Прибор для измерения плотности электролита в аккумуляторе: Ареометр для измерения плотности электролита SPARTA 549125 — цена, отзывы, характеристики, фото

Ареометры для электролита

Измерение плотности жидкости в аккумуляторе — одна из важных стадий тестирования и диагностики батареи. Достаточно провести измерения ареометром, чтобы получить достоверные данные о состоянии электролита. Плотность жидкости важна по многим причинам. Одной из них является возможное прикасание свинцовых пластик друг к другу и их последующее разрешение. Снижается плотность электролита по многим причинам. Первая — это естественное изменение состояния с годами эксплуатации аккумуляторной батареи. Вторая — постоянное доливание дистиллированной воды в банки аккумулятора, что вызывает разжижение электролита, но сохраняет его уровень. Добавлять в банки серную кислоту или готовый электролит с других аккумуляторов не стоит — это только ускорит выход из строя батареи.

 

Если вы заметили серьезные проблемы с автомобильной батареей, воспользуйтесь диагностическими методами, известными с давних времен. Для диагностики вам потребуется ареометр, который измеряет плотность электролита и расскажет о состоянии аккумуляторной батареи.

Ниже в публикации мы рассмотрим, как пользоваться ареометром и как правильно читать данные, которые он предоставляет. Также рассмотрим особенности информации от этого прибора и возможные способы устранения неполадок, которые возникли.

 

Как пользоваться ареометром для измерения плотности жидкости в аккумуляторе?

 

Опустить прибор ареометр прямо в банки аккумулятора не представляется возможным, потому придется откачать немного электролита и проверить его плотность. Помните, что каждая банка аккумулятора работает независимо друг от друга, поэтому измерить плотность жидкости придется для всех присутствующих рабочих пространств. Откачать нужное количество жидкости в специальную колбу для последующего измерения можно с помощью любой трубки, один конец которой можно закрыть пальцем. Последовательность действий в данном случае будет следующей:

 

убедитесь, что трубка не расплавится под влиянием агрессивной среды — кислоты из аккумулятора;

вставьте часть трубки в банку, чтобы жидкость набралась внутрь и осталась на одном уровне во всей банке;

закройте пальцем верхнее отверстие трубки, поднимите набранную жидкость и слейте ее в колбу;

повторите этот процесс необходимое количество раз, чтобы получить нужное количество жидкости;

далее в колбу нужно опустить ареометр, дождаться его выравнивания и посмотреть на цифру, которая находится на линии поверхности жидкости;

эта цифра и будет означать плотность электролита в вашем аккумуляторе, которую вы ищете;

далее следует проделать эту процедуру со всеми банками аккумулятора, чтобы получить достоверную картину состояния батареи.

 

 

Будьте осторожны, выполняя эту процедуру, ведь вам придется работать с агрессивной кислотой, которая не должна попадать на участки кожу, в глаза или рот человека. Если даже небольшая частица попадет на вас, неприятные последствия вам гарантированы. Рекомендуем обезопасить себя качественными перчатками, устойчивыми против кислоты, а также хорошей колбой, которая не расплавится от воздействия агрессивных веществ. С помощью ареометра вы только получите определенные данные о состоянии вашего аккумулятора, а вот правильно интерпретировать и использовать их — это непростая задача, которая требует специализированных знаний.

 

Уровень и плотность электролита — два важных фактора хорошей работы батареи

 

Автомобильный аккумулятор работает без перебоев и проблем, если плотность электролита при +25 градусах по Цельсию равна 1.28 г/см3. Это значение имеют все новые батареи, которые не работали на автомобилях и обладают заводской сертификацией.

Если же плотность в одной из банок ниже, можно предположить, что в этой части аккумулятора произошло короткое замыкание, свинцовые пластины прикоснулись друг к другу, что вызвало поломку аккумуляторной батареи. Если плотность жидкости ниже нормы во всем аккумуляторе, это свидетельствует о таких  возможных проблемах:

 

батарея глубоко разряжена, она не может дальше выполнять свои функции в полноценном режиме;

аккумулятор прошел через стадию сульфитации, получил определенные проблемы в химической реакции;

батарея прошла через чрезмерный износ при отказе генератора и работе двигателя только на аккумуляторе;

АКБ просто устарела и нуждается в замене по причине слишком высокого возрасте и большого износа;

автомобильный аккумулятор был произведен изготовителем, который не проверяет качество продукции;

перед вами не заводской аккумулятор, а подделка, которая не предоставляет особой надежности.

 

 

Любые проблемы можно решить, а самым популярным решением задачи слишком малой плотности электролита является зарядка аккумулятора. Если получится повысить плотность путем зарядки, значит АКБ еще сможет определенное время послужить. После зарядки несколько снижается уровень электролита в банках, потому может понадобится доливка дистиллированной водой после выполнения нескольких этапов заряда. Низкий уровень электролита вызывает прикосновение свинцовых элементов и значительное увеличение риска выхода из строя всей аккумуляторной батареи. Потому следите за уровнем жидкости в банках, если ваш аккумулятор позволяет производить обслуживание.

 

Когда стоит поменять батарею и не выполнять ее ремонт и попытки зарядки?

 

Сегодня популярным трендом среди производителей аккумуляторных батарей является изготовление АКБ, которые невозможно обслужить. Речь идет даже о сложности зарядки аккумулятора, не говоря о проблемах с измерением плотности внутренней среды. Такие батареи не обладают отверстиями для изучения внутренней части аккумулятора. Зачастую это не позволяет получить необходимые условия для обнаружения проблем батареи, что вызывает необходимость менять аккумулятор на новый. Конечно, для производителя это наиболее выгодный вариант. Замена автомобильной батареи обязательно в таких случаях:

 

разрядился гелевый аккумулятор — такие виды батарей никак не обслуживаются и не заряжаются;

произошел полный глубокий разряд из-за отказа генератора, аккумулятор перестал брать заряд при подключении устройства;

жидкость в банках аккумулятора выглядит мутной — посыпались свинцовые пластины, которые невозможно восстановить;

уровень электролита начал активно и постоянно падать, что вызывает отказ батареи в нормальной работе;

обслуживание аккумулятора невозможно по причине отсутствия пробок для отвинчивания верхних частей банок;

аккумулятор разгерметизировался, электролит начал вытекать из него прямо в моторный отсек.

 

 

Не допускайте вытекания электролита внутри подкапотного пространства, ведь это может вызвать возгорание проводки или автомобильной резины. Будьте осторожны с любыми проявлениями взаимодействия с кислотой, поскольку во многих АКБ залита невероятно гремучая смесь кислот, которая точно не сделает вашу кожу мягкой и шелковистой. Пользуясь ареометром и другими средствами проверки автомобильной батареи, стоит помнить о возможных проблемах и неполадках, которые нельзя исправить. Потому в любом случае следует готовиться к покупке нового аккумулятора, как только старый начал показывать характер. Смотрите видео с рекомендациями по замеру плотности электролита в аккумуляторе:

 

Подводим итоги

 

Качественные аккумуляторы способны предоставить до 8-9 лет службы без проблем и перебоев. Тем не менее, нужно обращать внимание на особенности работы батареи, заряжать ее при необходимости и проводить обслуживание электролита и внутреннего пространства АКБ. Как только вы начнете следить за всеми этими особенностями, вы сможете защитить батарею от непредвиденных проблем с изменением состояния жидкости и прочими проблемами.

 

Купив качественную аккумуляторную батарею для автомобиля, вы получите отличную работу оборудования и сможете без лишних сложностей пользоваться аккумулятором очень долгое время. Но если вы заметили смертельную неисправность в АКБ вашего автомобиля, следует срочно проехать в специализированный магазин и приобрести новую батарею. Только так можно обезопасить себя от несвоевременного выхода из строя источника питания. А вы когда-нибудь замеряли плотность электролита в аккумуляторе вашего автомобиля?

Каталог аксессуаров Ареометры для электролита »

Автомобильный ареометр. Проверка плотности электролита в АКБ автомобиля

Ареометр — прибор для измерения плотности жидкостей, принцип работы которого основан на Законе Архимеда. Считается, что ареометр изобрела Гипатия!

С приходом зимы в наши края, температура падает до отрицательных значений. Чем ниже температура окружающего воздуха, тем больше зависит от качества масла ( от его вязкости) старт холодного двигателя.

Так же необходимым условием удачного холодного старта двигателя является качество зарядки автомобильного аккумулятора. Для того чтобы АКБ всегда показывал хорошие результаты, необходимо всегда следить за уровнем электролита внутри него, а также за его плотностью.

Ареометр – устройство проверки плотности электролита.

Из инструкции к ареометру:

Для измерения плотности жидкости ареометром постоянной массы сухой и чистый ареометр помещают в сосуд с этой жидкостью так, чтобы он свободно плавал в нем. Значения плотности считывают по шкале ареометра, по нижнему краю мениска.

Ареометр представляет собой прибор, который предназначен для определения плотности вещества. С увеличением спроса на обслуживаемые аккумуляторы,среди автомобилистов снова увеличился спрос и на этот прибор. Обслуживаемые аккумуляторы стоят дешевле не обслуживаемых, поэтому спрос на ареометры по-прежнему будет высок.

Обычно ареометр применяют вместе с комплексом мероприятий, направленных на диагностику системы питания автомобиля. Поэтому рекомендуем Вам ознакомиться о том, как правильно заряжать автомобильный аккумулятор, как проверить напряжение на аккумуляторной батарее, и почему автомобильную АКБ более эффективно заряжать зарядным устройством.

Обычно на ареометре уже нанесена шкала сведений и показаний, единственное, что Вам потребуется узнать – правильное соотношение плотности конкретно для Вашего региона проживания.

Принцип действия ареометра

Ареометр по своему принципу действия напоминает поплавок, на теле которого нанесена градуированная шкала. С помощью баллона, который по своему принципу действия напоминает клизму, Вам необходимо засосать внутрь колбы электролит через пробку на автомобильном аккумуляторе.  Для этого Вам необходимо просунуть  нижний край через пробку, с помощью резиновый накладки сверху ареометра засосать необходимую дозу электролита, а после сопоставить по поплавку плотность.

Для точности измерения необходимо чтобы ареометр свободно плавал внутри колбы.  Уровень соприкосновения жидкости и ареометра должен соответствовать значению плотности электролита Вашего аккумулятора. Так же, используя ареометр, можно проверить и плотность Тосола (температуру замерзания жидкости Тосола при нулевой температуре).

Для точности измерений температура окружающего воздуха должна быть в пределе 20 градусов. Если температурный режим измерения нарушен, то и точность определения плотности электролитом будет не высока. В таком случае, придется нести аккумулятор домой или в теплый бокс.

Безопасность при измерении ареометром

Так как электролит – это кислота, то не лишним будет напомнить о мерах предосторожности. Кислота – это агрессивная среда, которая разъедает и портит одежду, а при попадании на тело человека, может с легкостью вызвать химический ожог. Так же недопустимо попадание электролита в глаза. Поэтому при работе с ареометром необходимо соблюдать меры предосторожности, такие как работа в перчатках и в специальных защитных очках.

В случае попадания электролита на кожу, необходимо сразу промыть поврежденный участок водой. Ни в коем случае не использовать для нейтрализации электролита соду. Это только приведет к увеличению степени ожога. Если боль не прекращается, то следует немедленно обратиться к врачу!

Ареометр АЭ-3 1000-1120

Ареометр для электролита АЭ-3 1000-1120

Ареометр для электролита АЭ-3 предназначен для определения плотности электролита в кислотных и щелочных аккумуляторах. Во многих аккумуляторах в качестве электролита используется концентрированная серная кислота, едкий калий (КОН), едкий натрий (NaOH) и др. Измерять плотность электролита в аккумуляторе очень важно при обслуживании аккумуляторных батарей, например, при их разрядке.

Ареометр АЭ-3 полностью соответствует ГОСТ 18481-81 «Ареометры и цилиндры стеклянные. Общие технические условия».

Ареометр стеклянный для аккумулятора широко применяется в автомастерских, на СТО автомобилей, на автотранспортных предприятиях, в частных гаражах. Также такой ареометр применяется в промышленных лабораториях для контроля качества продукции и для исследовательских работ.

Часто автомобилисты сталкиваются с такой проблемой, когда в емкостях аккумулятора становится недостаточно жидкости и необходимо долить дистиллированную воду. Но сколько воды нужно долить? Если долить слишком много, то плотность электролита резко уменьшится, и батарея перестанет держать зарядку или вовсе станет нерабочей. Такая проблема решается с помощью ареометра АЭ-3, который позволяет быстро и легко измерить плотность электролита и оперативно принять меры по приведению уровня плотности к нормальному значению.

Также рекомендуем рассмотреть ареометры АЭ-1 и АЭ-2: у них другие диапазоны измерения плотности – выбирайте такой диапазон, который наиболее точно соответствует вашим потребностям.

Ареометр АЭ-3 представляет собой цилиндрический прибор, выполненный из прозрачного стекла. В верхней части прибора находится шкала, в нижней – балласт для вертикального погружения ареометра в исследуемую жидкость. Для определения плотности электролита сухой и чистый ареометр помещают в емкость с измеряемой жидкостью. Чем меньше плотность жидкости, тем глубже измеритель в нее погружается, поэтому верхние деления шкалы соответствует наименьшей, а нижние — наибольшей плотности. Показания следует отсчитывать по нижнему мениску.

Хранить и транспортировать ареометр для аккумулятора следует в вертикальном положении балластом вниз. Любые случайные удары могут привести к трещинам и повреждению столбика жидкости в термометре, поэтому обращаться с измерителем следует бережно и аккуратно.

Специальные предложения плотномер электролита рядом со мной и бесплатная доставка

ПЕРСОНАЛ

Код

0_ Технологии будущего, будь то носимые устройства, устройства Интернета вещей, интеллектуальные счетчики или электромобили. состоит из двух электродов, разделенных ионопроницаемой мембраной (сепаратором), и электролита, соединяющего оба электролита.

1_ Отсутствие подходящих доноров для всех программ трансплантации твердых органов усугубляется при трансплантации легких из-за низкого использования легких потенциальных доноров, в первую очередь из-за повреждения легкого донора и.

2_ Одним из таких источников рассола являются солончаки Салар-де-Уюни на юго-западе Боливии у вершины Анд (на высоте почти 12000 футов или 3700 метров над уровнем моря) и электролит. Сегодня в большинстве батарей используется.

3_ Высокоэнергетический- Плотность твердотельной литий-металлической батареи может быть улучшена путем использования сложных гидридов в твердом электролите. (Источник изображения: Sangryun Kim и Shin-ichi Orimo) High Ionic.

4_ Влияние аниона вспомогательного электролита на толщину PSS / Многослойные пленки ПАУ и их проницаемость для электроактивного зонда.

5_ Аккумуляторные батареи — это технология, которая используется нами уже более века, и в настоящее время проводится огромное количество исследований с целью повышения плотности энергии как для мобильных устройств, так и для других устройств.

6_ При производстве катода исследователи разработали способ проникновения твердого полимерного электролита в заводской электрод из фторида железа. Затем они прижали всю конструкцию горячим способом.

7_ Топливные элементы имеют ряд преимуществ по сравнению с обычными батареями, такие как гораздо более высокая плотность энергии и меньшее воздействие на окружающую среду.До сих пор производство полимерного электролита.

8_ Твердотельные батареи заменяют жидкий электролит и сепаратор твердым материалом. Эта технология «уплотнит материалы в ячейке и увеличит напряжение ячейки, что приведет к

9_ Они создали твердотельную батарею с полностью кремниевым анодом, которая потенциально может обеспечить долгий срок службы, высокую плотность энергии и высокую скорость. с жидкими электролитами, которые в настоящее время используются в литии.

Плотномер электролита

17.5 Батареи и топливные элементы — Химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Батареи классифицируются как первичные или вторичные
• Перечислите некоторые характеристики и ограничения аккумуляторов
• Дайте общее описание топливного элемента

Батарея представляет собой электрохимический элемент или серию элементов, вырабатывающих электрический ток. В принципе, в качестве аккумулятора можно использовать любой гальванический элемент.Идеальная батарея никогда не разряжалась бы, не вырабатывала постоянного напряжения и была способна выдерживать экстремальные температуры и влажность окружающей среды. Настоящие аккумуляторы обеспечивают баланс между идеальными характеристиками и практическими ограничениями. Например, масса автомобильного аккумулятора составляет около 18 кг или около 1% от массы среднего автомобиля или малотоннажного грузовика. Этот тип батареи будет обеспечивать почти неограниченное количество энергии, если используется в смартфоне, но будет отклонен для этого приложения из-за своей массы. Таким образом, ни одна батарея не является «лучшей», и батареи выбираются для конкретного применения с учетом таких вещей, как масса батареи, ее стоимость, надежность и текущая емкость.Батареи бывают двух основных типов: первичные и вторичные. Далее описаны несколько батарей каждого типа.

Посетите этот сайт, чтобы узнать больше об аккумуляторах.

Первичные батареи — это одноразовые батареи, потому что они не подлежат перезарядке. Обычная первичная батарея — это сухой элемент (рис. 1). Сухой элемент представляет собой угольно-цинковую батарею. Цинк может служить как контейнером, так и отрицательным электродом. Положительный электрод представляет собой стержень из углерода, окруженный пастой из оксида марганца (IV), хлорида цинка, хлорида аммония, углеродного порошка и небольшого количества воды.{-} [/ latex] с общим потенциалом элемента, который изначально составляет около 1,5 В, но уменьшается по мере использования батареи. Важно помнить, что напряжение, подаваемое батареей, одинаково независимо от ее размера. По этой причине все батареи D, C, A, AA и AAA имеют одинаковое номинальное напряжение. Однако более крупные батареи могут доставить больше молей электронов. Поскольку цинковый контейнер окисляется, его содержимое в конечном итоге вытекает, поэтому этот тип батареи не следует оставлять в каком-либо электрическом устройстве на длительное время.

Рис. 1. На схеме показано поперечное сечение батареи фонарика, углеродно-цинкового сухого элемента.

Посетите этот сайт, чтобы узнать больше о угольно-цинковых батареях.

Щелочные батареи (рис. 2) были разработаны в 1950-х годах отчасти для решения некоторых проблем с производительностью сухих цинк-углеродных элементов. Они производятся, чтобы быть точной заменой сухих угольно-цинковых элементов. Как следует из названия, в этих типах батарей используются щелочные электролиты, часто гидроксид калия.{\ circ} = +1.43 \; \ text {V} \ end {array} [/ latex]

Щелочная батарея может обеспечивать в три-пять раз больше энергии, чем угольно-цинковые сухие элементы аналогичного размера. Щелочные батареи склонны к утечке гидроксида калия, поэтому их также следует снимать с устройств для длительного хранения. Некоторые щелочные батареи можно перезаряжать, но большинство — нет. Попытки перезарядить щелочную батарею, которая не является перезаряжаемой, часто приводят к разрыву батареи и утечке электролита гидроксида калия.

Рис. 2. Щелочные батареи были разработаны как прямая замена угольно-цинковым (сухим) батареям.

Посетите этот сайт, чтобы узнать больше о щелочных батареях.

Вторичные батареи перезаряжаемые. Это типы батарей, которые используются в таких устройствах, как смартфоны, электронные планшеты и автомобили.

Никель-кадмиевые батареи или NiCd (рис. 3) состоят из никелированного катода, кадмиевого анода и электрода из гидроксида калия.{-} (aq) \\ [0.5em] \ hline \\ [- 0.25em] \ text {total:} & \ text {Cd} (s) \; + \; \ text {NiO} _2 (s) \; + \; 2 \ text {H} _2 \ text {O} (l) & \ text {Cd (OH)} _ 2 (s) \; + \; \ text {Ni (OH)} _ 2 (s) \ end {array} [/ latex]

Напряжение составляет от 1,2 В до 1,25 В по мере разряда батареи. При правильном обращении никель-кадмиевый аккумулятор можно заряжать около 1000 раз. Кадмий — это токсичный тяжелый металл, поэтому никель-кадмиевые батареи нельзя открывать или выбрасывать в обычный мусор.

Рис. 3. Никель-кадмиевые батареи имеют конструкцию «желейно-роликовую», которая значительно увеличивает ток, который может выдать батарея, по сравнению с щелочной батареей аналогичного размера.{-} \; + \; x \; \ text {C} _6 & x \; \ text {LiC} _6 \\ [0.5em] \ hline \\ [- 0.25em] \ text {total:} & \ текст {LiCoO} _2 \; + \; x \; \ text {C} _6 & \ text {Li} _ {x \; — \; 1} \ text {CoO} _2 \; + \; x \; \ текст {LiC} _6 \ end {array} [/ latex]

С коэффициентами, представляющими моль, x составляет не более примерно 0,5 моля. Напряжение батареи составляет около 3,7 В. Литиевые батареи популярны, потому что они могут обеспечивать большой ток, легче, чем сопоставимые батареи других типов, вырабатывают почти постоянное напряжение при разряде и медленно теряют заряд при хранении.

Рис. 4. В литий-ионной батарее заряд проходит между электродами, когда ионы лития перемещаются между анодом и катодом.

Посетите этот сайт для получения дополнительной информации о литий-ионных батареях. {- } \\ [0.{-} & \ text {PbSO} _4 (s) \; + \; 2 \ text {H} _2 \ text {O} (l) \\ [0.5em] \ hline \\ [- 0.25em] \ text {общее:} & \ text {Pb} (s) \; + \; \ text {PbO} _2 (s) \; + \; 2 \ text {H} _2 \ text {SO} _4 (aq) & 2 \ text {PbSO} _4 (s) \; + \; 2 \ text {H} _2 \ text {O} (l) \ end {array} [/ latex]

Каждая ячейка выдает 2 В, поэтому шесть ячеек соединены последовательно, чтобы получить 12-вольтовый автомобильный аккумулятор. Свинцово-кислотные батареи тяжелые и содержат едкий жидкий электролит, но часто по-прежнему являются предпочтительными батареями из-за их высокой плотности тока. Поскольку эти батареи содержат значительное количество свинца, их всегда необходимо утилизировать надлежащим образом.

Рис. 5. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея в вашем автомобиле состоит из шести последовательно соединенных ячеек, обеспечивающих напряжение 12 В. Их низкая стоимость и высокий выходной ток делают их отличными кандидатами для питания автомобильных стартеров. {-} \\ [0.{2-} \\ [0.5em] \ hline \\ [- 0.25em] \ text {total:} & 2 \ text {H} _2 \; + \; \ text {O} _2 & 2 \ text {H } _2 \ text {O} \ end {array} [/ latex]

Напряжение составляет около 0,9 В. КПД топливных элементов обычно составляет от 40% до 60%, что выше, чем у обычного двигателя внутреннего сгорания (от 25% до 35%), и в случае водородного топливного элемента дает только вода в качестве выхлопа. В настоящее время топливные элементы довольно дороги и содержат функции, которые приводят к их выходу из строя через относительно короткое время.

Перейдите по этой ссылке, чтобы узнать больше о топливных элементах.

Батареи — это гальванические элементы или серия элементов, вырабатывающих электрический ток. Когда элементы объединяются в батареи, потенциал батареи является целым числом, кратным потенциалу отдельной ячейки. Батареи бывают двух основных типов: первичные и вторичные. Первичные батареи предназначены для одноразового использования и не подлежат перезарядке. Сухие элементы и (большинство) щелочные батареи являются примерами первичных батарей. Второй тип перезаряжаемый и называется вторичным аккумулятором. Примеры вторичных батарей включают никель-кадмиевые (NiCd), свинцово-кислотные и литий-ионные батареи.Топливные элементы похожи на батареи в том, что они генерируют электрический ток, но требуют постоянного добавления топлива и окислителя. Водородный топливный элемент использует водород и кислород из воздуха для производства воды и обычно более эффективен, чем двигатели внутреннего сгорания.

Химия: упражнения в конце главы

1. Каковы желаемые качества электрической батареи?
2. Перечислите некоторые вещи, которые обычно учитываются при выборе батареи для нового приложения.
3. Рассмотрим батарею, состоящую из одного полуэлемента, состоящего из медного электрода в растворе 1 M CuSO ₄ и другого полуэлемента, состоящего из свинцового электрода в 1 M Pb (NO ₃ ) ₂ раствор. {\ circ} = -0.{\ circ} = +0,53 \; \ text {V} \ end {array} [/ latex]

   Подойдет ли этот аккумулятор для смартфонов? Почему или почему нет?

4. Почему батареи выходят из строя, а топливные элементы — нет?
5. Объясните, что происходит с напряжением батареи при использовании батареи, используя уравнение Нернста.
6. Используя информацию, полученную до сих пор в этой главе, объясните, почему электроника с батарейным питанием плохо работает при низких температурах.

Глоссарий

щелочная батарея

первичная батарея, в которой используется щелочной (часто гидроксид калия) электролит; спроектирован так, чтобы быть точной заменой сухого элемента, но с большим накоплением энергии и меньшей утечкой электролита, чем типичный сухой элемент

аккумулятор

гальванический элемент или серия ячеек, вырабатывающих ток; по идее любой гальванический элемент

сухая камера

первичная батарея, также называемая угольно-цинковой батареей; может использоваться в любой ориентации, поскольку в качестве электролита используется паста; имеет тенденцию к утечке электролита при хранении

топливный элемент

устройства, вырабатывающие электрический ток при непрерывной добавке топлива и окислителя; эффективнее двигателей внутреннего сгорания

свинцово-кислотный аккумулятор

аккумуляторная батарея, состоящая из нескольких ячеек; свинцово-кислотный аккумулятор, используемый в автомобилях, имеет шесть ячеек и напряжение 12 В

литий-ионный аккумулятор

очень популярная аккумуляторная батарея; использует ионы лития для проведения тока, легкий, перезаряжаемый и создает почти постоянный потенциал при разряде

никель-кадмиевый аккумулятор

Аккумулятор

(никель-кадмиевый аккумулятор), в котором используется кадмий, который является токсичным тяжелым металлом; тяжелее литий-ионных батарей, но с аналогичными характеристиками

первичная батарея

одноразовый неперезаряжаемый аккумулятор

аккумулятор

аккумулятор с возможностью подзарядки

Решения

Ответы на упражнения в конце главы по химии

2. {\ circ} = 0.{\ circ} = 0,7996 \; \ text {V} \ end {array} [/ latex]; (б) 3,5 × 10 ¹⁵ ; (в) 5.6 × 10 ⁻⁹ M

6. Батареи автономны и имеют ограниченный запас реагентов, которые нужно израсходовать до того, как они сойдут с мертвой точки. В качестве альтернативы, побочные продукты реакции аккумулятора накапливаются и мешают реакции. Поскольку топливный элемент постоянно пополняется реагентами, а продукты удаляются, он может продолжать работать до тех пор, пока поступают реагенты.

8. E _Ячейка , как описано в уравнении Нернста, имеет член, прямо пропорциональный температуре.При низких температурах этот член уменьшается, что приводит к более низкому напряжению элемента, подаваемому батареей на устройство — тот же эффект, что и разряженная батарея.

Новый электролит аккумуляторной батареи — это все, что он треснул до

На снимках рентгеновской томографии, сделанных в Брукхейвенской национальной лаборатории, видно растрескивание частицы на одном электроде аккумуляторной батареи, в которой использовался обычный электролит (слева). Исследователи обнаружили, что новый электролит предотвратил большую часть этого растрескивания (справа).Изображение предоставлено исследователями. Литий-ионные аккумуляторы

сделали возможным создание легких электронных устройств, портативность которых мы сейчас считаем само собой разумеющейся, а также быстрое распространение электромобилей. Но исследователи во всем мире продолжают раздвигать границы для достижения все большей плотности энергии — количества энергии, которое может храниться в данной массе материала — с целью повышения производительности существующих устройств и, возможно, открытия новых приложений, таких как как дроны дальнего действия и роботы.

Одним из многообещающих подходов является замена обычного графитового катода металлическим сплавом, так как это обеспечивает более высокое зарядное напряжение. Однако этим усилиям препятствуют различные нежелательные химические реакции, которые происходят с электролитом, разделяющим электроды. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) и других организаций нашла новый электролит, который преодолевает эти проблемы и может позволить значительно увеличить удельную мощность батарей следующего поколения без ущерба для срока службы.

Об исследовании сообщается в статье Nature Energy профессоров Массачусетского технологического института Джу Ли, Ян Шао-Хорн и Джереми Джонсон, постдока Вэйцзян Сюэ и 19 других сотрудников Массачусетского технологического института, двух национальных лабораторий и других организаций. Исследователи говорят, что их открытие может позволить литий-ионным батареям, которые теперь обычно могут хранить около 260 ватт-часов на килограмм, хранить около 420 ватт-часов на килограмм. Это приведет к увеличению пробега электромобилей и более длительным изменениям портативных устройств.

Основное сырье для этого электролита недорогое (хотя одно из промежуточных соединений по-прежнему является дорогостоящим из-за ограниченного использования), а процесс его получения прост. Таким образом, этот прогресс может быть реализован относительно быстро, говорят исследователи.

Электролит сам по себе не нов, объясняет Джонсон, профессор химии, поскольку он был разработан несколько лет назад некоторыми членами исследовательской группы для другого применения. Это было частью усилий по разработке литий-воздушных батарей, которые рассматриваются как окончательное долгосрочное решение для максимального увеличения плотности энергии батарей.Но есть еще много препятствий, стоящих перед разработкой таких батарей, до которой, возможно, еще потребуются годы. Между тем, применение того же электролита к литий-ионным батареям с металлическими электродами оказывается чем-то, чего можно добиться гораздо быстрее.

«По-прежнему нет ничего, что позволяло бы создать хорошую перезаряжаемую литий-воздушную батарею», — говорит Джонсон. Однако «мы разработали эти органические молекулы, которые, как мы надеялись, могут обеспечить стабильность по сравнению с существующими жидкими электролитами, которые используются.Они разработали три различных состава на основе сульфонамида, которые, как они обнаружили, достаточно устойчивы к окислению и другим эффектам разложения. Затем, работая с группой Ли, постдок Сюэ решил попробовать этот материал с более стандартными катодами.

Тип аккумуляторного электрода, который они использовали с этим электролитом, оксид никеля, содержащий некоторое количество кобальта и марганца, «является рабочей лошадкой в ​​современной индустрии электромобилей», — говорит Ли, профессор ядерной науки и техники, материаловедения и инженерии.

Поскольку материал электрода анизотропно расширяется и сжимается при зарядке и разряде, это может привести к растрескиванию и ухудшению рабочих характеристик при использовании с обычными электролитами. Но в экспериментах, проведенных в сотрудничестве с Брукхейвенской национальной лабораторией, исследователи обнаружили, что использование нового электролита резко снизило эти деградации коррозионного растрескивания под напряжением.

Стандартный жидкий электролит растворяет атомы металла в сплаве, что приводит к потере массы и растрескиванию.Напротив, новый электролит чрезвычайно устойчив к такому растворению. Глядя на данные испытаний в Брукхейвене, Ли говорит, что «было шоком увидеть, что если вы просто замените электролит, все эти трещины исчезнут». Они обнаружили, что морфология материала электролита намного прочнее, а переходные металлы «просто не обладают такой высокой растворимостью» в этих новых электролитах.

Это была удивительная комбинация, говорит он, потому что материал по-прежнему легко пропускает ионы лития — важный механизм, с помощью которого батареи заряжаются и разряжаются — при этом блокируя проникновение других катионов, известных как переходные металлы.Накопление нежелательных соединений на поверхности электрода после многих циклов зарядки-разрядки уменьшилось более чем в десять раз по сравнению со стандартным электролитом.

«Электролит химически устойчив к окислению высокоэнергетических материалов, богатых никелем, предотвращая разрушение частиц и стабилизируя положительный электрод во время цикла», — объясняет Шао-Хорн, профессор машиностроения, материаловедения и инженерии. «Электролит также обеспечивает стабильное и обратимое снятие и покрытие металлического лития, что является важным шагом на пути к созданию перезаряжаемых литий-металлических батарей с энергией, в два раза превышающей энергию современных литий-ионных батарей. Это открытие станет катализатором дальнейшего поиска электролитов и разработки жидких электролитов для литий-металлических батарей, способных конкурировать с батареями с твердотельными электролитами ».

Следующим шагом будет масштабирование производства, чтобы сделать его доступным. «Мы делаем это за одну очень простую реакцию из легко доступных коммерческих исходных материалов», — говорит Джонсон. Прямо сейчас, добавляет он, соединение-предшественник, используемое для синтеза электролита, дорого, но «я думаю, что если мы сможем показать миру, что это отличный электролит для бытовой электроники, мотивация к дальнейшему увеличению масштабов производства поможет снизить цену». .”

Поскольку это, по сути, «прямая» замена существующего электролита и не требует перепроектирования всей аккумуляторной системы, ее можно было бы быстро внедрить и ввести в продажу в течение пары лет. «Нет никаких дорогих элементов, это только углерод и фтор. Так что это не ограничено ресурсами, это просто процесс, — говорит Ли.

Этот рассказ адаптирован из материала MIT с редакционными изменениями, внесенными Materials Today. Взгляды, выраженные в этой статье, не обязательно отражают точку зрения Elsevier.Ссылка на первоисточник.

Explainer: Как твердотельные батареи улучшат электромобили?

Мужчина проходит мимо логотипа Toyota на Токийском автосалоне в Токио, Япония, 24 октября 2019 г. REUTERS / Edgar Su / Фото из файла

Зарегистрируйтесь сейчас и получите БЕСПЛАТНЫЙ неограниченный доступ к reuters.com

Зарегистрироваться

TOKYO / СИНГАПУР, 7 сентября (Рейтер) — Твердотельные батареи могут изменить правила игры для электромобилей, поскольку они накапливают больше энергии, заряжаются быстрее и обеспечивают большую безопасность, чем жидкие литий-ионные батареи, помогая ускорить переход от использования ископаемого топлива. машины.

чем они отличаются от жидких литий-ионных аккумуляторов?

В твердотельных батареях используются тонкие слои твердых электролитов, которые переносят ионы лития между электродами.

Зарегистрируйтесь сейчас и получите БЕСПЛАТНЫЙ неограниченный доступ к reuters.com

Зарегистрироваться

Литий-ионные (литий-ионные) батареи используют жидкие электролиты и имеют сепараторы, которые предотвращают контакт положительного электрода с отрицательным электродом. подробнее

В настоящее время твердотельные батареи используются в таких устройствах, как кардиостимуляторы и умные часы.

До массового производства этих аккумуляторов для электромобилей, по мнению экспертов, от трех до пяти лет.

КАКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ТВЕРДЫХ АККУМУЛЯТОРОВ?

Они, вероятно, будут более безопасными и стабильными, чем жидкие литий-ионные батареи, в которых электролит летуч и воспламеняется при высоких температурах. Это делает электромобили, в которых используются литий-ионные аккумуляторы, более уязвимыми к пожарам и утечкам химических веществ.

Повышенная стабильность означает более быструю зарядку и снижает потребность в громоздком защитном оборудовании.

Они могут удерживать больше энергии, чем жидкие литий-ионные аккумуляторы, помогая ускорить переход с бензиновых автомобилей на электромобили, поскольку водителям не нужно будет так часто останавливаться, чтобы зарядить свои автомобили.

ПОЧЕМУ ТРУДНО ПРОИЗВОДИТЬ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ?

Автопроизводители и технологические компании производили твердотельные литий-ионные аккумуляторные батареи по одному в лаборатории, но пока не смогли масштабировать их до массового производства.

Трудно сконструировать твердый электролит, который был бы стабильным, химически инертным и все же хорошо проводил бы ионы между электродами.Они дороги в изготовлении и склонны к растрескиванию из-за хрупкости электролитов, когда они расширяются и сжимаются во время использования.

В настоящее время производство твердотельного элемента обходится примерно в восемь раз дороже, чем жидкий литий-ионный аккумулятор, считают эксперты.

КТО ПЫТАЕТСЯ ИХ СДЕЛАТЬ?

Японская Toyota Motor Corp (7203.T) — один из лидеров по массовому производству твердотельных аккумуляторов. Он заявил, что борется с их коротким сроком службы, но все еще намерен начать их производство к середине 2020-х годов.подробнее

В дополнение к собственным исследованиям Toyota, она объединилась с японской корпорацией Panasonic (6752.T) для разработки этих силовых агрегатов с их предприятием Prime Planet Energy & Solutions Inc.

Пройдя за ними по пятам, немецкий Volkswagen (VOWG_p.DE) инвестировал в поддерживаемую Биллом Гейтсом американскую компанию по производству аккумуляторов QuantumScape Corp (QS.N), которая намерена в 2024 году представить свою батарею для электромобилей VW и, в конечном итоге, для других автопроизводителей.

VW заявляет, что аккумулятор будет предлагать примерно на 30% больший запас хода по сравнению с жидким аккумулятором и заряжаться до 80% емкости за 12 минут, что вдвое меньше, чем у самых быстрых литий-ионных аккумуляторов, доступных в настоящее время.

Stellantis (STLA.MI), образованная в январе в результате слияния итальянско-американского автопроизводителя Fiat Chrysler и французской PSA, владеет предприятием под названием Automotive Cells Co с TotalEnergies (TTEF.PA) и партнерством с китайской Contemporary Amperex Technology Co Ltd. (CATL) (300750.SZ). Stellantis намеревается представить твердотельные батареи к 2026 году. Подробнее

Ford Motor Co (FN) и BMW AG (BMWG.DE) инвестировали в стартап Solid Power, который заявляет, что его твердотельная технология может обеспечить на 50% больше удельной энергии чем нынешние литий-ионные батареи.Ford рассчитывает сократить расходы на аккумуляторные батареи на 40% к середине десятилетия. подробнее

Южнокорейский Hyundai Motor (005380.KS), инвестировавший в стартап SolidEnergy Systems, планирует массовое производство твердотельных аккумуляторов в 2030 году. подробнее

Samsung SDI Co Ltd (006400.KS), дочерняя компания Компания Samsung Electronics Co Ltd (005930.KS) работает над разработкой твердотельных аккумуляторов.

Лидер рынка электромобилей Tesla Inc (TSLA.O) до сих пор не заявила, что хочет разрабатывать или использовать твердотельные элементы в своих автомобилях.

Зарегистрируйтесь сейчас и получите БЕСПЛАТНЫЙ неограниченный доступ к reuters.com

Зарегистрируйтесь

Отчетность Саятани Гош в Сингапуре и Тим Келли в Токио; Под редакцией Эдмунда Блэра

Наши стандарты: принципы доверия Thomson Reuters.

Глоссарий по солнечной энергии | Министерство энергетики

S

жертвенный анод — кусок металла, закопанный рядом с конструкцией, которая должна быть защищена от коррозии. Металл расходуемого анода предназначен для коррозии и уменьшения коррозии защищаемой конструкции.

Спутниковая энергосистема (SPS) — Концепция обеспечения большого количества электроэнергии для использования на Земле от одного или нескольких спутников на геостационарной околоземной орбите. Очень большой массив солнечных элементов на каждом спутнике будет обеспечивать электричество, которое будет преобразовано в микроволновую энергию и направлено на приемную антенну на земле. Там она будет преобразована в электроэнергию и распределена так же, как и любая другая энергия, вырабатываемая централизованно, через сеть.

планирование — Общая практика обеспечения того, чтобы генератор был зафиксирован и доступен, когда это необходимо.Это также может относиться к составлению графиков импорта или экспорта энергии в зону балансирования или из нее.

Барьер Шоттки — Барьер ячейки, установленный как граница раздела между полупроводником, например кремнием, и листом металла.

разметка — Вырезание решетчатого рисунка канавок в полупроводниковом материале, как правило, с целью создания межсоединений.

герметичная батарея — Батарея с невыполненным электролитом и закрывающейся вентиляционной крышкой, также называемая аккумуляторной батареей с регулируемым клапаном.Электролит добавлять нельзя.

сезонная глубина разряда — поправочный коэффициент, используемый в некоторых процедурах определения размеров системы, который «позволяет» батарее постепенно разряжаться в течение 30-90-дневного периода плохой солнечной инсоляции. Этот фактор приводит к немного меньшей фотоэлектрической матрице.

аккумулятор — аккумулятор, который можно перезаряжать.

саморазряд — Скорость, с которой батарея без нагрузки теряет заряд.

полупроводник — Любой материал, который имеет ограниченную способность проводить электрический ток. Некоторые полупроводники, в том числе кремний, арсенид галлия, диселенид меди, индия и теллурид кадмия, уникально подходят для процесса фотоэлектрического преобразования.

полукристаллический — См. мультикристаллический.

последовательное соединение — Способ соединения фотоэлементов путем соединения положительных выводов с отрицательными выводами; такая конфигурация увеличивает напряжение.

Контроллер серии — Контроллер заряда, который прерывает зарядный ток путем размыкания цепи фотоэлектрической (PV) матрицы. Элемент управления включен последовательно с фотоэлектрической панелью и батареей.

Регулятор серии — Тип регулятора заряда аккумулятора, в котором ток зарядки регулируется переключателем, подключенным последовательно с фотоэлектрическим модулем или массивом.

последовательное сопротивление — Паразитное сопротивление току в элементе из-за таких механизмов, как сопротивление основной части полупроводникового материала, металлических контактов и межсоединений.

Аккумулятор мелкого цикла — Аккумулятор с небольшими пластинами, который не выдерживает большого количества разрядов до низкого уровня заряда.

Срок годности батарей — Продолжительность времени, в течение которого при определенных условиях батарея может храниться, чтобы сохранить ее гарантированную емкость.

ток короткого замыкания (Isc) — ток, свободно протекающий через внешнюю цепь без нагрузки или сопротивления; максимально возможный ток.

Контроллер шунта — Контроллер заряда, который перенаправляет или шунтирует зарядный ток от батареи.Контроллеру требуется большой радиатор для отвода тока от короткозамкнутой фотоэлектрической батареи. Большинство контроллеров шунта предназначены для небольших систем мощностью 30 ампер или меньше.

Шунтирующий регулятор — Тип регулятора заряда аккумуляторной батареи, в котором зарядный ток регулируется переключателем, включенным параллельно с фотоэлектрическим (PV) генератором. Замыкание фотоэлектрического генератора предотвращает перезарядку аккумулятора.

Siemens process — коммерческий метод получения очищенного кремния.

кремний (Si) — полуметаллический химический элемент, который является отличным полупроводниковым материалом для фотоэлектрических устройств. Он кристаллизуется в гранецентрированной кубической решетке, как алмаз. Обычно он содержится в песке и кварце (в виде оксида).

синусоида — форма волны, соответствующая одночастотному периодическому колебанию, которое может быть математически представлено как функция амплитуды в зависимости от угла, при котором значение кривой в любой точке равно синусу этого угла.

синусоидальный инвертор — инвертор, вырабатывающий синусоидальные формы мощности коммунального качества.

Монокристаллический материал — Материал, состоящий из монокристалла или нескольких крупных кристаллов.

кремний монокристаллический — материал с монокристаллическим образованием. Многие фотоэлементы изготовлены из монокристаллического кремния.

одноступенчатый контроллер — контроллер заряда, который перенаправляет весь зарядный ток, когда аккумулятор приближается к полному состоянию заряда.

smart grid — Интеллектуальная электроэнергетическая система, которая регулирует двусторонний поток электроэнергии и информации между электростанциями и потребителями для управления работой сети.

мягкие затраты — Неаппаратные затраты, связанные с фотоэлектрическими системами, такие как финансирование, получение разрешений, установка, подключение и проверка.

солнечный элемент — См. Фотоэлектрический элемент .

солнечная постоянная — Среднее количество солнечного излучения, которое достигает верхних слоев атмосферы Земли на поверхности, перпендикулярной солнечным лучам; равно 1353 Вт на квадратный метр или 492 британских тепловых единицы на квадратный фут.

солнечное охлаждение — Использование солнечной тепловой энергии или солнечного электричества для питания охлаждающего устройства. Фотоэлектрические системы могут питать испарительные охладители («болотные» охладители), тепловые насосы и кондиционеры.

солнечная энергия — Электромагнитная энергия, передаваемая солнцем (солнечное излучение). Количество, которое достигает Земли, равно одной миллиардной общей произведенной солнечной энергии, или примерно 420 триллионов киловатт-часов.

Кремний солнечного качества — Кремний промежуточного качества, используемый в производстве солнечных элементов.Дешевле, чем кремний электронного качества.

солнечная инсоляция — См. инсоляция.

солнечное излучение — См. освещенность.

солнечный полдень — время дня в определенном месте, когда солнце достигает своей наивысшей видимой точки на небе.

солнечная панель — См. Фотоэлектрическая (PV) панель .

солнечный ресурс — Количество солнечной инсоляции, получаемой площадкой, обычно измеряется в кВтч / м2 / день, что эквивалентно количеству солнечных часов в пик.

солнечный спектр — Общее распределение электромагнитного излучения, исходящего от Солнца. Различные области солнечного спектра описываются диапазоном длин волн. Видимая область простирается от 390 до 780 нанометров (нанометр составляет одну миллиардную часть одного метра). Около 99 процентов солнечного излучения содержится в диапазоне длин волн от 300 нм (ультрафиолет) до 3000 нм (ближний инфракрасный). Комбинированное излучение в диапазоне длин волн от 280 до 4000 нм называется широкополосным или полным солнечным излучением.

солнечные тепловые электрические системы — Технологии преобразования солнечной энергии, которые преобразуют солнечную энергию в электричество путем нагрева рабочей жидкости для питания турбины, приводящей в действие генератор. Примеры этих систем включают системы центрального приемника, параболическую тарелку и солнечный желоб.

объемный заряд — См. барьер для ячеек.

удельный вес — Отношение веса раствора к весу равного объема воды при заданной температуре.Используется как индикатор уровня заряда аккумулятора.

резерв вращения — Электростанция или энергосистема подключены и работают на малой мощности, превышающей фактическую нагрузку.

Ячейка с разделенным спектром — Составное фотоэлектрическое устройство, в котором солнечный свет сначала разделяется на спектральные области с помощью оптических средств. Затем каждая область направляется в отдельный фотоэлектрический элемент, оптимизированный для преобразования этой части спектра в электричество. Такое устройство обеспечивает значительно большее общее преобразование падающего солнечного света в электричество. См. Также многопереходное устройство .

распыление — Процесс, используемый для нанесения фотоэлектрического полупроводникового материала на подложку с помощью процесса физического осаждения из паровой фазы, при котором высокоэнергетические ионы используются для бомбардировки элементарных источников полупроводникового материала, которые выбрасывают пары атомов, которые затем осаждаются тонкими слоями на субстрат.

прямоугольная волна — форма волны, имеющая только два состояния (т. Е. Положительное или отрицательное). Прямоугольная волна содержит большое количество гармоник.

Преобразователь прямоугольной формы — Тип инвертора, который выдает выходной сигнал прямоугольной формы. Он состоит из источника постоянного тока, четырех переключателей и нагрузки. Переключатели представляют собой силовые полупроводники, которые могут пропускать большой ток и выдерживать высокое номинальное напряжение. Переключатели включаются и выключаются в правильной последовательности, с определенной частотой.

Эффект Штеблера-Вронски — Тенденция эффективности преобразования солнечного света в электричество фотоэлектрических устройств на основе аморфного кремния ухудшаться (снижаться) при первоначальном воздействии света.

автономная система — Автономная или гибридная фотоэлектрическая система, не подключенная к сети. Может иметь или не иметь хранилища, но для большинства автономных систем требуются батареи или какой-либо другой вид хранилища.

стандартные условия отчетности (SRC) — Фиксированный набор условий (включая метеорологические), в которые данные электрических характеристик фотоэлектрического модуля переводятся из набора фактических условий испытаний.

стандартные условия испытаний (STC) — Условия, при которых модуль обычно испытывается в лаборатории.

ток в режиме ожидания — Это величина тока (мощности), используемая инвертором при отсутствии активной нагрузки (потеря мощности). КПД инвертора самый низкий при низкой нагрузке.

стоячий монтаж — Метод монтажа фотоэлектрической батареи на наклонной крыше, который включает установку модулей на небольшом расстоянии над скатной крышей и их наклон под оптимальным углом.

Ячейка с недостатком электролита — Батарея, содержащая мало свободного жидкого электролита или не содержащая его.

Состояние заряда (SOC) — Доступная оставшаяся емкость аккумулятора, выраженная в процентах от номинальной емкости.

аккумуляторная батарея — Устройство, способное преобразовывать энергию из электрической в ​​химическую форму и наоборот. Реакции почти полностью обратимы. Во время разряда химическая энергия преобразуется в электрическую и потребляется во внешней цепи или аппарате.

расслоение — Состояние, которое возникает, когда концентрация кислоты в электролите батареи изменяется сверху вниз.Периодическая контролируемая зарядка при напряжениях, вызывающих выделение газов, приведет к перемешиванию электролита. См. Также выравнивание .

строка — Ряд фотоэлектрических модулей или панелей, соединенных между собой последовательно для создания рабочего напряжения, необходимого для нагрузки.

Субчасовые рынки энергии — Рынки электроэнергии, работающие с шагом в 5 минут. Приблизительно 60% всей электроэнергии в Соединенных Штатах в настоящее время продается на субчасовых рынках, работающих с 5-минутными интервалами, так что максимальная гибкость может быть получена от парка генераторов.

подложка — Физический материал, на который наносится фотоэлектрический элемент.

подсистема — Любой из нескольких компонентов фотоэлектрической системы (например, массив, контроллер, батареи, инвертор, нагрузка).

сульфатирование — Состояние, поражающее неиспользуемые и разряженные батареи; Вместо обычных крошечных кристаллов на пластине растут крупные кристаллы сульфата свинца, что затрудняет подзарядку аккумулятора.

сверхпроводящий магнитный накопитель энергии (SMES) — технология SMES использует сверхпроводящие характеристики низкотемпературных материалов для создания интенсивных магнитных полей для хранения энергии.Он был предложен в качестве варианта хранения для поддержки крупномасштабного использования фотоэлектрической энергии как средства сглаживания колебаний в выработке электроэнергии.

сверхпроводимость — Резкое и сильное увеличение электропроводности некоторых металлов при приближении температуры к абсолютному нулю.

superstrate — Покрытие на солнечной стороне фотоэлектрического модуля, обеспечивающее защиту фотоэлектрических материалов от ударов и ухудшения окружающей среды, при этом обеспечивая максимальное пропускание соответствующих длин волн солнечного спектра.

Ударная мощность — Максимальная мощность, обычно в 3-5 раз превышающая номинальную, которая может быть обеспечена за короткое время.

доступность системы — процент времени (обычно выражается в часах в год), когда фотоэлектрическая система сможет полностью удовлетворить потребность в нагрузке.

рабочее напряжение системы — Выходное напряжение фотоэлектрической матрицы под нагрузкой. Рабочее напряжение системы зависит от нагрузки или батарей, подключенных к выходным клеммам.

системный накопитель — См. Емкость аккумулятора .

Вернуться к началу

Как использовать ареометр для измерения плотности электролита

Если вдруг аккумулятор вашего автомобиля не работает должным образом, а уровень электролита находится в пределах нормы, в первую очередь необходимо измерить его плотность. А для этого каждый автомобилист должен уметь пользоваться ареометром.

Что такое ареометр и как он работает?

Ареометр — прибор, предназначенный для определения плотности жидкости.Принцип его работы основан на известном законе Архимеда, открытом в III веке до нашей эры. и согласно которому на тело, плавающее в жидкости, действует выталкивающая сила, величина которой равна весу жидкости, вытесняемой данным телом. А как пользоваться ареометром для измерения плотности жидкости человечеству известно с 4-5 веков нашей эры. (считается, что именно тогда его и изобрели).

Ареометры бывают разных типов: все зависит от плотности той жидкости, которую нужно измерить.Наибольшее практическое значение для среднего автолюбителя представляет автомобильный ареометр, предназначенный для измерения плотности как электролита, так и охлаждающей жидкости. Его можно купить в любом магазине по продаже автозапчастей, либо на рынке.

Конструктивно автомобильный ареометр представляет собой обычную цилиндрическую стеклянную трубку (колбу) с кислотным электролитом, плотность которого необходимо измерить, и герметично закрытый стеклянный поплавок. В нижней части поплавка находится нагрузка, а в верхней — шкала, по которой, собственно, и определяется плотность электролита.Как пользоваться ареометром? Да очень просто! С помощью резиновой груши в трубку втягивается электролит. Спустя время, когда жидкость в трубке успокоится, а поплавок в ней свободно плавает, нужно визуально определить плотность на пересечении шкалы с уровнем электролита. Плотность электролита аккумуляторной батареи, введенной в эксплуатацию, зависит от конкретных условий эксплуатации и находится в пределах 1,20 — 1,30 кг / см ³ . Измерение плотности следует проводить при температуре 18-22 градуса.Поскольку плотность электролита напрямую связана со значением температуры, при которой производится это измерение, необходимо внести поправку с помощью специальной таблицы для определения его реальной плотности.

Соблюдайте меры безопасности

При измерении плотности электролита важно не только знать, как пользоваться ареометром, но и соблюдать меры безопасности. Все работы следует проводить в защитных перчатках, очках, соответствующей одежде и обуви.Не допускайте попадания электролита в тело и глаза. Все действия с аккумуляторами необходимо проводить в теплом проветриваемом помещении, так как в процессе зарядки выделяется токсичный газ.

При попадании кислоты в глаза или кожу необходимо промыть место химического ожога водой. Ни в коем случае нельзя пытаться нейтрализовать попавшую на организм кислоту (например, соду). Это только усугубит ситуацию. Тогда необходимо как можно быстрее обратиться в медицинское учреждение.

При работе с антифризом также необходимо обязательное соблюдение мер безопасности. Крышку радиатора можно открывать только после того, как охлаждающая жидкость полностью остынет, чтобы она не вылетела и, как следствие, не обгорела.

После измерения плотности ареометр необходимо тщательно промыть в проточной воде до окончательного удаления остатков кислоты или охлаждающей жидкости. При соблюдении этого условия ареометр для измерения плотности электролита (антифриза) прослужит вам не один десяток лет.

Разработки в области дилатометрии для определения характеристик электрохимических устройств — Майкл — 2021 — Батареи и суперконденсаторы

2.1 Дилатометрическая характеристика LiB

2.

1.1 Обзор

Понимание того, как широко распространенные электроды расширяются и сжимаются в LiB с использованием ECD, может иметь решающее значение для повышения долговечности LiB. Последствия расширения электрода далеко идущие и могут вызвать распространение микроструктурных дефектов, которые ставят под угрозу механическую целостность и функцию ячейки.Например, расширение электрода может снизить гибкость связующего электрода во время продолжительного цикла, что приводит к растрескиванию и измельчению частиц активного материала. Необратимое расширение также может сократить жизненный цикл LiB. ^37-39 В LiBs образование межфазной границы твердого электролита (SEI) и электрохимический рост пассивирующих слоев на металлических поверхностях являются предметом дилатометрических исследований. ECD чувствителен к аморфным фазам и образованию SEI до тех пор, пока имеет место достаточно большое изменение толщины электрода. ⁴⁰ Обычно применяемые LiB-электроды могут подвергаться фрагментации и опасным изменениям толщины после продолжительных периодов интеркаляции / деинтеркаляции, особенно при высоких частотах циклирования. ^{41, 42} Колебания толщины во время зарядки являются сложной проблемой для анодных материалов следующего поколения для LiB, особенно для электродов легирующего типа.

2.1.2 Графит

Многочисленные углеродные материалы, такие как графит, нефтяной кокс, углеродная сажа, углеродное волокно и аморфный углерод, с большим разнообразием физических и химических свойств, были изучены в качестве электродов с интеркаляцией ионов лития. ^43-45 Однако графит является наиболее широко используемым промышленным анодным материалом в LiB из-за его высокой кулоновской эффективности и циклических характеристик. В графите места заполнения ионами лития находятся между двумя соседними плоскостями слоя С, где один ион лития связан с гексагональным кольцом С в структуре LiC ₆ . ⁴⁶ На сегодняшний день много исследований было сосредоточено на химической обработке и электрохимических свойствах литий-интеркалированного графита, который обладает способностью интеркалировать Li до x = 1 дюйм Li _x C ₆ , равно до удельной гравиметрической емкости 372 мА ч г ⁻¹ . ^{47, 48}

Расширение и сжатие характерны для кристаллов со слоистой решеткой, которые претерпевают интеркаляцию / деинтеркаляцию ионов-гостей. В ячейках графит / Li во время разряда (приложение постоянного отрицательного тока) ионы Li интеркалируют между слоями графена, и высота электрода увеличивается (расширяется), тогда как во время зарядки (постоянный положительный ток) ионы Li деинтеркалируют, вызывая уменьшение высоты электрода ( договор).Обратите внимание, что обозначения заряда и разряда здесь применимы к «полуэлементу» из графита / лития и будут отличаться для полных элементов. ³³

Biberacher et al. и Besenhard et al. были одними из первых исследований в литературе, в которых дилатометрия использовалась для изучения расширения графита во время езды на велосипеде. ^49-52 Hahn et al. продемонстрировали, что графитовые электроды претерпевают изменения по высоте по мере того, как стехиометрия графита изменяется с интеркаляцией Li в течение 40 часов, используя внутреннюю конструкцию, описанную в более ранних работах Hahn et al. ⁵³ Когда графит был полностью интеркалирован и, таким образом, изменение высоты было самым большим, самое высокое зарегистрированное значение расширения также было зарегистрировано с помощью дилатометра. Они показали, что стехиометрические изменения, которые происходят с материалом электрода из-за интеркаляции лития, могут быть подтверждены с помощью дилатометрии и результатов, подтвержденных исследованиями дифракции рентгеновских лучей (XRD). ⁵⁴ Другой пример исследования, в котором XRD использовался в тандеме с дилатометрией, — Hantel et al. ⁵⁵ , которые использовали рентгеновскую дифрактометрию и дилатометрию на месте для выявления электрохимической активации частично восстановленного оксида графита (GOpr) для необратимого изменения межслоевого расстояния.В этом случае для дилатометрической характеристики использовалась трехэлектродная ячейка собственной разработки, также использованная Hahn et al. в исх. [28] (см. Рис. 2а). Необратимое образование стабильного слоя SEI может быть ускорено добавками электролита, которые способствуют набуханию электрода. ³⁴ Примером обычно используемой добавки к электролиту в LiB является виниленкарбонат (ВК). Иванов и др. исследовали, как изменение концентрации ВК в электролитах влияет на объемное расширение графитовых композитных электродов в LiB (рис. 4).

Время расширения (вверху) и потенциал-время (внизу) графитовых / NMC ячеек для a) 2,0 и b) 3,0 мА ч см ^-2 номинальная емкость и постоянная пористость 23%. Измерения ECD выполняются во время трех циклов заряда / разряда C / 4. Состав электролита: 1 M LiPF6 в EC: EMC 3: 7 (w: w), без VC — (синий), 2% VC — (красный) и 4% VC — (зеленый). Воспроизведено из исх. [34] с разрешения. Авторские права (2020) Elsevier.

В данном исследовании графитовый электрод без добавки ВК претерпел максимальное расширение 8 мкм в конце первого разряда. Напротив, графитовый электрод с 4% VC подвергался расширению максимум на 6 мкм в конце первого разряда. Был сделан вывод, что на необратимое расширение во многом влияет концентрация ВК в электроде. Добавление добавок позволило создать более толстый слой SEI, что способствовало зарегистрированному необратимому расширению.Однако обычно ожидается, что слои SEI будут иметь нанометровый масштаб, и общее уменьшение необратимого расширения наблюдалось при добавлении более высоких концентраций VC, несмотря на более толстый слой SEI. Это было связано с различиями в разложении электролита и адсорбции / включении химических продуктов, образующихся во время цикла. Дополнительное необратимое увеличение объема произошло из-за включения растворимых продуктов разложения в электрод, когда не использовались добавки. ³⁴

В большинстве дилатометрических исследований графита в литературе используются аналогичные варианты параметров гальваностатического цикла для регистрации расширения / сжатия, возникающего в результате непрерывного внедрения ионов Li. Однако Bauer et al. решили использовать методы гальваностатического прерывистого титрования (GITT) для высокоскоростных дилатометрических экспериментов, уделяя особое внимание явлениям релаксации, которым подвергались ячейки графит / никель-марганец-кобальт (NMC) после импульсов тока. ³¹ Они использовали дилатометр ECD-1 для экспериментов с одним электродом и дилатометр собственной разработки для экспериментов по расширению всей клетки. Дилатометр собственной разработки использовался для высокоскоростных дилатометрических экспериментов, а дилатометр ECD-1 — для низкоскоростных дилатометрических экспериментов. Возможно, дилатометр ECD-1 не подходил для экспериментов с высокой скоростью C из-за большого сепаратора из боросиликатного стекла, используемого в приборе, который мог способствовать ограничению диффузии Li ⁺ при высоких скоростях C.

Общее кристаллографическое объемное расширение 13,2% происходит, когда C ₆ полностью литирован до состава LiC ₆ , что подтверждено с помощью XRD. ⁵⁶ Тем не менее, в многочисленных статьях сообщается об изменении объема графитовых электродов во время циклирования с использованием дилатометрии на месте с изменениями размеров в пределах 4–13% из-за различий в составе электродов, электролите и конфигурации элементов. ^{31, 46, 47, 56-64} Частицы графита могут перестраиваться в матрице частицы-связующего, поскольку они расширяются и сжимаются во время цикла, что приводит к сильным контактным напряжениям и разрушению частиц, которые плотно упакованы вместе. ⁶⁵ Расслоение электродов, из-за которого частицы графита больше не соединяются с токосъемником, также было предложено в качестве механизма деградации, влияющего на измерения ECD. ³³ Кроме того, каландрирование во время производственного процесса может вызвать напряжения на уровне ячейки, которые вызывают разрушение материала электрода. ⁶⁶ Тем не менее, несмотря на различия в масштабе изменения толщины, во многих отчетах было зарегистрировано последовательное поведение расширения / сжатия, согласовывающее изменения толщины, которые происходят во время фазовых переходов при определенных напряжениях.

2.1.3 Кремний

Кремний (Si) является ведущим кандидатом на замену графита анодным материалом, поскольку он имеет теоретическую удельную емкость ∼4200 мА ч г ^-1 при легировании Li в качестве Li ₂₂ Si ₅ . ^{67, 68} Кристаллический Si подвергается электрохимическому литированию с образованием аморфного Si по двухфазному механизму. ^{69, 70} Двухфазное механистическое поведение, вероятно, связано с большой энергией активации, необходимой для разрушения кристаллической матрицы Si: для ослабления связей Si-Si требуется высокая концентрация атомов Li вблизи фронта реакции, что приводит к благоприятным условиям. кинетика литирования и наблюдаемое двухфазное поведение. ⁷¹ Аморфная фаза, которая образуется за счет кристаллического Si, сильно литиирована ( x = 3,4 ± 0,2 атома Li на атом Si, что близко к стехиометрии общей терминальной кристаллической фазы при комнатной температуре, где x = 3,75). ⁷² Образование сильно литированного Si на фронте реакции приводит к значительному объемному расширению до 270–300%, что, в свою очередь, вызывает большие градиенты деформации трансформации. ^73-75 Проблемы расширения, связанные с зарядкой Si, остаются самым большим препятствием, которое необходимо преодолеть для кремниевых анодов в коммерческом применении. ^76-79

Дилатометрия использовалась в исследованиях, чтобы понять изменение толщины электродов из углерода, SiO, Si и SiN. ^{32, 80-87} Yu et al. показали, что длительное чередование кремниевых электродов с активными частицами в микромасштабе приводит к собственному объемному расширению и что частицы вертикально перестраиваются во время заряда / разряда. ⁸⁸ Они подчеркнули, что по мере того, как частицы набухают и заполняют пустоты, наблюдается гистерезис в регистрируемых изменениях толщины (изменения происходят незаметно для дилатометра). Изменение высоты было обнаружено только при вертикальном смещении частиц от электрода. Это демонстрирует важность подтверждения дилатометрии с другими методами, которые могут предоставить информацию о морфологических изменениях в масштабе частицы или волокна, поскольку некоторые механические явления могут остаться незамеченными.

Примечательно, что в некоторых исследованиях дилатометрия сочетается с акустическими измерениями для получения более детальной информации об изменениях объема одного электрода и всей ячейки.Транчот и др. в сочетании с измерениями акустической эмиссии (AE) и сканирующей электронной микроскопией (SEM) для изучения влияния размера частиц Si (85 нм против 230 нм) на механическую стабильность связующего композитного Si / C / карбоксиметилцеллюлозы (CMC). электроды. ⁸⁹ Было продемонстрировано, что операционная дилатометрия в сочетании с экспериментами по АЭ и посмертными наблюдениями с помощью СЭМ дает ценную количественную информацию о морфологической деградации электродов на основе Si. В случае более мелких частиц большая удельная поверхность означает, что связующего из КМЦ недостаточно для предотвращения отслоения пленки и поддержания проводящей сети между компонентами электрода во время расширения / сжатия Si-электрода. Транчот и др. предположили, что деградация электрода в основном определяется когезионными / адгезионными свойствами электрода, а не сопротивлением растрескиванию отдельных частиц Si. ⁸⁹

Применение слоя высокомодульного полиимида (PI) является обычным при использовании кремниевых электродов микронного размера для улучшения сцепления частиц с покрытием и предотвращения отслоения активных частиц от электрода, когда Si претерпевает значительное объемное расширение.Например, Ли и др. подавление объемного расширения в Si-электродах за счет электрораспыления слоя PI на тонкопленочный Si-электрод. Дилатометр можно использовать для расчета объемной емкости ( Q _об. ) с использованием следующего уравнения [Ур. (1)]: (1)

Где Q _{площадь} — это емкость литиирования по площади (мА · ч · см ^-2 ) электрода, а толщина электрода получается из дилатометрии на месте.

Ли и др. обнаружили, что электрод, покрытый слоем PI, расширялся меньше, чем электрод из тонкой пленки Si, который не имел слоя PI. Был сделан вывод, что слой PI поддерживает целостность электрода и предотвращает расслоение электрода и измельчение материала во время цикла ячейки. ⁹⁰ Использование покрытия PI на анодных материалах большой емкости, таких как сурьма, обсуждается в следующем разделе. Однако на момент написания этого обзора было проведено ограниченное дилатометрическое исследование эффективности этих покрытий PI при использовании с электродами, состоящими из анодных материалов с большей емкостью для LiB, таких как Sb и Sn. ⁹¹

Несмотря на то, что важно сравнивать электроды с различным элементным составом, необходимо также учитывать, как размеры частиц в электроде могут влиять на скорость уменьшения емкости и влиять на изменения толщины. ^{92, 93} Широко известно, что наноразмерные частицы Si могут выдерживать нарастание напряжения во время литирования и делитирования, а пустоты между частицами также могут поглощать некоторые изменения объема. ^{94, 95} Однако с наноразмерными частицами Si трудно обращаться, и их производство может быть энергоемким. Tan et al. исследовали изменение толщины частиц SiO микронного размера с помощью дилатометрии (рис. 5). Они использовали систему покрытия PI для уменьшения изменений толщины во время цикла с целью предотвратить быстрое снижение емкости, которое в противном случае наблюдалось бы для частиц SiO микронного размера без системы защитного покрытия. ⁹¹

a) Потенциально-временной профиль и временной профиль изменения толщины для SiO (SiO @ C) электрода с углеродным покрытием и b) SiO-электрода с углеродным покрытием с самоорганизующимся монослоем и поверхностным слоем PI, обработанным УФ-излучением (SiO @ C @ UV @ SAM @ PI), испытанный при 150 мА g ^-1 с помощью дилатометра in-situ.Воспроизведено из исх. [91] с разрешения. Авторские права (2020) Elsevier.

Электроды SiO претерпели значительно более высокие изменения толщины, чем электроды SiO, которые имели самоорганизующийся монослой (SAM) и PI, что позволяет предположить, что покрытие SAM / PI помогает поддерживать механическую целостность частиц и электрода во время циклирования. Авторы предполагают, что улучшенное покрытие PI с SAM может быть нанесено на различные анодные материалы на основе сплавов и конверсионных анодов для LIB, чтобы подавить деградацию электродов. ⁹¹

В разделе 2.1.2

были рассмотрены примеры различных проводящих добавок в графитовых электродах, чтобы оценить, как добавки влияют на изменение объема электрода во время цикла. В электродах на основе Si также использовались различные проводящие добавки. Например, Каркар и др. подготовили Si-электроды с использованием углеродной сажи, углеродных нановолокон или углеродных нанопластинок (проводящие добавки) и исследовали связанные изменения объема с каждым электродом с помощью дилатометра ECD-2. ⁹⁶ Они обнаружили, что вредные изменения объема кремниевых электродов происходят выше критической нагрузки кремниевой массы, для которой неизбежны высокие механические напряжения. Эта критическая массовая нагрузка Si зависит от проводящей добавки, используемой в смеси электродов. Было обнаружено, что углеродные нанопластинки являются наиболее идеальными добавками, поскольку они действуют как смазка, позволяя частицам Si скользить при их расширении / сжатии. Это рекомендуется, чтобы избежать механических напряжений и ограничить разрыв SEI.Результаты дилатометрии показали, что у электродов, содержащих сажу, самые большие изменения толщины во время циклирования, что позволяет предположить, что сажа является наименее эффективной проводящей добавкой. Проводящая сеть электрода не могла поддерживаться во время резких изменений объема Si.

Каландрирование — это широко используемый метод уплотнения LiB-электродов; он оказывает значительное влияние на пористость и, следовательно, на электрохимические характеристики LiB. ^97-100 Каландрирование включает прессование электрода с последующим увеличением его объемной плотности энергии.Он выполняется после этапов отливки и сушки электрода и изменяет многочисленные физические свойства, такие как длина пути диффузии лития, пористость электрода и межчастичный контакт, ¹⁰¹ , а также может быть причиной неэлектрохимического растрескивания частиц. ¹⁰² Дилатометрия может использоваться для сравнения и сопоставления изменений объема каландрированных и некаландрированных электродов, чтобы оценить влияние каландрирования на изменения размеров электрода. Направление расширения электрода происходит в основном параллельно направлению каландрирования, которое перпендикулярно токосъемнику.¹⁰³ Каркар и др. продемонстрировали увеличенный срок службы и уменьшение изменения толщины каландрированных электродов на основе кремния с использованием операндо дилатометрии. ⁷⁴

При длительном циклировании связка электродов может подвергаться значительным деформациям из-за постоянного расширения и расширения. ¹⁰⁴ Однако исследования показали, что сшитые связующие обладают потенциалом для усиления диффузии ионов лития и снижения напряжения, которому подвергается электрод с течением времени. ^{105, 106} Gendensuren et al. исследовали кремниевые электроды и обнаружили, что связующее с двойными поперечными связями помогает минимизировать объемное расширение. Они заявили, что свойство самовосстановления сшитого поли (акриламида) (PAAm) могло быть причиной минимизации объемного расширения. ¹⁰⁶ Кроме того, Jeong et al. ³² показали, что порообразователь поли (метилметакрилат) (ПММА) обладает способностью «расстегиваться», уменьшая объемное расширение за счет образования пор в композитных электродах на основе Si, что приводит к незначительной деформации во время литирования.Распаковка означает деполимеризацию определенных полимеров в мономеры. С другой стороны, необработанные Si-электроды, использованные в качестве контроля, показали сильное и постоянное увеличение дилатации при циклическом изменении.

Связующие вещества играют решающую роль в поддержании механической целостности электродов во время длительных циклов и могут быть легко адаптированы к конкретным активным материалам и областям применения. Jackel et al. исследовали размерные изменения электродов батареи, содержащих либо жесткое, либо мягкое полимерное связующее, с помощью дилатометрии. ¹⁰⁷ Они предполагают, что оптимальное полимерное связующее не должно быть ни полностью жестким, ни слишком мягким, чтобы обеспечить неограниченное изменение объема электрода и предотвратить вязкое проникновение связующего в активный материал. Связующие свойства очень чувствительны к изменениям температуры. Хотя Jackel et al. поддерживали постоянную температуру для сравнения жестких или мягких полимерных связующих, Park et al. исследовали влияние термической обработки электрода из сплава Si-Ti-Fe-Al с полиамидо-имидным (PAI) связующим.Объемное расширение электрода исследуют при трех различных температурах: 200 ° C, 300 ° C и 400 ° C соответственно. После полного литирования (разряда) Si-электрод, обработанный при 200 ° C, расширился до 531%, тогда как Si-электрод при 300 ° C и 400 ° C показал изменения толщины на 312% и 436% соответственно. Электроды из сплава Si, которые были подвергнуты термообработке до температуры выше 300 ° C, показали меньшее изменение толщины во время литирования / делитирования. Такие изменения были объяснены повышенной механической прочностью связующего PAI при повышенных температурах.¹⁰⁸ Ян и др. ¹⁰⁹ также сообщают, что термообработка связующих PAI может улучшить характеристики цикла электродов из сплава Si, которые содержат связующее PAI. Они объяснили улучшенное сохранение емкости Si-электродов улучшенной механической прочностью связующих PAI, вызванной перестройкой молекулярных цепей при повышенных температурах. Помимо термической обработки, механическую прочность связующих можно повысить с помощью химического травления. Химическое травление с помощью металла — это метод модификации поверхности, который используется для улучшения сохранения емкости и стал привлекательным для модификации поверхности кремния на основе гальванического смещения. ¹¹⁰ Kim et al. исследовали влияние связки на электроды Si-наноструктуры, протравленные серебром. Поливинилидендифторид (PVdF) и связующие PI оценивали на основе электрохимических измерений и измерений ECD. ¹¹¹ Были минимальные различия в изменении толщины между электродами Si-PVdF и протравленными электродами Si-PVdF; однако протравленный электрод из Si-PI показал значительно меньшие изменения толщины, чем два других протестированных электрода во время циклирования.Следовательно, связующее на основе PI играет ключевую роль в подавлении изменений физической толщины, наблюдаемых при введении и извлечении ионов Li. Полученные данные свидетельствуют о том, что связующие на основе PI позволяют электроду лучше поддерживать электрическую проводящую сеть, что теоретически может улучшить долговечность LiB во время длительных циклов.

Kim et al. продемонстрировали, что дилатометрия может быть использована для получения информации о роли восстановленного оксида графена (RGO) в композитных кремниевых анодах.RGO использовались в Si / углеродных нанотрубках (CNT) и Fe ₂ O ₃ / углерод-нановолокно (CNF) во время гальваностатического цикла для компенсации объемного расширения. Буферный агент RGO имел пористый каркас с гибкой текстурой из-за отсутствия жестких связей между соседними нанолистами. ECD показал общее изменение толщины электродов на 11% для электродов из анодного материала Si / углеродных нанотрубок (CNT) и Fe ₂ O ₃ / углеродных нановолокон (CNF). Это было меньше, чем ожидалось для таких электродных материалов на основе оксидов, и предположительно потому, что RGO играл буферную роль в изменениях объема Fe ₃ O ₄ / RGO во время реакций Fe ₃ O ₄ −Li. , что приводит к замедленному и постепенному увеличению объема Fe ₃ O ₄ / RGO.Композитные электроды также показали отличную стабильность при циклическом воздействии. ¹¹²

Были проведены обширные дилатометрические исследования электродов на основе Si для LiB (см. Таблицу 1 и Рисунок 6). Эксперименты могут варьироваться между исследованием различных электродных композиций, разных электролитов с различными концентрациями, эффекта использования различных связующих / покрытий, проводящих добавок и включения порообразователей в электродную композицию.Были опубликованы многочисленные исследования с использованием микрочастиц на основе Si с неактивной матрицей для компенсации увеличения объема. ¹¹³ Кроме того, различные электрохимические методы in-situ могут использоваться в сочетании с ECD для получения дополнительной информации о механизме литирования в Si-электродах, например, дифракция рентгеновских лучей, ¹¹⁴ Рамановская спектроскопия, ¹¹⁵ твердотельный ЯМР ⁸¹ и дифференциальная электрохимическая масс-спектрометрия (ДЭМС). ⁸⁰

Таблица 1.Максимальное изменение толщины, зарегистрированное для различных составов кремниевых электродов, обсуждалось в разделе 2.1.3.

Активный материал	Загрузка Si [мг Si см −2 ]	Связующее / покрытие	Проводящая добавка	Соотношение состава (AM / Binder / CA)	Макс. Изменение толщины [%]	Арт.
Si	1,6	ПВдФ	Ацетилен черный	60/20/20	400	[88]
Si	1.6	CMC	Ацетилен черный	60/20/20	450	[88]
Si	1.6	PI	Ацетилен черный	60/20/20	300	[88]
Si	1.8	PI	НЕТ	90/10	225	[90]
Si	∼3	CMC	Листы графена (GM15)	80/08/12	400	[96]
Si	∼1.75	CMC	Черный углерод	80/08/12	100	[96]
Si	2.25	CMC	Листы графена (GM15)	80/08/12	250	[74]
SiO	1.0–1,1	PI	Черный углерод	60/10/20	200	[91]
SiO (2.1% O)	1,0 ± 0,1	CMC	Черный углерод	73,5 / 14,5 / 12	500	[89]
SiO (1.29% O)	1,0 ± 0,1	CMC	Черный углерод	73,5 / 14,5 / 12	150	[89]

Максимальное изменение толщины (%), зарегистрированное для различных составов Si-электродов с различной загрузкой Si, из работ, обсуждаемых в разделе 2.1.3. Каждый пункт помечен соответствующей цитатой.

2.1.4 Другие анодные материалы большой емкости

Существует множество анодных материалов с высокой емкостью, которые могут заменить аноды, которые в настоящее время используются в коммерческих LiB. Были исследованы альтернативные анодные материалы для удовлетворения растущего спроса на батареи с более высокой плотностью энергии. ^{116, 117} Однако растрескивание электродов серьезно затрудняет их применение. ^{118, 119} Наноразмер — это широко применяемый метод уменьшения разрушения отдельных частиц, но снижение емкости все еще происходит из-за большого изменения объема и потери контакта в электроде во время введения и извлечения лития. Стратегия была разработана Ли и др. для уменьшения образования трещин между частицами в электроде SnO ₂ путем создания стойкого к трещинам высокомодульного покрытия PI. ¹²⁰ Изменение толщины электродов во время гальваностатического цикла свидетельствует о том, что растрескивание и расширение электродов уменьшились, что было приписано покрытию PI, оказывающему сжимающую силу, которая удерживает частицы вместе.Ли и др. пришли к выводу, что этот метод подавления объемного расширения может быть применен к различным электродным композициям, которые очень чувствительны к большим изменениям размеров, чтобы способствовать разработке анодов для LiB. ¹²⁰

Анодные материалы с большой емкостью, такие как сурьма, являются многообещающими, поскольку их рабочее напряжение составляет примерно 0,8 В относительно Li, что далеко от потенциала литиевого покрытия (хотя это, конечно, снижает рабочее напряжение ячейки). Однако электроды из Sb также претерпевают резкое увеличение объема во время цикла, что отрицательно сказывается на сроке службы элемента и сохранении емкости. ¹²¹ Теоретическое объемное расширение электродов на основе Sb составляет от 121 до 132%. ¹²² Wang et al. исследовали интеграцию связующего PI и CMC в состав суспензии электрода для подавления растрескивания частиц и удержания частиц вместе, что позволяет анодам Sb использовать частицы микронного размера во время протоколов с высокой скоростью C. ¹²³ Изменения толщины электродов, обработанных PI, были измерены с использованием электродов из Sb с 9,4% мас. PI показал меньшие изменения толщины, чем электроды с 4.7% масс. ПИ в составе электродов. Результаты показывают, что изменение объема было уменьшено при взаимодействии PI-целлюлоза. Связующее на основе PI уменьшало измельчение частиц во время цикла. Распыление частиц — одно из основных препятствий на пути широкого использования анодов большой емкости.

Wang et al. провели сравнительное исследование включения серной или селеновой матрицы в электроды на основе Sb, чтобы изучить их электрохимические характеристики в качестве электродов из LiB.Было обнаружено, что объемное расширение было уменьшено для электродов Sb ₂ S ₃ и Sb ₂ Se ₃ , поскольку матрицы S и Se ингибируют кристаллизацию Li ₃ Sb во время литирования, повышая стабильность электрода. Кроме того, это исследование подтвердило различные методы дилатометрии, такие как дифракция рентгеновских лучей, спектроскопия комбинационного рассеяния и SEM. ¹²² Ma et al. использовали дилатометрию для исследования серебряных электродов и композитов микростержней C, легированных α-MnS / S. ^{124, 125}

2.1.5 Химический состав катодов

Расширением катода часто пренебрегают в дилатометрических исследованиях, потому что вариации толщины на катоде имеют гораздо меньшую величину по сравнению с анодом, и, таким образом, считается, что последствия расширения катода гораздо менее пагубны для способности LiB к цикличности. ³¹ Хотя исследования редко сообщают о расширении катодного материала по сравнению с анодным расширением, Rieger et al.сообщили об изменении толщины катода LiCoO ₂ на 1,8% во время делитирования с использованием дилатометрии. ¹²⁶ Они сообщили о высоких перенапряжениях на кривых потенциала и утверждали, что это было результатом большого расстояния между электродом сравнения и рабочим электродом (около 500 мкм). Yu et al. подчеркнули ограничения в конфигурациях дилатометрических ячеек, с сообщением о перенапряжениях из-за ограничений диффузии массы. ⁸⁸ Для проведения дилатометрических экспериментов Rieger et al.собранные сегменты электрода аккумуляторной батареи карманного типа в дилатометр; выбранная батарея имела два односторонних катодных слоя по направлению к верхней и нижней части электродного пакета, которые использовались для дилатометрических экспериментов с катодом (симметричная ячейка). Для дилатометрических экспериментов на графитовом аноде из двойного слоя электродов карманной ячейки внутри дилатометра вырезали электрод и помещали его внутрь дилатометра. Хотя графит был нанесен на обе стороны бислоя, только одна сторона участвует в электрохимической реакции внутри сборки дилатометра.Это связано с тем, что медный токоприемник действует как барьер для ионов лития. Это исследование демонстрирует, что дилатометрия может быть полезным инструментом для исследования имеющихся в продаже литий-ионных аккумуляторов с мешочковатой конфигурацией. Недостатком этого подхода является то, что он разрушает ячейку мешочка, потому что ее нельзя собрать заново после измерений.

NMC — катодный материал, широко используемый в коммерческих LiB. Стехиометрия и, следовательно, структура NMC могут варьироваться в зависимости от соотношения никеля, марганца и кобальта соответственно. ¹²⁷ Nayak et al. продемонстрировали, что дилатометрия может использоваться для мониторинга обратимых и необратимых процессов NMC в LiBs. Они приготовили катодный материал Li _1,17 Ni _0,20 Mn _0,53 Co _0,10 O ₂ , используя золь-гель метод, и исследовали изменения размеров, которые происходят во время гальваностатического цикла (см. Рисунок 7). ¹²⁸

a) профиль потенциальной емкости и b) профиль изменения толщины Li _1.17 Ni _0,20 Mn _0,53 Co _0,10 O ₂ при 20 мА г ⁻¹ (скорость C / 10) в диапазоне потенциалов 2,5–4,6 В в 1 M LiPF ₆ в EC / Решение DMC. Профиль изменения потенциала-времени и толщины показан на (c) для Li _1,17 Ni _0,20 Mn _0,53 Co _0,10 O ₂ при 20 мА г ⁻¹ (скорость C / 10) в тот же диапазон напряжений, что и (a) и (b), для шести последовательных циклов. Эти изображения были воспроизведены из работы.[128] с разрешения. Авторские права (2019) Wiley-VCH.

In-situ ECD обнаружил необратимое сжатие / расширение во время заряда / разряда и связал это явление с необратимой потерей емкости во время первого цикла. Считается, что большой гистерезис напряжения и значительные потери напряжения при первом заряде / разряде возникают из-за образования молекулярного O ₂ при 4,6 В по сравнению с Li ⁺ / Li, который оказывается захваченным в пустотах внутри частиц в объеме, а также потеряно с поверхности.O ₂ , который образуется во время первого заряда, вызывает беспорядок ионов переходных металлов, связанный с потерей сотовой структуры, что, таким образом, формирует кластеры вакансий, которые вмещают O ₂ . ¹²⁹ Дилатометрия подтвердила, что обратимое сжатие / расширение электрода произошло после начального цикла, что количественно подтвердило хорошую стабильность этого материала при циклировании. Абсолютное изменение толщины электрода во время циклирования составляло около 0,27 мкм во время длительного цикла.Электрод периодически «дышал» с каждым циклом менее чем на один процент от его общей толщины. В целом дилатометр оказался очень полезным инструментом для исследования обратимых и необратимых процессов в композитных электродах с изменениями толщины всего лишь 1% от общей толщины электрода. Дилатометр содержал емкостный преобразователь с высоким разрешением, который может обнаруживать изменения размеров на WE с разрешением до нескольких разрешений. Также использовались дилатометры с другим детектором.Ariyoshi et al. ¹³⁰ использовал дилатометр с линейным датчиком смещения напряжения для обнаружения изменений размеров LTO / LiCoMnO ₄ LiB во время гальваностатического цикла. Эту же модель использовали Nagayama et al. и представляет собой сборку собственного изготовления. ¹³¹ В дилатометре используется тестовый образец пакетированной ячейки, и изменения толщины ячейки передаются через шпиндель на датчик линейного смещения напряжения. Преобразователь подключен к усилителю, который преобразует сигналы смещения в микрометрах в сигнал напряжения в мВ. ¹³¹

Возобновился интерес к оксиду ванадия в качестве катодного материала LiB. Слоистые оксиды ванадия являются перспективными катодными материалами благодаря их низкой стоимости, высокой емкости и умеренному напряжению. ^{132, 133} Barker et al. собрал собственный дилатометр с линейным датчиком смещения напряжения для измерения изменений толщины всей пакетной ячейки LiB с оксидом ванадия (V ₆ O ₁₃ ) и металлическим литиевым электродом. ¹³⁴ Во время растворения лития в V ₆ O ₁₃ и Li ⁺ с анода происходило постепенное уменьшение общей толщины элемента. Обратное наблюдалось при извлечении Li из V ₆ O ₁₃ и нанесении лития на металлический Li. Тем не менее, изменение толщины оказалось обратимым в используемом диапазоне напряжений. Увеличение толщины в V ₆ O ₁₃ соответствовало примерно 1.7% изменение начальной толщины электрода. Объемная доля V ₆ O ₁₃ в композитном электродном материале составляла приблизительно 0,27. Было обнаружено, что изменения толщины соответствуют литературным данным о расширении / сжатии элементарной ячейки катодов V ₆ O ₁₃ , вызванных введением / извлечением лития. ^134-136

Катодные материалы также претерпевают изменения объема во время цикла, которые зависят от их стехиометрии и структуры.Тем не менее, влиянием расширения и сжатия материала катода на характеристики батареи и общее расширение элемента часто не принимают во внимание, поскольку предполагается, что оно на порядок меньше, чем расширение анода. ³¹ Фактически, многочисленные исследования, которые сообщают об изменениях размеров катодного материала, в основном сосредоточены на ячейках мешочка, а не на отдельных электродах. ^{137, 138} Возможно, что дилатометрические исследования, полностью посвященные катодным материалам, реже по сравнению с их анодными аналогами из-за более высокого разрешения, необходимого для обнаружения мелких деталей в изменении толщины катодов.Существующие в настоящее время дилатометрические инструменты могут быть неспособны обнаруживать более тонкие детали, которые объясняют изменения толщины катода, которые могут быть связаны с кристаллографическими изменениями.

2.2 Дилатометрическая характеристика NiB

Крайне важно исследовать влияние электролита на интеркаляцию ионов натрия в электродах NiB, поскольку широко известно, что растворители могут влиять на реакции совместной интеркаляции и изменения объема электрода. ^{139, 140} Goktas et al. исследовали обратимый процесс сольватации ионов Na в графитовый электрод из эфирных электролитов (см. рисунок 8). Было обнаружено, что электрод периодически дышит примерно на 70–100% во время езды на велосипеде. ¹⁴¹

Измерения дилатометрии на месте для первых пяти циклов при C / 10 графитового электрода в эфирном электролите. Этот рисунок был воспроизведен из работы.[141] с разрешения. Авторские права (2018) Wiley-VCH.

Несмотря на большие изменения объема, которым подвергаются графитовые электроды во время натрирования / десодиации, не было обнаружено, что этот процесс препятствует обратимости реакции. Предполагается, что это может быть результатом двух возможностей: во-первых, SEI не образуется в эфирном растворителе или SEI обратимо образуется и разрушается, растворяясь в эфирном электролите с каждым циклом из-за большого объемного расширения. Карими и др. намеревались развить работу Goktas et al.путем изучения изменения объема графитового электрода в эфирных электролитах с различной длиной цепи. ¹⁴² Графитовые электроды подверглись наибольшему расширению во время первого натрирования во всех эфирных электролитах (100–130% от начальной толщины), возможно, из-за начального образования SEI. Графитовые электроды следовали с общим уменьшением толщины в течение последовательных циклов, как было обнаружено Goktas et al. Общее уменьшение толщины электрода предполагает перестройку электрода в эфирном растворителе во время продолжительного цикла.

Двумя наиболее часто используемыми связующими в LiB и NiB являются PVDF и CMC, каждое из которых имеет разные механические свойства. ¹⁴³ Escher et al. отслеживали влияние изменения типа связки на объемное расширение графитовых электродов в NiB с помощью ЭЦП на месте. ¹⁴³ Они обнаружили, что использование CMC вместо PVDF было эффективным для уменьшения расширения электрода во время начального натрирования. Однако во время циклирования дыхание электрода для обоих связующих было сопоставимым.Затем они добавили этилендиамин (EN) в качестве сорастворителя к электродным композициям и обнаружили, что эта добавка сильно снижает расширение электрода во время начального натрирования (175% без EN снижается до 100% при добавлении EN), а также дыхание электродов. что последовало. Авторы предполагают, что соинтеркаляция растворителя привела к образованию столбиков решетки графита и что добавление EN в электродную композицию вызвало изменение механизма накопления натрия. Альтернативой углеродистому аноду графиту для NiB является твердый углерод.Альптекин и др. использовали дилатометрию для отслеживания изменения толщины электродов, состоящих из твердого углерода и связующего CMC. ¹⁴⁴ Имеется заметное сходство с профилями расширения графитовых электродов Escher et al. такие как максимальное расширение, происходящее во время первого цикла содиации, и различия между начальной толщиной электрода и состоянием десодиации. ^{141, 143} Профиль расширения твердых углеродов также имеет начальную наклонную область, плато и конечную наклонную область во время натрирования, которые следуют профилю расширения, аналогичному профилю расширения графитовых электродов в литий-ионной химии, которые обсуждались ранее в этом обзоре. ^{33, 34, 54} Это открытие свидетельствует о том, что электроды на основе углерода могут иметь одинаковые профили расширения в различных химического состава ионов металлов, несмотря на наличие разных механизмов накопления заряда.

Как и в случае LiB, альтернативные кандидаты на анод, которые могут заменить графит с более высокой теоретической емкостью в NiB, включают Na ₃ P, Na ₁₅ Sn ₄ , Na ₃ Sb и кристаллический германий. Однако электродные материалы, такие как германий, претерпевают более значительные изменения объема, чем графит, что приводит к значительному снижению емкости. ^145-148 Деформация электрода, соответствующая натяжению / десодиации в кристаллических нанопористых анодах на основе Ge, контролировалась Li et al. ¹⁸ Увеличение объема было выделено как основная причина снижения емкости анодов на основе Ge. Было высказано предположение, что электроды, которые претерпевают стабильные обратимые изменения объема во время циклирования, могут потребоваться для преодоления снижения емкости, в отличие от электродов, которые претерпевают минимальное необратимое изменение объема. Кроме того, Brehm et al. измерили сниженный эффект «дыхания», наблюдаемый для анодов олово-сурьма во время гальваностатического цикла, путем оптимизации времени измельчения в шаровой мельнице во время синтеза. ¹⁴⁹ Многочисленные дилатометрические исследования NiB исследуют разновидности оловянных электродов. Исследования изучали аноды, состоящие из олова с другими металлами, а также влияние использования различных растворов электролитов. Механизм содиации / десодиации в оловянных электродах был изучен в электролитах на основе карбоната и электролитах на основе глима, чтобы продемонстрировать, как на образование SEI влияет используемый электролит. ¹⁵⁰ Олово и фосфор выделяются как многообещающие катодные материалы для NiB, учитывая их большую теоретическую емкость (847 мА ч г ^-1 и 2596 мА ч г ^-1 для Sn a P, соответственно) и их достаточно низкие рабочие напряжения. (0.25 и 0,6 В по сравнению с Na / Na ⁺ для Sn и P соответственно). К сожалению, их недостатком является то, что они сильно теряют емкость во время езды на велосипеде. Wang et al. исследовали комбинацию Sn и P, чтобы определить, может ли анодный состав SnP ₃ привести к улучшению электрохимических характеристик. ¹⁵¹ Однако Sn агломерировался в первичном аноде SnP ₃ при циклическом изменении, вызывая значительное снижение емкости. Снижение емкости первоначально приписывалось увеличению объема приблизительно на 1 000 м3.430% на аноде SnP ₃ , что намного больше, чем увеличение толщины электрода Sn на 60% при использовании 1 M электролита NaPF ₆ -DME. Однако они обнаружили, что значительное увеличение объема анода не всегда коррелирует со снижением емкости. Они пришли к выводу, что эти изменения толщины в первую очередь вызваны механизмом легирования анода SnP ₃ , а не агломерацией Sn во время циклирования. Sn и P сплавы с Na с образованием фаз сплава Na _3,75 Sn и Na ₃ P, соответственно, неизбежно с сопутствующим большим объемным расширением основного материала.В случае электродов из Sn образуются только сплавы Na с Sn, поэтому следует ожидать меньшего увеличения вредного объема, поскольку P отсутствует.

Ожидается, что

NiB обычно претерпевают большие изменения толщины во время циклов заряда / разряда, потому что ионы натрия больше, чем ионы лития. Фактически, Brehm et al. сравнивали Cu ₃ P в качестве анодного материала для NiB и LiB, и большее объемное расширение было зарегистрировано для Cu ₃ P в натриевых полуэлементах по сравнению с литиевыми полуэлементами из-за более крупных ионов натрия во время разряда (261% для Na по сравнению с 190 % для Li).Кроме того, диглимные растворители сравнивали с карбонатными растворителями как в Li, так и в Na полуячейках. Более стабильное «дыхание» было зарегистрировано, когда диглимовый электролит использовался в качестве растворителя, и было обнаружено быстрое разложение карбонатных электролитов. Считается, что при использовании карбонатных электролитов происходит неблагоприятное образование SEI, поскольку во время начальных циклов разряда было зарегистрировано большее расширение / сжатие в химическом составе полуэлементов как Li, так и Na, что указывает на протекание большего числа побочных реакций. ⁴⁰ Тяжелые побочные реакции и менее стабильное образование SEI приводят к быстрому снижению производительности.

Palaniselvam et al. ¹⁵² идентифицировал изменение в механизме накопления натрия от соинтеркаляции к вставке при измельчении графита в шаровой мельнице в графитовые нанопластинки (ЗНЧ). Влияние изменения механизма накопления натрия на изменение толщины может быть значительным. Дилатометрия показала, что изменение толщины электрода для графитовых нанопластинок, легированных азотом (SnNGnP), во время циклирования составило всего 14% и, следовательно, намного меньше, чем можно было бы ожидать от 420%, возникающих при использовании обычного Na _3.75 Sn. Это прямое доказательство того, что углеродная матрица эффективно амортизирует изменение объема Sn во время циклирования. Пористая структура нанокомпозита имела достаточно свободного пространства для расширения. Небольшое изменение толщины электрода, вероятно, является ключевым фактором, обеспечивающим длительный срок службы. Рыхлая и открытая структура нанокомпозита позволяла олову расширяться внутри электрода. Значительное расширение электрода, которое в противном случае могло бы способствовать разрушению электрода, эффективно предотвращается.Palaniselvam et al. ¹⁵³ дополнительно исследовали электроды на основе Sn в NiB. В этом исследовании было обнаружено, что графитовые и композитные электроды из олова и графита имеют отчетливо разные профили расширения во время циклирования из-за реакции легирования Na с Sn. Комбинированный механизм накопления, основанный на образовании интеркаляции графита и образовании сплава Na-Sn, был измерен с помощью ЭЦП на месте и XRD на месте. Хотя теоретическое объемное расширение Sn составляет 420%, только 3% были связаны с Sn во время первых циклов Sn-графита, что, скорее всего, было связано с хорошей дисперсией наночастиц Sn в графитовой матрице.Эту работу можно расширить за счет использования электролита на основе лития, чтобы изучить, как эти электродные материалы работают с химией литиевых полуэлементов с ЭЦП на месте и XRD на месте.

Наконец, Palaniselvam et al. исследовали, как обработка электродов Sn ₄ P ₃ твердым углеродом, легированным азотом (NHC), влияет на изменение толщины во время цикла по сравнению с Sn ₄ P ₃ и электродами Sn ₄ P ₃ »/ NHC. .Для электрода Sn ₄ P ₃ эффективное изменение толщины находилось в диапазоне 11–16.8 мкм, что соответствовало увеличению примерно на ≈53%. Циклирование Sn ₄ P ₃ было маловероятным, и наблюдалась быстрая деградация. Для электрода «Sn ₄ P ₃ » / NHC среднее изменение толщины электрода составило около 4 мкм, т.е. То есть электрод расширился примерно на 12% во время натрирования. Использование NHC уменьшило относительное расширение электродов Sn ₄ P ₃ и увеличило срок службы, что привело к довольно обратимой стабильности во время циклирования. ¹⁵⁴

2.3 Дилатометрическая характеристика литиевых твердотельных батарей (SSB)

2.3.1 Дилатометрия во время обработки

Многочисленные дилатометрические исследования сосредоточены на изменениях размеров, которые происходят в материалах электролитов SSB во время обработки. ^155-158 Процессы, которые могут вызвать изменение размеров SSB, включают спекание, уплотнение и сжатие. Спекание — это критически важный технологический метод производства материалов с керамическими электролитами, в котором используются высокие температуры для уплотнения керамических порошков в твердую форму.Уменьшение пористости и увеличение плотности -i. е. уплотнение — керамики улучшает их механические свойства. Дилатометр можно использовать для измерения усадки различных керамических порошков во время уплотнения и использовать это как отражение того, насколько хорошо керамические порошки были спечены, и эффективности использования определенных вспомогательных средств для спекания. Добавки для спекания хорошо зарекомендовали себя в процессе обработки, помогая снизить температуру спекания и при этом достичь приемлемой плотности гранул SSB.

Как упоминалось ранее в разделе 1.2, высокотемпературные диапазоны, используемые при обработке SSB, делают дилатометр с толкателем (см. Рис. 9) предпочтительным инструментом. Дилатометры с толкателем состоят из печи (печи), толкателя и LVDT. Когда материал образца изменяется по длине, толкатель (соединенный с образцом) передает изменения длины материала образца на датчик LVDT, где определяются абсолютные изменения длины материала образца. Температурные кривые могут быть реализованы с использованием печи, и, таким образом, изменения длины образца могут быть определены как функция температуры, что полезно для изучения температур спекания SSB.

Иллюстрация дилатометра Linseis Model L75, используемого Jonson et al. ¹⁵⁹ Изображение воспроизводится с https://www.linseis.com/en/products/dilatometer/l75-pt-horizontal/. Авторское право (2021 г.) Linseis GmbH.

Jonson et al. измерили изменение длины твердых электролитов Li ₇ La ₃ Zr _1,75 Nb _0,25 Al _0,1 O ₁₂ (LLZNbO) в процессе уплотнения. ¹⁵⁵ Дилатометрический анализ показал спекание LLZNbO при использовании 6 мас.% Li ₃ BO ₃ (LBO) в качестве спекающей добавки при 710 ° C. При повышении температуры усадка гранул LLZNbO увеличивалась. Однако оптимальное содержание LBO для ионной проводимости в таблетках LLZO, спеченных при 1000 ° C, составляло от 1 до 2 мас.% LBO, что объясняется устранением взаимодействий LBO-подложка. На этом уровне LBO ионная проводимость в таблетках составляла ∼2,5 · 10 ⁻⁴ См · см ⁻¹ после спекания в атмосфере аргона при 1000 ° C в течение 6 часов.Shin et al. также использовали LBO в качестве спекания при исследовании спекаемости Li _7- La ₃ Zr ₂ O ₁₂ (LLZ) твердых электролитов, нагретых со скоростью 10 ° C мин. ^-1 до 1200 ° С. ^{157, 158} Когда LLZ спекали без добавки для спекания LBO, усадка происходила быстро при температуре выше 1000 ° C. Принимая во внимание, что LLZ, нагретый в присутствии LBO, дает усадку примерно до 700, ^°, ° C, что намного ниже, чем температура, необходимая для усадки чистого LLZ, и аналогичная температура спекания, указанная Jonson et al.при использовании той же спекающей добавки с LLZNbO. ¹⁵⁵ Дилатометрические измерения показали, что усадка композита LLZ-8 мас.% LBO происходит в два этапа; один при 700 ° C, а второй при температуре выше 800 ° C, что позволяет предположить, что LLZ-LBO подвергся двум независимым процессам спекания. Они также показали, что плотность композита LLZ-8 мас.% LBO, спеченного в течение 8 часов при 1100 ° C, была намного выше (86,4%), чем плотность чистого LLZ (64,0%), что позволило достичь приемлемых плотностей SSB при более низкой температуре спекания.На усадку LLZ в значительной степени повлияло смачивание LBO, которое начало усадку при 630 ° C и начало плавления при 850 ° C.

Дилатометрия показывает, что керамические гранулы Li _{1+ x} Al _x Ti _{2- x} (PO ₄ ) ₃ (LATP) керамические гранулы с высокой относительной плотностью могут быть получены спеканием порошков в районе 900 ° C. ¹⁶⁰ Davaasuren et al.исследовали изменения размеров исходных гранул LATP в зависимости от температуры. ¹⁶⁰ Гранулы LATP практически не усаживаются при температуре до 650 ° C, сохраняя 95% своей первоначальной толщины. Однако после этого при активном уплотнении произошла резкая усадка. По мере увеличения температуры спекания скорость диффузии постепенно увеличивалась, способствуя росту зерен и уменьшая пористость керамики. Плотный осадок с четко выраженной микроструктурой регистрировали при 900 ° C. LBO различной стехиометрии может использоваться в качестве спекающей добавки при уплотнении электролита SSB.Было обнаружено, что спекание в присутствии Li ₂ B ₄ O ₇ стабилизирует микроструктуру электролита LATP, действуя как ионопроводящий мостик между зернами LATP, улучшая контакт между зернами и укрепляя границы зерен.

Hupfer et al. исследовали изменение длины гранул LiTi ₂ (PO ₄ ) ₃ (LTP) и гранул LATP во время уплотнения с использованием LiTiOPO ₄ в качестве спекающей добавки.В этом случае усадку контролировали от 600 ° C до 1200 ° C. Они обнаружили, что при спекании LTP с LiTiOPO ₄ температура спекания значительно снизилась с 1200 ° C до примерно 1050 ° C. Путем измерения связанной усадки LTP и LATP при повышении температуры до 1200 ° C было обнаружено, что 900 ° C является достаточной температурой спекания для уплотнения LATP в присутствии LiTiOPO ₄ . Таким образом, дилатометрические измерения. показали, что LiTiOPO ₄ и различные стехиометрии Li _x B _y O _z (LBO) эффективны в снижении температуры спекания гранул SSB и что приемлемая плотность гранул SSB все еще может быть быть достигнутым, несмотря на снижение температуры.

2.3.2 Дилатометрия во время работы

также можно использовать дилатометры с толкающим поршнем для исследования материалов SSB при комнатной температуре. Zhang et al. продемонстрировали это, сообщая об изменениях давления и объема как катода, так и анода SSB при 25 ° C во время циклического переключения постоянного тока со скоростью C / 10 и C / 4, соответственно. В этом сценарии композитный катод, состоящий из LiCoO ₂ , с 1 мас.% -LiNb _0,5 Ta _0.5 O ₃ покрытие и Li ₁₀ GeP ₂ S ₁₂ (LGPS) добавка была использована вместе с твердым электролитом LGPS внутри узла дилатометра. Анод состоял из индиевой фольги. ¹⁶¹ Значительные изменения толщины и давления произошли во время циклирования SSB. Объемное расширение катода LiCoO ₂ и объемное расширение во время твердотельной реакции от тетрагонального индия до кубической фазы InLi _1-x в основном объясняются наблюдаемыми изменениями толщины / давления SSB-ячейки.Изменения объема анода Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ оказались минимальными по сравнению. При более высокой скорости C была получена меньшая производительность, что привело к меньшим изменениям толщины и давления. Было высказано предположение, что снижение емкости при более высоких скоростях углерода было связано с необратимыми процессами на границе раздела электрод / электролит и потерей контакта с частицами из-за «дыхания» SSB. Работа Zhang et al. ¹⁶¹ могут быть созданы путем использования различных электродных составов в одном и том же дилатометрическом узле для исследования объемного расширения различных активных материалов SSB.Во время этого обзора исследования дилатометрии во время работы SSB очень ограничены, и большинство дилатометрических исследований SSB сосредоточено на стадии обработки. Похоже, что возможность использования дилатометрии для выявления изменений давления и объема гранул SSB во время работы еще не полностью реализована и может способствовать пониманию деградации этих материалов.

Исследование SSB включает самые разнообразные варианты использования моделей дилатометров для экспериментов по сравнению с другими электрохимическими приборами.Температура спекания может превышать 600 ° C; Baek et al. заявил, что спеченное тело, которое может действовать как электролит, не может быть сформировано при температурах ниже 400 ° C. ¹⁶² Дилатометры с толкателем позволяют проводить измерения при температуре от 0 ° C до 1200 ° C. ^{157, 159, 160} Другие дилатометры не могут работать в этом температурном диапазоне. Например, модель ECD-3 имеет диапазон рабочих температур от –20 ° C до 70 ° C.

2.4 Дилатометрическая характеристика Li-S аккумуляторов

Аккумуляторы Li-S

могут вытеснить LiB из-за их более высокой гравиметрической плотности энергии.Однако Li-S аккумуляторы представляют собой различные осложнения, такие как растворение активного материала в фазе электролита и большие изменения объема катода. ^163-165 Два основных недостатка Li-S аккумуляторов включают литиирование от серы до сульфида Li в катодах Li-S аккумуляторов, вызывающее объемное расширение до 80% и перенос полисульфидных соединений, что, в свою очередь, приводит к необратимому сжатию Li-S. аккумуляторные катоды. ^166-168

Связующее в серных электродах играет ключевую роль в электрохимических характеристиках Li-S батарей.Связующее, которое обеспечивает лучшую механическую прочность, вероятно, уменьшит изменение толщины серных электродов во время циклирования. Lemarie et al. ¹⁶⁹ сравнили изменение толщины трех серных электродов, состоящих из трех разных связующих; PVdF, CMC и катионный полиэлектролит (PDDA). Они обнаружили, что электрод на основе полиэлектролита показал самое низкое необратимое сокращение толщины ~ 16% по сравнению с ~ 22% и ~ 31% для CMC и PVdF соответственно во время начального цикла разряда (растворение серы).Эти результаты были усреднены по трем дилатометрическим измерениям для каждой композиции и позволяют предположить, что структурная целостность наиболее высока для PDDA, за которым следуют CMC и PVdF. Электрод с наименьшим изменением толщины, в конечном итоге, вероятно, будет иметь наиболее продолжительный срок службы в Li-S батарее. Как и в ранее обсуждавшихся примерах, в которых используется сочетание характеристик с дилатометрией, в этом исследовании используется дилатометрия in situ в сочетании с электрохимической АЭ и синхротронной рентгеновской томографией in situ.Рентгеновский КТ-анализ in situ был сосредоточен на первом разряде электродов CMC и PDDA, так как это было, когда произошли большие необратимые морфологические изменения электродов, как предполагалось на основе предыдущих измерений ECD и AE.

Li et al. исследовали литиирование / делитирование и вызванные растворением полисульфидов изменения размеров в Li-S катодах во время заряда / разряда. ¹⁶⁶ Были исследованы два катодных материала Li-S: ткань из активированного угля (ACC) с очень высокой удельной поверхностью и ACC, пропитанная Li ₂ S (ACC @ Li ₂ S).Было заявлено, что ACC может обратимо накапливать Li за счет адсорбции, но не за счет окислительно-восстановительных процессов. В то время как ACC @ Li ₂ S может подвергаться как емкостным, так и фарадеевским процессам для хранения Li. Электрод ACC использовался в качестве контроля для дилатометрических измерений. Было зафиксировано необратимое сокращение из-за непрерывного растворения полисульфидных соединений в электролите во время цикла. Полученные данные проливают новый свет на механизм выхода из строя Li-S катодов и, таким образом, дополнительно объясняют причину плохого срока службы этих батарей.Основываясь на этих новых идеях, срок службы и работоспособность Li-S аккумуляторов может быть улучшен за счет частичного контроля размерных изменений, происходящих в материалах, чтобы уменьшить пагубно большие объемные расширения. Хотя обратимых изменений размеров нельзя полностью избежать, необратимые изменения размеров можно уменьшить, предотвращая потерю активного материала во время цикла и, в свою очередь, увеличивая срок службы Li-S батарей. ¹⁶⁶

Основная проблема Li-S аккумуляторов — это образование дендритов лития на поверхности литиевого электрода, которое в конечном итоге может привести к выходу элемента из строя.Кузьмина и др. исследовали, можно ли использовать ECD для исследования роста дендритов Li в ячейке из нержавеющей стали Swagelok®, модифицированной Li-S, оснащенной LVDT. ¹⁷⁰ Было обнаружено, что ECD может не только выявить образование дендритов Li на ранних стадиях, но и количественно оценить скорость их роста. На ранних стадиях циклирования не было зарегистрировано никаких значительных изменений толщины электродов, однако после формирования SEI было зарегистрировано увеличение толщины Li-электрода с почти постоянной скоростью по мере постепенного роста новых дендритов Li.Увеличение толщины электрода совпало с небольшим уменьшением напряжения, которого следовало ожидать, поскольку металлический Li становится электрохимически неактивным.

На момент написания этого обзора в целом отсутствуют исследования изменений размеров в Li-S батарее с использованием ECD. Однако есть потенциал для использования ECD для исследования изменений размеров серных электродов, состоящих из различных связующих, влияния растворения полисульфида на изменения размеров катодов Li-S и размерных изменений, связанных с образованием дендритов.В конечном счете, Li является одним из наиболее многообещающих анодных материалов в перезаряжаемой батарее, поскольку он предлагает высокую теоретическую удельную емкость (3860 мА · ч г ^-1 ) и большой отрицательный стандартный окислительно-восстановительный потенциал в электрохимической серии. ¹⁷¹ Работа Кузимы и др. может быть адаптирован для химии LIB, в которой используется литий-электрод, чтобы преодолеть ограничения роста дендритов на литиевых электродах, так что впечатляющие плотности энергии могут быть реализованы в перезаряжаемых батареях следующего поколения.

.