google ученый
6. Zhang, T. & Paillard, E. Последние достижения в области высоковольтных, не содержащих электропроводов электролитов для литий-ионных аккумуляторов на основе графита. Фронт. хим. науч. англ. 12 , 577–591 (2018).
  КАС Статья Google ученый
7. Суо, Л., Ху, Ю.-С., Ли, Х., Арманд, М. и Чен, Л. Новый класс электролитов на основе растворителя в соли для высокоэнергетических перезаряжаемых металлических литиевых батарей. Нац. коммун. 4 , 1481 (2013).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый
8. Бородин О., Селф Дж., Перссон К.А., Ван С. и Сюй К. Неизведанные воды: сверхконцентрированные электролиты. Джоуль 4 , 69–100 (2020).
  КАС Статья Google ученый
9. Хендерсон, В. А., Брукс, Н. Р., Бреннессел, В. В. и Янг, В. Г. Структуры сольватов триглим-литий + катион: модели для аморфных концентрированных жидких и полимерных электролитов (I). Хим. Матер. 15 , 4679–4684 (2003).
  КАС Статья Google ученый
10. Сюй К. Навигация по минному полю аккумуляторной литературы. Комм. Матер. 3 , 31 (2022).
  Артикул Google ученый
11. «>
  Валоэн, Л. О. и Реймерс, Дж. Н. Транспортные свойства электролитов литий-ионных аккумуляторов на основе LiPF6. Дж. Электрохим. соц. 152 , А882 (2005).
  Артикул Google ученый
12. Wang, J. et al. Сверхконцентрированные электролиты для высоковольтной литий-ионной батареи. Нац. коммун. 7 , 12032 (2016).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
13. Raccichini, R., Furness, L., Dibden, JW, Owen, J.R. & García-Araez, N. Характеристика импеданса транспортных свойств электролитов, содержащихся в пористых электродах и сепараторах, пригодных для Li-S аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 165 , A2741–A2749 (2018).
  КАС Статья Google ученый
14. Бард, А. Дж. и Фолкнер, Л. Р. Электрохимические методы: основы и приложения (John Wiley & Sons, Inc. , 2001).
15. Сюй, К. Неводные жидкие электролиты для аккумуляторных батарей на основе лития. Хим. Ред. 104 , 4303–4418 (2004 г.).
  КАС Статья Google ученый
16. Wang, W. et al. Стабильное циклирование высоковольтных литий-металлических аккумуляторов благодаря высококонцентрированному электролиту на основе FEC. Приложение ACS Матер. Интер. 12 , 22901–22909 (2020).
  КАС Статья Google ученый
17. Peng, Z. et al. Мощные литий-металлические батареи на основе высококонцентрированных электролитов на основе ацетонитрила с добавкой виниленкарбоната. Доп. Функц. Матер. 30 , 2001285 (2020).
  КАС Статья Google ученый
18. Кремер Л.С. и др. Влияние концентрации соли в электролите на скоростную способность сверхтолстых электродов NCM 622. Аккумуляторы Supercaps 3 , 1172–1182 (2020 г.).
  КАС Статья Google ученый
19. Zugmann, S. et al. Измерение чисел переноса для ионно-литиевых электролитов четырьмя различными методами, сравнительное исследование. Электрохим. Acta 56 , 3926–3933 (2011).
  КАС Статья Google ученый
20. Giffin, G. A., Moretti, A., Jeong, S. & Passerini, S. Отделение эффективной проводимости ионов Li+ от вязкости электролита для улучшения характеристик элемента при комнатной температуре. J. Источники питания 342 , 335–341 (2017).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
21. Заутер, К., Зан, Р. и Вуд, В. Понимание заполнения электролитом литий-ионных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 167 , 100546 (2020).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
22. Kim, G. T. et al. Использование натуральных связующих и ионных жидких электролитов для более экологичных и безопасных литий-ионных аккумуляторов. J. Источники питания 196 , 2187–2194 (2011).
  КАС Статья Google ученый
23. Чен, С. и др. Высоковольтные литий-металлические батареи с локализованными высококонцентрированными электролитами. Доп. Матер. 30 , 1706102 (2018).
  Артикул Google ученый
24. Knoche, T. et al. Визуализация на месте процесса заливки растворителя электролита методом нейтронной радиографии. J. Источники питания 331 , 267–276 (2016).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
25. «>
  Денг З. и др. Ультразвуковое сканирование для наблюдения за смачиванием и «несмачиванием» в литий-ионном пакете. Клеток Джоуль 4 , 2017–2029 (2020).
  КАС Статья Google ученый
26. Chen, X. & Zhang, Q. Атомное понимание фундаментальных взаимодействий в электролитах литиевых батарей. Согл. хим. Рез. 53 , 1992–2002 (2020).
  КАС Статья Google ученый
27. Fan, X. et al. Высокофторированные межфазные переходы позволяют использовать высоковольтный литий-металл. Батареи. хим. 4 , 174–185 (2018).
  КАС Google ученый
28. Beyene, T. T. et al. Концентрированный двухсолевой электролит для стабилизации металлического лития и увеличения срока службы безанодных литий-металлических аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 166 , A1501–A1509 (2019).
  КАС Статья Google ученый
29. Дроге Л., Гримо А., Фонтейн О. и Тараскон Ж.-М. Водно-солевой электролит (WiSE) для аккумуляторов на водной основе: долгий путь к практичности. Доп. Энергия Матер. 10 , 2002440 (2020).
  КАС Статья Google ученый
30. Ван, Ф. и др. Гибридный водный/неводный электролит для безопасных и высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Джоуль 2 , 927–937 (2018).
  КАС Статья Google ученый
31. Cheng, L. et al. Ускорение поиска электролитов для хранения энергии с помощью высокопроизводительного скрининга. J. Phys. хим. лат. 6 , 283–291 (2015).
  КАС Статья Google ученый
32. «>
  Дэйв А. и др. Автономное открытие аккумуляторных электролитов с помощью роботизированных экспериментов и машинного обучения. Cell Rep. 1 , 100264 (2020 г.).
  КАС Google ученый
33. Zheng, H. et al. Двухсолевые электролиты низкой концентрации на основе дифторфосфата лития для литий-металлических аккумуляторов. Доп. Энергия Матер. 10 , 2001440 (2020).
  КАС Статья Google ученый
34. Полманн, С. Показатели и методы перехода от исследований к инновациям в области накопления энергии. Нац. коммун. 13 , 1538 (2022).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
35. Лю Ю., Чжан Р., Ван Дж. и Ван Ю. Текущее и будущее производство литий-ионных аккумуляторов. iScience 24 , 102332 (2021).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ КАС Статья Google ученый
36. Crabtree, G. Объединенный центр исследований в области накопления энергии: новая парадигма исследований и разработок в области аккумуляторов. АИП Конф. проц. 1652 , 112–128 (2015).
  ОБЪЯВЛЕНИЕ Статья Google ученый
Загрузить ссылки
Добавка приводит к защитному поверхностному слою для катодов с высоким содержанием никеля, улучшая работу аккумуляторов при высоких напряжениях — ScienceDaily
Группа исследователей под руководством химиков из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) узнал, что добавка к электролиту обеспечивает стабильное высоковольтное циклирование слоистых катодов с высоким содержанием никеля. Их работа может привести к улучшению плотности энергии литиевых батарей, питающих электромобили.
Выводы, опубликованные 9 мая в журнале Nature Energy, , предлагают решение печально известных проблем деградации, возникающих в катодных материалах с высоким содержанием никеля, особенно при высоких напряжениях. Это исследование было проведено в рамках спонсируемого Министерством энергетики консорциума Battery500, который возглавляет Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Министерства энергетики США (PNNL) и работает над значительным увеличением плотности энергии литиевых батарей для электромобилей.
Ша Тан, соавтор и доктор философии. Кандидат в Университете Стоуни-Брук, проводивший исследования с группой электрохимического накопления энергии в Брукхейвенской лаборатории, первоначально изучал, как можно использовать добавку дифторфосфат лития (LiPO2F2) для улучшения низкотемпературных характеристик батарей. Из любопытства она попробовала использовать добавку для циклирования высокого напряжения при комнатной температуре.
«Я обнаружил, что если поднять напряжение до 4,8 вольта (В), эта добавка действительно обеспечивает отличную защиту катода, и батарея достигает отличных характеристик при циклировании», — сказал Тан.
Защитные электроды батареи
Батареи состоят из двух электрических выводов — электродов, называемых катодом и анодом, — которые разделены другим компонентом батареи — электролитом. Электроны проходят через внешнюю цепь, соединяющую два электрода, а ионы проходят через электролит. Оба переключаются между электродами во время циклов зарядки-разрядки.
реклама
Многослойные катодные материалы с высоким содержанием никеля обещают высокую плотность энергии для аккумуляторов следующего поколения в сочетании с литий-металлическими анодами. Но эти материалы склонны к потере емкости. Одной из основных проблем является растрескивание частиц во время циклов заряда-разряда высокого напряжения. Работа при высоком напряжении важна, потому что общая энергия, хранящаяся в аккумуляторе, которая важна для запаса хода автомобиля, увеличивается по мере увеличения полезного рабочего напряжения.
Другой проблемой является растворение переходного металла с катода и его последующее осаждение на аноде. По словам химика из Брукхейвена Эньюана Ху, руководившего исследованием, это известно как «перекрестные помехи» в сообществе аккумуляторных батарей. Во время высоковольтной зарядки небольшое количество переходных металлов в кристаллической решетке катода растворяется, затем проходит через электролит и осаждается на стороне анода. Когда это происходит, и катод, и анод разрушаются. Результат: плохое сохранение емкости аккумулятора.
Исследователи обнаружили, что введение небольшого количества добавки в электролит подавляет перекрестные помехи.
По мере разложения добавки образуются фосфат лития (Li3PO4) и фторид лития (LiF), образующие высокозащитную межфазную фазу катод-электролит — твердый тонкий слой, который образуется на катоде батареи во время циклирования.
«Формируя очень стабильную межфазную границу на катоде, этот защитный слой значительно снижает потери переходного металла на поверхности катода», — сказал Ху. «Уменьшение потерь переходных металлов помогает уменьшить осаждение этих переходных металлов на аноде. В этом смысле анод также в определенной степени защищен. Мы считаем, что подавление растворения переходных металлов является одним из ключевых факторов, которые приводят к значительному улучшение показателей езды на велосипеде».
Добавка к электролиту позволяет циклически использовать слоистый катод с высоким содержанием никеля при высоких напряжениях для увеличения плотности энергии и сохранения 97 процентов его первоначальной емкости после 200 циклов, как обнаружили исследователи.
Сохранение поликристаллического раствора
Но повышение производительности было не единственным впечатляющим результатом для исследователей, сказал Ху.
Самый распространенный катод, богатый никелем, имеет форму поликристаллов — агрегатов многих кристаллов нанометрового размера, также известных как первичные частицы, слипшихся вместе, чтобы сформировать более крупную вторичную частицу. Хотя это обещает относительно простой путь синтеза, поликристаллическую природу обычно обвиняют в том, что она вызывает растрескивание частиц и, в конечном итоге, снижение емкости.
Недавние исследования показали, что катоды на основе монокристаллов могут иметь преимущества перед поликристаллическими аналогами в подавлении образования трещин в частицах. Однако это исследование предполагает, что использование аддитивной инженерии также может эффективно решить проблему растрескивания поликристаллических материалов.
«Наша работа говорит о том, что поликристаллические материалы нельзя исключать из рассмотрения, особенно потому, что их легче изготовить, что может привести к более низкой стоимости». — сказал Ху.
Тан добавил: «В нашей стратегии используется очень небольшое количество добавки для достижения такого значительного улучшения электрохимических характеристик. С практической точки зрения, это может быть недорогим и простым в применении решением».
Забегая вперед, исследователи хотят протестировать добавку в более сложных условиях, чтобы выяснить, смогут ли катодные материалы выдержать еще большее количество циклов для практического использования батареи.
Расширенный анализ
Чтобы понять, как добавка разлагается и защищает поверхность катода, исследователи провели серию синхротронных экспериментов, сказал Тан.
Четыре линии пучка в Национальном источнике синхротронного света-II (NSLS-II), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в Брукхейвене, который генерирует сверхяркие рентгеновские лучи для изучения свойств материалов в атомном масштабе, сыграли разные роли в исследовании.
Ученые использовали канал быстрого рентгеновского поглощения и рассеяния (QAS), чтобы понять процесс растворения переходных металлов — как переходные металлы попадают на сторону анода.
Они использовали луч рентгеновской спектроскопии субмикронного разрешения (SRX) для изучения эффективности новой межфазной фазы в подавлении растворения переходного металла путем картирования количества переходного металла, осажденного на поверхности анода. Эти эксперименты показали, что граница раздела катод-электролит значительно препятствовала миграции переходных металлов к аноду, когда действовала добавка.
Исследователи также использовали линию пучка In Situ и Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS), чтобы охарактеризовать поверхность катода при введении добавки и обеспечить формирование надежной межфазной границы.
И они использовали рентгеновскую порошковую дифракцию (XPD), чтобы изучить кристаллическую структуру катода, чтобы увидеть, изменилась ли она за несколько циклов.
Кроме того, группа координировала свои действия в разных часовых поясах с учеными из Европейского центра синхротронного излучения в Гренобле, Франция. Там сотрудники использовали рентгеновские лучи, чтобы изучить морфологию и химический состав тысяч электродных частиц, что позволило ученым визуализировать дефекты и плотность энергии.
Для визуализации эволюции структуры поверхности катода во время циклирования и для компьютерного анализа исследователи обратились к возможностям Центра функциональных наноматериалов Брукхейвенской лаборатории. По словам Ху, эти визуальные и вычислительные исследования помогли команде определить механизм действия добавки.
«Этот проект требовал идеального сочетания передовых технологий и расширенного анализа на всех объектах, чтобы обеспечить решающее понимание воздействия этой добавки на различных уровнях, от частиц до электродов», — сказал Ху. «Анализ в исследовании предлагает статистически надежные и убедительные доказательства того, как это работает».
Помимо Тан, соавторами этого исследования также являются Зулипия Шадике из химического отдела Брукхейвенской лаборатории и Цзижоу Ли, научный сотрудник Национальной ускорительной лаборатории SLAC.
Исследователи также сотрудничали с экспертами из Исследовательской лаборатории армии США, PNNL, Стэнфордского источника синхротронного излучения, Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Вашингтонского университета в Сиэтле.
No related posts.