Как приготовить электролит для аккумулятора: Как приготовить электролит

Содержание

Как приготовить электролит для аккумулятора?

Автомобильные свинцово-кислотные стартерные аккумуляторные батареи заправляются электролитом, который является раствором серной кислоты  h3SO4, плотностью  1,83 г/см3. От качества  электролита, то есть от его плотности и чистоты используемых составляющих, напрямую зависит качество работы аккумулятора и срок его службы. При приготовлении электролита необходимо использовать только дистиллированную воду и чистую аккумуляторную серную кислоту. Даже самые незначительные примеси  в электролите негативно скажутся на работе аккумулятора и сократят срок его службы.

Как известно, автомобильные аккумуляторы поступают в продажу сухозаряженными, то есть без электролита, или уже заправленными на заводе электролитом, и готовыми к эксплуатации. Главное преимущество сухозаряженных аккумуляторов в том, что их можно длительное время хранить, и после заправки такой аккумулятор не потеряет своих качеств. В свою очередь, заправленные электролитом аккумуляторы хранить можно меньше, но, такие батареи уже готовы к эксплуатации, что очень удобно. Кроме того, как правило, на заводах, где производяться аккумуляторы, для заправки аккумуляторов используется качественный электролит с необходимой плотностью, что можно считать еще одним преимуществом таких батарей.

Очень часто люди знают как подобрать и купить аккумулятор который уже готов к работе, но иногда, все  же, автомобилистам приходится самостоятельно приготавливать электролит для заправки АКБ, или для его долива в банки аккумулятора. Для этой цели нужно в первую очередь подготовить соответствующую посуду. Вся посуда, используемая для приготовления электролита должна быть чистой и кислотоупорной, лучше всего для этой цели подходит стеклянная или пластиковая посуда. Вначале в емкость наливают дистиллированную воду, а затем, очень осторожно, тонкой струйкой в воду доливают серную кислоту, одновременно размешивая раствор стеклянной палочкой, или палочкой из иного кислотоупорного материала. Кислота должна равномерно перемешаться с водой по всему объему.

Кислоту нужно добавлять небольшими порциями, и периодически контролировать плотность раствора, замеряя её ареометром. Добавление кислоты прекращают, после того, как электролит  достигнет необходимой плотности. В зависимости от сезона года и климатической зоны,  в которой будет использоваться аккумулятор, плотность электролита может отличаться. В среднем она составляет от 1,21 до 1,31 г/см3. В районах с низкой температурой плотность электролита должна быть выше, а в местности, где температура выше, плотность электролита должна быть ниже. Например, в районах, где температура зимой не опускается ниже -30 градусов, плотность электролита должна быть  1,25 г/см3.

Для получения электролита нужной плотности, удобно пользоваться таблицей, составленной из того расчета, что используемая аккумуляторная кислота имеет плотность  1,83 г/см3. Так, для приготовления электролита плотностью 1,23 г/см3  нужно  добавить на литр дистиллированной воды  280 г  кислоты, для  приготовления   электролита  плотностью 1,25 г/см3 соответственно  310 г кислоты на литр воды, для электролита плотностью 1,27 г/см3 —  345 г кислоты на литр воды, и для электролита  плотностью 1,29 г/см3 — 385 г кислоты на литр воды.

При работе с кислотой соблюдайте меры предосторожности, используйте рабочие перчатки хб с прорезиненной основой, и надевайте защитные очки. Не вливайте воду в кислоту, так как при этом возможно разбрызгивание раствора в результате бурной реакции. В случае попадания кислоты или электролита на кожу, осторожно, с помощью заранее приготовленной  ваты, снимите кислоту или электролит с тела, промойте этот участок кожи 5% -м раствором  обычной  пищевой соды, после чего обратитесь за медицинской помощью.

  • < Назад
  • Вперёд >

как сделать для щелочных аккумуляторов

На сегодняшний день рынок аккумуляторных батарей предлагает автолюбителям массу различных вариантов аккумуляторов. Главный критерий, по которому выбираются батареи – долгий срок службы электролита внутри. Можно приобрести сухозаряженные АКБ и потом сделать электролит самостоятельно, либо купить уже готовый вариант, залитый в заводских условиях. После покупки обслуживание можно делать либо своими руками, либо в специальных сервисах. Поэтому важно знать, как готовить электролит своими руками , чтобы в случае необходимости вы были вооружены к самостоятельному обслуживанию АКБ.

Подготовка к процессу

Перед тем как начинать приготовление электролита, нужно подготовить все необходимые для этого вещи. Вам потребуются такие элементы процесса:

  • Специальная эбонитовая или керамическая посуда, объемом не менее 4 литров. Важно, чтобы посуда была стойкая к кислоте.
  • Инструмент для размешивания щелочных материалов. Так как делать это вы будете своими руками, то инструмент также должен тоже быть кислотоустойчивым.
  • Дистиллированная вода.
  • Ареометр.
  • Серная кислота. Обязательно требуется использовать специальную аккумуляторную серную кислоту.

Приготовление сопровождается соблюдением техники безопасности, вам потребуются:

  • Резиновые перчатки.
  • Халат или плотный фартук.
  • Защитные очки для глаз.
  • Нашатырная и борная кислота.

Только имея все необходимое, допускается своими руками готовить электролит.

Приготовление жидкости для АКБ

По правилам техники безопасности, сделать электролит можно будет только после того, как выполняющий все операции человек будет должным образом защищен всеми доступными средствами защиты. Перед тем как приступать к делу, еще раз в голове прокрутите последовательность действий, чтобы ничего не перепутать, проверьте под рукой ли ареометр.

Итак, начинать нужно с промывки всей используемой посуды дистиллированной водой, а после этого посуда обязательно должна высохнуть. Также нужно сказать, что между приготовлением электролита с нуля и доливкой в аккумулятор есть существенная разница. Когда у вас ареометр показал упавшую плотность в АКБ, то вы должны долить внутрь только воды, ни в коем случае не кислоты. Когда же вы готовите электролит с нуля, то в емкость сперва наливается вода, а потом кислота. Эти два момента ни в коем случае нельзя путать – это крайне важно для того, чтобы правильно приготовить электролит своими руками.

Все дело в том, что серная кислота продается концентрированная, из расчета на емкость стандартных видов аккумуляторов. При соприкосновении с водой начинается химическая реакция, при этом если перепутать ингредиенты, то реакция начнет сопровождаться всплесками и значительным увеличением температуры. Во время изготовления жидкость нужно помешивать с помощью кислотоустойчивой палочки.

Критерии изготовления

При готовке электролита для щелочных аккумуляторов, нужно в руководстве по эксплуатации обязательно посмотреть рекомендуемое значение плотности. В большинстве случаев плотность привязывается к +25°С – это позволит исключить вероятность замерзания и повреждения аккумулятора вследствие этого. Если же у вас температура отлична от этого показателя, то используя ареометр, вам своими руками нужно будет увеличить плотность. Это делается в пропорции 0.035 единиц на 5 градусов. Соответственно, если температура ниже, то плотность понижается по такому же принципу. Также обязательно для щелочных аккумуляторов нужно измерить изначальную плотность серной кислоты. В концентрированном варианте она равна 1.83 г/см3, если вы покупаете готовый электролит, то плотность 1.43 г/см3.

Электролит для автомобильных аккумуляторов

Что такое электролит, его функции

Электролит в аккумуляторе автомобиля — это особая жидкость, обеспечивающая необходимое накопление энергии. От состава и качества такого проводника во многом зависит производительность и срок службы баратеи. Этот показатель измеряется циклами зарядка-разрядка и может отличаться для различных типов аккумулятора. Непосредственно в самом электролите происходит сохранение энергии после подзарядки. Большинство современных аккумуляторов работают с использованием электролитных растворов.

Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов

Автомобильные аккумуляторные батареи можно классифицировать по типу используемых веществ. В основном они представлены двумя типами АКБ: щелочными и кислотными. Уже по названию становится понятно, что у них совершенно разная среда электролитного раствора. При покупке или замене жидкости необходимо учитывать этот момент, иначе батарея придет в негодность.

Состав электролитных растворов:

  • Для щелочных АКБ используется смесь дистиллированной воды с растворенными в ней солями металлов.
  • Кислотные аккумуляторы в качестве проводника используют раствор серной кислоты. Его плотность должна быть в пределах 1,1-1,3 гр/см³. Для самостоятельного приготовления раствора необходимо смешать кислоту и дистиллированную воду.

Недостатком подобных устройств можно считать необходимость регулярного осмотра и доливки в емкость дистиллированной воды. Батарея может выйти из строя при использовании обычной воды или другой подобной жидкости. Дело в том, что дистиллированная вода очищена от подавляющего большинства минеральных примесей. При использовании обычной жидкости, эти элементы вступают в реакцию с кислотой, что приводит к выпадению осадка и появлению налета на пластинах АКБ. Применение дистиллированной воды хорошего качества позволит избежать таких ситуаций и продлит срок полезной эксплуатации батареи.

Процесс изготовления электролита

Для дозаливки АКБ используется только дистиллированная вода, но этот момент относится к приобретенной батарее с уже набранным электролитным раствором. Если же аккумулятор продавался «сухим», приготовить раствор и осуществить его заливку придется самостоятельно. С этим справится любой человек, главное — соблюдать меры безопасности и пропорции разведения веществ.

Для приготовления такого раствора используется серная кислота именно для АКБ. Она подвергается более высокой степени очистки, а ее плотность обычно составляет 1,84 гр/см³. Применение других типов веществ не может обеспечить необходимую чистоту и концентрацию раствора. Если самостоятельное приготовление вызывает затруднения, можно также использовать готовую купленную жидкость для дозаливки АКБ.

Приготовление электролита с кислой средой:

  1. Емкость для разведения используется исключительно керамическая или из эбонита. Стекло быстро приходит в негодность вследствие агрессивного воздействия кислоты. Объем емкости также имеет значение и должен составлять не менее четырех литров.
  2. Подходящий инструмент для размешивания раствора. Он также должен обладать стойкостью к кислой среде.
  3. Ареометр — специальный прибор, измеряющий плотность жидкости. Для конкретного случая он должен определять плотность раствора кислоты (продается в автомагазинах).
  4. Защитное снаряжение, включающее не только плотную одежду (рабочий фартук), но и перчатки, а также очки для защиты органов зрения.
  5. В первую очередь необходимо промыть все элементы, с которыми будет впоследствии контактировать химикаты, дистиллированной водой. Это позволит избежать попадания в раствор посторонних примесей.
  6. Важный момент: в емкость сначала наливают воду, а уже затем добавляют кислоту. Обратная последовательность вызовет бурную химическую реакцию с сильным повышением температуры. При такой ситуации трудно будет избежать ожогов и порчи окружающей обстановки, поэтому это правило следует запомнить обязательно.
  7. При добавлении кислоты в жидкость, необходимо тщательно медленными движениями перемешать раствор, добиваясь однородного состояния.
  8. Плотность электролитного раствора зависит от марки АКБ, поэтому этот момент обязательно стоит посмотреть в инструкции оборудования.
  9. Для приготовления одного литра раствора следует взять 0,35 л серной кислоты и 0,7 — воды. При смешении, объем жидкости немного уменьшается. Кроме того, следует учитывать и температуру раствора, которая также влияет на его плотность. Желательно проводить замеры несколько раз, а использовать готовый раствор только после того, как окончательно убедитесь в его пригодности.

Заливка раствора в АКБ осуществляется при помощи воронки и все того же инструмента для помешивания. Делать это необходимо очень аккуратно, чтобы не вызвать нежелательных химических реакций в батарее. Остатки раствора не стоит утилизировать. Они пригодятся для дозаправки АКБ, поэтому их переливают в стеклянную емкость, плотно закрывают и обязательно маркируют с указанием даты приготовления. Это необходимо, чтобы исключить риск использования негодного уже раствора, а также не перепутать емкость с другими техническими веществами.

Срок службы электролита

Непосредственно сам раствор может храниться длительный срок без потери основных характеристик. Для того, чтобы предупредить выпадение осадка, следует прятать емкость от прямых солнечных лучей и сильных температурных перепадов. Что касается электролита, уже залитого в батарею, его пригодность определить будет сложней, ведь на это влияют многие факторы.

На срок полезной эксплуатации АКБ влияют следующие факторы:

  • Регулярная зарядка батареи.
  • Поддержание комфортного температурного режима.
  • Осмотр и дозаправка электролитом.
  • Использование исключительно качественных химических веществ для приготовления раствора.

Точный период использования аккумулятора определить достаточно сложно. На это также влияет марка машины, оснащение дополнительными функциями и интенсивность эксплуатации авто. Кроме того, не так уж редко встречается и заводской брак, при котором из строя выходит вроде бы недавно приобретенная батарея. Обычно производители рекомендуют заменять аккумулятор каждые три-пять лет, но в современных реалиях многие автолюбители не расстаются с ним на протяжении пяти-семи лет.

Как контролировать электролит

Электролит для кислотных аккумуляторов, впрочем, как и для его щелочных аналогов, не имеет фактического срока годности. Обычно сухозаряженная батарея заправляется только раз, после чего осуществляется доливка раствора при необходимости до нужного уровня. Полная замена раствора понадобится нечасто, обычно в случае его помутнения вследствие использования обычной или некачественной дистиллированной воды.

Плотность электролита летом и зимой

В зависимости от температурных режимов эксплуатации авто, необходимо контролировать и плотность используемого электролитного раствора. Для этого необходимо уяснить несколько правил, а также внимательно изучить инструкцию по эксплуатации именно вашего типа батареи.

Что важно знать:

  • В северных регионах с суровыми зимами плотность электролита должна быть в пределах 1,27-1,29 гр/см³.
  • Для Средней полосы с умеренным климатом предпочтительная плотность электролита от 1,25-1,27 гр/см³.
  • В южной части страны плотность электролитного раствора варьируется в пределах 1,23-1,25 гр/см³.

Для продолжительной работы аккумулятора рекомендуется снимать устройство при длительном простое (например, на ночь). Считается, что окружающая температура ниже 30 градусов мороза отбирает у батареи более 50% заряда, что негативно влияет на ее дальнейшую эксплуатацию. Также необходимо знать, какой электролит заливать в аккумулятор летом. Он должен иметь меньшую плотность, нежели «зимний» вариант. Это облегчит прохождение и накопление разряда, а также положительно скажется на продолжительности эксплуатации батареи.

Как добиться нужной плотности в аккумуляторе

При самостоятельном изготовлении раствора, необходимо не только знать, из чего состоит электролит. Главное требование — обеспечение нужной плотности жидкости, чтобы заряд хорошо сохранялся в такой среде. Для контроля и проверки этого показателя применяется простой и доступный прибор — ареометр. Он работает по принципу закона Архимеда и показывает плотность жидкости. При недостаточном ее уровне, раствор разбавляется кислотой, а если необходимо понизить плотность — добавляется дистиллированная вода.

Электролитный раствор обеспечивает работу аккумуляторной батареи, а также определяет ее производительность. При правильном подходе, эта жидкость в обязательном порядке периодически тестируется, доливается, либо заменяется полностью. На работу АКБ в большей мере влияет и температура окружающего воздуха, поэтому в особо суровые морозы стоит заносить аккумулятор в тепло. Какой электролит заливать в аккумулятор зимой, а также другие нюансы приготовления и применения этого проводника рассмотрены в нашей информации.

Как приготовить электролит для аккумулятора

Основные компоненты, которые входят в состав любого электролита — это дистилированная вода и специальная аккумуляторная серная кислота. Кроме этого, в последнее время довольно часто можно встретить в автомагазинах всевозможные присадки для электролита, призванные улучшать определенные его качества, такие как номинальный ток, увеличение срока службы пластин. Рассматривать их мы не будем, так как для этого необходимо выполнить специальные тесты подтверждающие или отрицающие их свойства. Мы будем изготавливать простой чистый электролит в домашних условиях.

Для того, чтобы приготовить электролит для аккумуляторной батареи вам потребуется следующий необходимый инструмент:

  1. Емкость для приготовления смеси. Данная емкость должна быть стойкой к воздействию кислоты.
  2. Ариометр с заборной грушей. Так же потребуется еще пара резиновых груш с наконечниками стойкими к действию кислоты.
  3. Так же нам потребуются пара минзурок со шкалой деления для дозирования.
  4. Подготовьте стекляную палочку для перемешивания электролита и стеклянную воронку.

Если все необходимое присутствует в вашем арсенале, то можно приступать к процессу приготовления электролита для аккумуляторной батареи.

Как вы уже поняли для приготовления электролита придется смешивать два ингридиента — кислоту и дистилированную воду. Прежде всего необходимо приготовить электролит плотностью 1.4г/см³, для этого налейте в емкость воду и затем уже доливайте кислоту тонкой струйкой, постоянно помешивая раствор стекляной палочкой.

PS: При смешение кислоты и дистилированной воды соблюдайте правильную последовательность, всегда первая кислота вливается в воду, но не наоборот.

После того, как ингридиенты смешаны, полученный электролит необходимо остудить до температуры 25° и далее путем добавления либо воды или кислоты довести плотность до необходимой согласно вашей климатической зоны. Замер плотности осуществляем с помощью ариометра, на этикетке которого так же есть таблица с рекомендуемыми значениями. Стоит помнить, что выведение необходимой плотности должно проводится при температуре электролита 24-26°. При повышение температуры на 1° плотность понижается на 0.0007г/см³ и соответственно при понижение температуры, плотность повышается.

После приготовления электролита для АКБ, ему необходимо дать отстояться около 15-20 часов. Серная кислота очень хорошо впитывает влагу из окружающего воздуха, который потом выпадает в осадок. Попадание механического осадка в аккумуляторную батарею не допускается.

Электровоз ВЛ60 | Электролит в щелочных аккумуляторах

В щелочных аккумуляторах применяют составной электролит — раствор едкого кали марки А (твердый) или В (жидкий) плотностью 1,19-1,21 г/см3 (23- 25° по Боме) с добавкой моногидрата лития 20 г на 1 л (моногидрат лития содержит не менее 50 % едкого лития). На этом электролите можно работать при температуре от -19 до -4-35 °С. Допустимы кратковременные повышения температуры до 45 °С. Составной электролит обеспечивает наиболее длительный срок службы аккумуляторов (примерно 750 циклов).

При температуре ниже -20 °С аккумуляторы должны работать на растворе едкого кали повышенной плотности 1,25-1,27 г/см3 (20-31° по Боме) или составном калиево-ли-тиевом электролите плотностью 1,25-1,27 г/см3. Для этого аккумуляторы, которые до перехода на электролит повышенной плотности работали на едком натре, сначала заливаются (на 2-3 цикла) раствором едкого кали плотностью 1,19 г/см3 (23° по Боме), после чего производится смена электролита раствором едкого кали плотностью 1,25-1,27 г/см3 или составным ка-лиево-литиевым электролитом плотностью 1,25-1,27 г/см3. Составной электролит, вылитый из аккумуляторов перед заливкой электролитом из едкого кали плотностью 1,25- 1,27 г/см3, следует хранить в герметически закрытой посуде. Его можно вновь использовать в случае перевода аккумуляторов на постоянную работу при температуре выше -19 °С.

Если нет едкого кали, можно применять составной электролит — раствор едкого натра (каустическая сода, сорт А) — плотностью 1,17- 1,19 г/см3 (21-23° по Боме) с добавкой 10 г моногидрата лития на 1 л. На этом электролите можно работать в пределам температур от 10 до 45 °С.

При отсутствии моногидрата лития в случае эксплуатации аккумуляторов при температуре от +15 до -15 °С их заливают раствором едкого кали плотностью 1,19- 1,2 г/см3, при температуре от 10 до 30 °С — едким натром плотностью 1,17-1,19 г/см3 (21-23° по Боме). В этом случае (без добавки моногидрата лития в электролит) срок службы аккумуляторов уменьшается до 250-350 циклов.

Состав щелочи

Состав щелочи — сорт А — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,04 и 0,045; сорт Б — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,028 и 0,032 — выпускают в готовом виде для приготовления составного электролита. Составные щелочи поставляются в гранулированном состоянии или в жидком концентрированном виде (плотность не менее 1,41 г/см3) в герметически закупоренных железных или стеклянных сосудах.

Приготовление электролита. Для растворения едкого кали или едкого натра пригодна дистиллированная вода, дождевая вода, собранная с чистой поверхности, и вода, полученная при таянии чистого снега. В случае необходимости разрешается применять для приготовления электролита для щелочных аккумуляторов любые естественные воды (грунтовые, речные, озерные), признанные санитарным надзором годными для питья (кроме минеральных). Питьевую воду можно для приготовления электролита применять в сыром виде.

Твердую щелочь и моногидрат лития следует хранить в герметичных сосудах во избежание поглощения углекислоты из воздуха.

Чтобы приготовить электролит из твердых щелочей, берут для получения следующих растворов: едкого натра плотностью 1,17- 1,19 г/см3- 1 весовую часть твердого едкого натра на 5 весовых частей воды; едкого кали плотностью 1,19- 1,21 г/см3- 1 весовую часть твердого едкого калия на 3 весовые части воды; едкого кали плотностью 1,25- 1,27 г/см3- 1 весовую часть едкого кали на 2 весовые части воды.

Количество электролита в литрах, необходимое для заливки аккумуляторов батареи, определяют умножением числа, указывающего количество электролита для заливки одного аккумулятора данного типа, на число аккумуляторов в батарее.

Чтобы определить массу твердого кали или натра в килограммах, необходимого для приготовления требуемого количества электролита, надо разделить количество электролита в литрах:

на 5, если требуется приготовить раствор едкого натра плотностью 1,17-1,19 г/см3;

на 3, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21 г/см3;

на 2, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,25-1,27 г/см3.

После растворения едкого кали или едкого натра как в дистиллированной, так и в естественных водах необходимо дать раствору отстояться до полного осветления (обычно от 3 до 6 ч), а затем слить осветлившуюся часть. Отстоявшийся и остывший до температуры не выше 20 °С раствор пригоден для заливки в аккумуляторы.

Растворение щелочи в воде можно производить в чистой металлической, рластмассовой или стеклянной посуде. Запрещается пользование оцинкованной, луженой, алюминиевой, медной, керамиковой и свинцовой посудой, а также посудой, предназначенной для приготовления электролита для свинцовых аккумуляторов. Даже ничтожно малое количество кислоты разрушает щелочные аккумуляторы.

Отвешенное количество щелочи помещают в посуду и заливают необходимым количеством воды. Воду перемешивают стеклянной или железной палочкой для ускорения растворения щелочи. Остывший раствор щелочи доводят до требуемой плотности по ареометру, добавляя воду или твердую щелочь, и перемешивают.

В случае применения жидкой щелочи разбавляют ее водой до требуемой плотности. Приготовленному раствору дают отстояться (от 3 до 6 ч), сливают осветлившуюся часть и заливают аккумуляторы.

В каждый аккумулятор после заливки электролита вливают несколько капель вазелинового масла. Заливать аккумулятор можно только остывшим электролитом температурой не выше -4-30 °С. Приготовленный электролит необходимо хранить в сосудах, плотно закрытых пробками.

Для приготовления составного электролита берется готовый раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21 г/см3 (23-25° по Боме) и к нему при тщательном перемешивании железной, стеклянной или эбонитовой палочкой добавляется моногидрат лития из расчета 20 г на 1 л раствора (например, к Юл раствора добавляется 200 г моногидрата).

Составной электролит приготовляют следующим образом:

из щелочей в твердом виде — берется 1 кг калиевой составной щелочи на 3 л воды; для натриевого составного электролита .- 1 кг натриевой составной щелочи на 5 л воды. В случае применения твердой составной щелочи необходимо вскрыть банку и небольшими порциями во избежание сильного разогревания класть содержимое банки в сосуд с водой, перемешивая. Все содержимое банки необходимо растворить одновременно;

из щелочей в жидком концентрированном виде — берется 1 л калиевой составной щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1 л воды;

для натриевого составного электролита — 1 л натриевой щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1,5 л воды.

Плотность калиевого составного электролита при температуре 25 °С должна быть 1,19-1,21 г/см3, натриевого составного — 1,17- 1,19 г/см3.

Отсыпав необходимое количество моногидрата лития, сосуд, где он хранится, следует тут же герметически закрыть, чтобы предотвратить порчу моногидрата лития вследствие поглощения углекислоты из воздуха.

После полного растворения моногидрата и отстаивания раствора электролит употребляют для заливки.

Электролит должен, как правило, находиться в бутылях, плотно закрытых пробками.

Меры предосторожности при приготовлении электролита:

а) для предотвращения разбрасывания осколков щелочи при откалывании зубилом необходимо прикрыть щелочь чистой тряпкой;

б) при добавлении моногидрата лития в раствор едкого кали необходимо пользоваться стальной, пластмассовой или фарфоровой ложкой;

в) во избежание попадания осколков щелочи и раствора на глаза, кожу и одежду необходимо надевать защитные очки, резиновый фартук и резиновые перчатки;

г) участки кожи и одежду, облитые щелочью, следует промыть 3 %-ным раствором борной кислоты или струей воды так, чтобы удалить признаки щелочи.

Смена электролита. Если аккумуляторы работают круглый год в неизменных температурных условиях, т. е. зимой в отапливаемых помещениях, то составной электролит меняют через каждые 100 циклов, но не реже одного раза в год. В случае заметного снижения емкости аккумулятора электролит необходимо сменить ранее указанного срока.

Если аккумуляторы работают при температуре ниже -15°С, следует заменить электролит раствором едкого калия плотностью 1,25-1,27 г/см3 (29-30 °С по Боме).

Перед сменой электролита батарею разряжают нормальным током 8-часового режима до напряжения 1,0 В на аккумулятор.

Старый электролит выливают, энергично встряхивают аккумулятор для удаления грязи из сосуда. Слитые растворы следует собирать (составной электролит из едкого кали и отдельно составной электролит из едкого натра) и отправлять на склады для регенерации.

После удаления старого электролита аккумуляторы промывают подщелоченной отстоенной или дистиллированной водой, энергично встряхивая.

Аккумуляторы, промытые дистиллированной водой, воспрещается оставлять без электролита во избежание коррозии. Промытые аккумуляторы заливают электролитом, через 2 ч проверяют плотность электролита и доводят ее до требуемой, после чего закрывают аккумуляторы пробками.

После смены электролита производят усиленный заряд аккумуляторов.

| ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ | | Электровоз ВЛ60 | | заряд аккумуляторов |

Техника безопасности при работе с электролитом

Используемые для приготовления электролита серная кислота и едкие щёлочи являются химически активными веществами, разрушающе действующими на кожу человека и ткани животного и растительного происхождения.

При приготовлении электролита для заливки щелочных аккумуляторов из твердых едкого натра и едкого кали их предварительно надо измельчить. Брать куски едких щелочей надо обязательно только щипцами или железной ложкой. При измельчении куски щелочи необходимо закрывать тканью, чтобы осколки не разлетались в стороны. Руки должны предохраняться резиновыми перчатками, а глаза очками. Очки также должны защищать глаза при наблюдении за зарядом щелочных аккумуляторов во избежание попадания в них каплей электролита. Попадание щелочи в глаз приводит к тяжелым заболеваниям вплоть до полной потери зрения. При попадании на кожу щёлочь вызывает ее химический ожог, степень которого зависит от концентрации и температуры раствора щелочи. Электролит разрушает шерстяные ткани и кожаную обувь. На бумажные ткани щелочи действуют менее сильно. Объективный анализ воздуха в аккумуляторном помещении на концентрацию в нем щелочей производится гигрометрическим способом по анализ проб воздуха в лабораторных условиях.

При попадании твердых щелочей или их растворов на кожу или в глаза необходимо немедленно промыть их большим количеством воды для уменьшения концентрации и нейтрализовать раствором слабой, например борной, кислоты. Нельзя промывать глаза водой из кранов с большим давлением, чтобы сильной струей воды не повредить глаза.

Серная кислота и ее растворы разрушающе действует на кожу и слизистые оболочки. Для предохранения кожных покровов и одежды от действия серной кислоты необходимо пользоваться резиновыми перчатками, сапогами и шерстяными или резиновыми фартуками. При работе с кислотой, электролитом и наблюдением за заряжающимися аккумуляторами глаза должны быть защищены очками.

Химические ожоги от воздействия серной кислоты на кожу трудно поддаются лечению. Степень поражения кожи зависит не только от концентрации раствора, но и от продолжительности воздействия. Поэтому при поражении серной кислотой ее необходимо как можно быстрее смыть большим количеством воды. Для обеспечении этого в местах, где приготовляется электролит, должны быть оборудованы краны с шлангами и специальными насадками в виде раструбов для распыления воды. Можно также нейтрализовать кислоту щелочными, например 10 %-ным содовым, раствором. После нейтрализации раствором соды пораженный участок кожи необходимо промыть водой.

При попадании сернокислого тумана в дыхательные пути он раздражает слизистые оболочки глотки и носа, вызывая кашель и затрудненное дыхание. У работающих длительное время в кислотных аккумуляторных отделениях болезненные реакции на кислотную атмосферу притупляются. Кроме того, чувствительность к присутствию в воздухе капелек серной кислоты у работающих различна. Потому предельно допустимая концентрация содержания серной кислоты в воздухе, должна контролироваться объективными способами. Технически она производится просасыванием проверяемого воздуха через фильтр из синтетической ткани, устойчивой к воздействию кислоты и щелочи. Затем ткань отмывается в дистиллированной воде. Количество осадка в результате реакции полученного раствора с хлоридом бария позволяет судить о концентрации сернокислого тумана в анализируемом воздухе.

При концентрации сернокислого тумана больше предельно допустимого может произойти отравление организма, сопровождающегося рвотой и кровавой мокротой при кашле, развивающимися воспалениями бронхов и легких. При появлении признаков отравления немедленно надо вывести пострадавшего из помещения на свежий воздух, дать кислород, обеспечить вдыхание паров содового раствора, спирта или эфира. В тяжелых случаях необходимо делать искусственное дыхание до прибытия врачебной помощи.

С целью снижения концентрации серной кислоты в воздухе при приготовлении электролита необходимо использовать предварительно разбавленную кислоту до плотности 1400 кг/м3, а не пользоваться концентрированной кислотой. При каждом разбавлении кислоты надо вливать ее в дистиллированную воду тонкой струей при непрерывном или периодическом перемешивании раствора стеклянной палочкой или веслом. Категорически запрещается лить воду в серную кислоту! Вода, имеющая меньшую плотность, чем кислота, остается на поверхности раствора. Так как разбавление кислоты сопровождается большим выделением тепла, то в месте соприкосновения струи воды с поверхностью кислоты происходит резкое повышение температуры, что приводит к разбрызгиванию электролита. В электролит аккумуляторов можно добавлять дистиллированную воду.

Так как серная кислота хранится и перевозится в стеклянных бутылях с притертыми пробками, обращаться с ними следует с особой осторожностью. Нельзя поднимать бутыли за горловину. Перевозка бутылей к месту приготовления электролита должна осуществляться специальной тележкой. Перед транспортировкой обязательно требуется проверить прочность корзины или деревянной обрешетки, в которой должна стоять бутыль с кислотой. Выливать кислоту из бутылей необходимо только с помощью специальных приспособлений для плавного опрокидывания. Вручную переливание серной кислоты из бутылей запрещается!

В аккумуляторных отделениях все сосуды и емкости с электролитом, дистиллированной водой и растворами нейтрализующих веществ должны быть снабжены соответствующими надписями, указывающими на их содержимое. Нельзя совместно хранить кислоту и щелочи и их растворы. Бутыли с кислотой и порожние должны храниться в отдельном помещении при аккумуляторном отделении. Хранение их в подвалах недопустимо. При организации хранения кислоты или щелочи на открытых площадках последние должны быть оборудованы навесами от воздействия осадков и солнечных лучей.

Во всех случаях поражения щелочами или кислотой необходимо вызвать врача или обеспечить доставку пострадавшего в медицинский пункт!

Электролит (аккумуляторный) — это… Что такое Электролит (аккумуляторный)?

Электролит (аккумуляторный)

Электролит (аккумуляторный)

Электролит (аккумуляторный) — смесь серной кислоты с дистиллированной водой для заливки в свинцово-кислотную аккумуляторную батарею.

Электролит для заливки в свинцово-кислотную аккумуляторную батарею готовят из серной кислоты (ГОСТ 667—73) и дистиллированной воды (ГОСТ 6709—72). При подготовке электролита следует пользоваться руководством по эксплуатации автомобиля. Для надежной работы аккумуляторных батарей необходима высокая степень чистоты электролита.

Нельзя применять техническую серную кислоту и недистиллированную воду, так как при этом ускоряются саморазрядка, сульфатация и разрушение пластин, и уменьшается емкость.

Смешивать электролит следует в кислотостойкой эбонитовой, фарфоровой или освинцованной посуде.

Как приготовить электролит

Инструменты и материалы:


Приготовление:

  1. Возьмите емкость, устойчивую к действию серной кислоты, залейте туда дистиллированную воду.
  2. Затем в заполненную дистиллированной водой емкость, маленькими порциями влейте серную кислоту, помешивая эбонитовой палочкой.
  3. Ни в коем случае не вливайте дистиллированную воду в серную кислоту, т.к. электролит будет разбрызгиваться с выделение большого количества тепла и в результате чего вы можете получить серьезные ожоги.
  4. Электролит готовится исходя из климатических условий местности. Для районов с умеренным климатом плотность электролиты должна быть — 1,28 г/см, т.е. для его изготовления вам нужно смешать компоненты в пропорции 0,36 л. серной кислоты на 1 л. дистиллированной воды.
  5. В теплых районах плотность электролита должна составлять 1,26 г/см, для подготовки берут 0,33 л. серной кислоты и 1 литр дистиллированной воды.
  6. Готовый электролит оставьте на 15—20 часов в закрытой емкости для его остывания, и чтобы произошло выпадение осадка на дно емкости.

Wikimedia Foundation. 2010.

Как сделать свинцово-кислотный аккумулятор в домашних условиях и объяснить необходимые инструменты

(Последнее обновление: 5 февраля 2022 г.)

 

Производство свинцово-кислотных аккумуляторов, описание:

Как сделать свинцово-кислотный аккумулятор в домашних условиях и объяснить необходимые инструменты- В этом руководстве вы узнаете, как изготовить и отремонтировать любой тип свинцово-кислотного аккумулятора, используя новые и старые положительные и заземляющие пластины. Я также объясню, какие инструменты необходимы для изготовления свинцово-кислотного аккумулятора и как их использовать? Я также объясню, как сделать внутренние и внешние клеммы батареи с помощью металлических штампов.Я также подробно объясню, как внутренне соединить положительные и заземляющие пластины последовательно? В конце я также объясню, как приготовить электролит для батареи с использованием серной кислоты и как проверить удельный вес электролита свинцово-кислотной батареи с помощью ареометра.

Прочтите мою статью об основном принципе работы свинцово-кислотных аккумуляторов. В этой статье я объяснил, что такое первичные и вторичные батареи? Химические реакции зарядки и разрядки, базовая работа аккумуляторной батареи и так далее.

Вы также можете прочитать мою статью о том, как сделать сухую батарею из литий-ионных аккумуляторных элементов.

Внимание! Процесс изготовления электролита может быть очень опасен для новичков, поэтому настоятельно рекомендую покупать готовый электролит для аккумулятора или делать электролит на свой страх и риск.

О спонсоре, NextPCB:

Высокое качество и всего 24 часа сборки

Я очень благодарен NextPCB за спонсорство этой статьи и видеоурока.Компания NextPCB достаточно профессионально занимается производством печатных плат. Не стесняйтесь посетить их веб-сайт NextPCB.com, чтобы не только узнать, какие замечательные услуги по сборке и сборке печатных плат они предлагают, но и легко загрузить свои файлы Gerber и, таким образом, быстро заказать доступные и высококачественные печатные платы. Процесс регистрации едва ли занимает 1 минуту.

Прочитав эту статью, вы сможете сделать совершенно новый аккумулятор, а также сможете отремонтировать любой тип малых и больших свинцово-кислотных аккумуляторов.Таким образом, вы можете сэкономить много денег, а также начать свой собственный бизнес. Создание свинцово-кислотной батареи было потрясающим опытом, и я почти сэкономил более 60%. Если вам трудно следовать этому, посмотрите мой видеоурок, приведенный в конце этой статьи.

Без дальнейших проволочек, приступим!!!

Ссылки на покупку Amazon:

Ареометр для свинцово-кислотного аккумулятора

Электролит свинцово-кислотного аккумулятора

Прочие инструменты и компоненты:

Суперстартовый набор для начинающих

Цифровые осциллографы

Переменное питание

Цифровой мультиметр

Наборы для паяльника

Небольшие портативные сверлильные станки для печатных плат

*Обратите внимание: это партнерские ссылки.Я могу получить комиссию, если вы купите компоненты по этим ссылкам. Я был бы признателен за вашу поддержку на этом пути!

Инструменты, необходимые для изготовления свинцово-кислотного аккумулятора в домашних условиях:

Если вы хотите начать бизнес по производству или ремонту свинцово-кислотных аккумуляторов, у вас должны быть следующие инструменты. Потому что при изготовлении свинцово-кислотной батареи вам нужно будет открыть батарею, разрезать сварные швы, сделать новые клеммы батареи, расплавить свинец, сделать новые сварные швы для выполнения последовательных соединений, вам также может потребоваться проверить электролит и так далее.

Металлические штампы для изготовления внутренних клемм свинцово-кислотной батареи:

Эти металлические штампы понадобятся вам для изготовления контактов положительной и общей пластин. Металлическая матрица 1 используется для изготовления основных внутренних клемм 12В и GND, которые соединены с внешними клеммами 12В и GND аккумулятора.

Металлическая матрица 2 используется для соединения положительных пластин и пластин заземления, а также для изготовления клемм для последовательного соединения.Таким образом, эти два инструмента являются наиболее важными инструментами, которые вы должны иметь.

Металлические штампы для изготовления внешних клемм свинцово-кислотной батареи:

Эти два металлических штампа используются для изготовления клемм внешнего питания 12 В и заземления батареи. Они доступны в различных диаметрах. Купите тот, который соответствует вашему требованию. Металлический кристалл 1 используется для больших свинцово-кислотных аккумуляторов, а металлический кристалл 2 используется для свинцово-кислотных аккумуляторов среднего размера.

Аппарат точечной сварки 12 В на основе угольных стержней:

Это инструмент для точечной сварки на 12 В, который используется для последовательного соединения аккумуляторных элементов.При этом используются графитовые углеродные стержни. На картинке вы можете видеть только 1 черный провод, который соединен с металлическими стержнями, удерживающими графитовый углеродный стержень. Этот провод должен быть подключен к клемме +VE аккумулятора 12 В. Вам также понадобится еще один провод, который соединен с клеммой GND аккумулятора. Как это работает? Вы узнаете об этом во время выполнения сварочных работ. Добавьте это в список обязательных инструментов.

Ареометр для свинцово-кислотного аккумулятора:

Вы также должны добавить это в список обязательных инструментов.Это аккумуляторный ареометр. Вам понадобится этот ареометр для приготовления электролита для батареи. Это используется для измерения плотности электролита, что достигается путем измерения удельного веса электролита. Вы можете видеть метр внутри трубки, окрашенной в красный, зеленый и желтый цвета. Использование ареометра описано в разделе «Подготовка электролита».

Некоторые другие инструменты и вещи:

Вам потребуются другие инструменты для открытия верхней крышки аккумулятора, для обрезки внешних клемм аккумулятора, для расплавления свинца и т. д.Вы также добавите резак для обрезки лишнего свинца.

Изготовление нового или старого свинцово-кислотного аккумулятора в домашних условиях:

С этого момента начнется настоящая работа. Если вы внимательно прочитаете эту статью и выполните все шаги, в конце концов, вы сможете изготовить и отремонтировать любой тип малых и больших свинцово-кислотных аккумуляторов. Для начинающих я рекомендую начать с разряженной свинцово-кислотной батареи. Во всяком случае, у меня есть батарея, которая больше не работает. Я подумал вместо того, чтобы покупать новую батарею; почему бы не сделать самодельный свинцово-кислотный аккумулятор и поделиться знаниями с ребятами.Итак, мы начинаем.

Это полностью разряженный свинцово-кислотный аккумулятор, который мы собираемся отремонтировать.

Чтобы открыть крышку аккумуляторного отсека, сначала необходимо отрезать клеммы внешнего аккумулятора. Я знаю, что вы можете открыть крышку аккумуляторного отсека, это займет несколько минут. Уверен, вы не забудете слить электролит.

После открытия крышки и удаления электролита следующим шагом будет отсоединение последовательных соединений и извлечение элементов из контейнера батареи.Если вы не понимаете какой-либо шаг, посмотрите мой видеоурок, приведенный в конце.

При извлечении элементов из контейнера батареи я понял, что некоторые пластины уже повреждены, а некоторые клеммы уже отсоединены. Как вы можете видеть на картинке выше. Одна клетка полностью повреждена, спасать нечего. Эта ячейка должна быть полностью заменена путем изготовления новой ячейки или путем изготовления комбинации новых и старых заземляющих ячеек из другой разряженной батареи.

В другой ячейке все положительные пластины повреждены, а пластины заземления можно использовать повторно, хотя клеммы пластин заземления повреждены, но мы можем сделать клеммы для этих пластин с помощью металлических штампов.

Аккуратно снимите положительные пластины и оставьте пластины GND. От максимально разряженных свинцово-кислотных аккумуляторов можно спасти много пластин GND. Это полностью зависит от вас, хотите ли вы повторно использовать старые пластины GND или хотите использовать новые пластины GND.

Мы убрали положительные пластины со всех ячеек, как видите, максимальное количество пластин GND можно использовать повторно. Я даже не нашел ни одной положительной пластины в хорошем состоянии. Итак, мне придется использовать новые положительные пластины.

У этого есть одна пластина заземления, которая полностью повреждена, поэтому нам придется сделать это снова. Аккуратно отрежьте пластины GND, которые находятся в хорошем состоянии.

Это пластины GND, которые я спас от другой разряженной батареи. Вы также можете использовать новые пластины GND, чтобы сделать совершенно новый элемент батареи, следуя процессу, который я объясню через минуту.

Я купил в общей сложности 64 положительные пластины. Каждая тарелка стоила мне около .3 доллара. Эти тарелки Master считаются лучшими тарелками в Пакистане. Вы также можете найти недорогие тарелки, но я рекомендую выбирать лучшие тарелки.

Используйте этот изолятор белого цвета или разделительные листы для покрытия положительных пластин. Физического контакта между положительной пластиной и пластиной GND не будет.

Как видите, положительные пластины завернуты в изолятор или разделительные листы. Эта белая бумага обеспечивает изоляцию и предотвращает физический контакт.Я продолжал добавлять оставшиеся положительные пластины.

Я расплавил свинец, который вытащил из батареек.

Наконец, я использовал металлическую матрицу для соединения положительных пластин и изготовления основной внутренней клеммы, которую вы можете видеть на картинке ниже. Через изображения сложно показать, как пользоваться металлической матрицей, это можно посмотреть в видео уроке.

Подключение новых положительных пластин — простая и понятная работа.Но когда дело доходит до старых заземляющих пластин, все становится немного запутанным, так как нам нужно сделать небольшие клеммы для заземляющих пластин, что занимает немного времени, если вы делаете это в первый раз. Очистите края наждачной бумагой или напильником для сплошной сварки.

Все пластины заземления готовы. Процесс изготовления показан на видео. Чтобы сделать ячейку, вам нужно будет повторить тот же процесс. Оберните положительные пластины листами сепаратора или изолятора, а затем вставьте все положительные пластины между заземляющими пластинами.

Всего у нас 21 тарелка в каждой ячейке. 10 положительных пластин и 11 отрицательных пластин. Внешние пластины являются пластинами заземления. Положительные пластины вставлены между заземляющими пластинами. Поэтому убедитесь, что внешние пластины являются пластинами заземления. Таким же образом мы сделали клеммы для всех положительных и заземляющих пластин. Наконец, мы начали с размещения элементов внутри контейнера батареи.

Все элементы батареи должны быть размещены в одном порядке, чтобы выполнить последовательное соединение.После размещения элементов внутри батарейного контейнера следующим шагом будет сварка заземления и положительных клемм. Процесс сварки показан на видео.

Как видите, сварка закончена, все ячейки соединены последовательно. Yahooooo, тяжелая работа сделана, теперь нам нужно только добавить крышку аккумуляторного отсека и подключить внешние клеммы 12V и GND к аккумулятору, что уже объяснено в видео.

Изготовление электролита для свинцово-кислотного аккумулятора:

Добавить воду в Серную кислоту; Будьте очень осторожны при приготовлении электролита для аккумулятора, после добавления воды подождите не менее 30 минут, чтобы электролит остыл.Наконец, вы можете использовать ареометр для проверки удельного веса электролита.

Внимание! При приготовлении электролита надевайте защитные перчатки и закрывайте лицо и глаза. Если вы новичок, то сначала вам следует подготовиться к советам по безопасности, поищите в гугле.

Как использовать ареометр для проверки электролита?

Помимо желтого, зеленого и красного цветов на поплавке внутри трубки также напечатаны числа.С одной стороны указаны номера, а с другой стороны цвета и номера. Чтобы эффективно использовать ареометр, во-первых, вам нужно знать о частях ареометра.

Вам нужно будет пройти следующие шаги, чтобы научиться пользоваться ареометром.

  • Сожмите лампочку.
  • Вставьте гибкую трубку в электролит.
  • Медленно отпустите грушу, электролит всосется внутрь прозрачного цилиндра или трубки.
  • Поплавок внутри прозрачного цилиндра или трубки немного приподнялся.
  • Расположите ареометр так, чтобы он был вертикальным, а поплавок внутри плавал и не касался внутренней части трубки или прозрачного цилиндра. Верх электролита должен находиться в зеленой, красной или желтой областях поплавка. Если ничего из этого нет, добавьте больше или меньше электролита по мере необходимости.
  • Обратите внимание на цвет поплавка, который находится на одной линии с верхней частью электролита, или прочтите соседнее числовое значение удельного веса.
  • Наконец, вы можете сжать грушу, чтобы снова залить электролит.

Пока электролит не добавлен, напряжение составляет около 0,5 вольта. Пока щупы цифрового мультиметра были подключены к клеммам аккумулятора, я начал добавлять электролит. Когда я добавил электролит из-за химической реакции, напряжение начало увеличиваться. Это был зеленый сигнал для меня. Я заполнил все батарейные отсеки до нужного уровня.

Наконец, пришло время зарядить аккумулятор, поэтому мы подключили инвертор 12V и провода GND к клеммам аккумулятора и подождали около 3 часов.

Вы можете видеть напряжение батареи, и тем не менее, батарея заряжается. Напряжение, как у новой батареи, очень близко к 14 вольтам. Делая свинцово-кислотную батарею, я узнал много нового. Это был совершенно новый опыт. Я пишу эту статью для постоянной проверки этого аккумулятора. Эта батарея обеспечивает мне резервное питание более чем на 2 часа, пока вентиляторы, телевизор, кулер в помещении постоянного тока и некоторые лампочки включены. В следующий раз я сделаю совершенно новую батарею, используя новые положительные и заземляющие элементы.

Смотреть видеоурок:

 

Нравится:

Нравится Загрузка…

Электролит для аккумуляторов – обзор

Введение

Разработка новых материалов для хранения энергии играет решающую роль в переходе к чистой и возобновляемой энергии. Однако улучшения производительности и долговечности батарей были постепенными из-за отсутствия понимания как материалов, так и сложностей химической динамики, происходящих в условиях эксплуатации [1].Как правило, для проверки химического или физического свойства проводятся экспериментальные испытания с широким набором параметров. К сожалению, эти повторяющиеся экспериментальные и теоретические исследования часто требуют много времени и неэффективны, потому что значительный прогресс обычно требует сочетания химической интуиции и интуиции. Таким образом, эти подходы не могут охарактеризовать миллионы материалов, необходимых для определения даже небольшого подкласса совершенных кристаллических материалов, не говоря уже о более сложных структурах, обнаруженных в электрохимических элементах [2].Эта так называемая «открытая» методология разработки приводит к длительным временным рамкам для открытия новых материалов для аккумуляторов, часто превышающим десятилетие, чтобы вывести на рынок новую формулу.

В последнее десятилетие расчеты из первых принципов, особенно основанные на более экономичных приближениях, таких как теория функционала плотности (DFT) [3,4], в настоящее время надежно автоматизированы [5–7] для высокопроизводительного прогнозирования свойств по огромному количеству материалов. Эти методы использовались в успешных разработках материалов, таких как щелочно-ионные батареи [8–10], для определения перспективных твердотельных литий-ионных проводников для аккумуляторных электролитов [11], а также в других областях применения материалов [12–15]. ].Основываясь на этих усилиях, ожидается, что дизайн материалов, управляемый вычислениями, приведет к открытию новых материалов и значительно сократит время и стоимость разработки материалов [16] за счет расширения и развития методов машинного обучения (МО).

ML — это область искусственного интеллекта, которая показывает хорошую применимость в классификации, регрессии и других задачах, связанных с многомерными данными. Нацеленный на извлечение знаний и получение информации из больших баз данных, машинное обучение учится на предыдущих вычислениях для получения надежных, воспроизводимых решений и результатов [17,18].С быстрым темпом развития подходов, основанных на данных, которые сочетают в себе мудрость экспертов с мощными моделями машинного обучения, ученые начинают интегрировать человеческую интуицию в руководство научными исследованиями. Ученые и инженеры теперь могут реалистично моделировать свойства и поведение материалов в конкретных энергетических приложениях. Модели

ML уже показали свою замечательную способность в разработке новых кристаллических твердых материалов с быстрой монокристаллической литий-ионной проводимостью при комнатной температуре [19].Моделирование DFT с использованием методов на основе ML показало, что поиск под управлением ML в 2,7 раза чаще выявляет быстрые литий-ионные проводники, при этом среднее логарифмическое значение литий-ионной проводимости при комнатной температуре улучшается как минимум в 44 раза, а 1000-кратное увеличение скорости обнаружения кандидатов по сравнению с методами проб и ошибок (рис. 1). Подобные методы впервые позволяют перейти от традиционных методов исследования «без обратной связи» к гораздо более эффективному методу «замкнутой петли», который прокладывает путь к обратному дизайну материалов (табл. 1).

Рисунок 1. Сравнение времени вычислений и точности для алгоритма машинного обучения, экспертов-людей и случайного угадывания. Алгоритм работает так же, как лучшие люди, но с более высокой скоростью, что позволяет быстро просматривать миллионы материалов-кандидатов [2].

Таблица 1. Краткий обзор методов машинного обучения, применяемых к материалам для хранения энергии.

Материалы Прогноз Метод Способ Основные данные ссылки
Nani 1/3 MN 1/3 CO 1/3 O 2 Катодный материал для Натрий-ионные аккумуляторы Моделирование и оптимизация процесса изготовления материала положительного электрода для натрий-ионных аккумуляторов Кластер алгоритма синхронизированной перекрестной проверки регрессии опорных векторов Полученное оптимизированное значение емкости составляет 176 мАч·г −1 для 99 циклов, что лучше, чем у обычных аккумуляторов, используемых в коммерческих целях [55]
Катодные материалы с высоким содержанием никеля: LiNi x Co 1-xy Mn 1-xyz O 2 (NCM) для электромобилей. 1 . Построить прогностическую модель, чтобы предложить оптимизированные экспериментальные параметры, которые удовлетворяют целевым спецификациям. 2 . Поиск идеального процесса синтеза катодных материалов с высоким содержанием никеля, что приведет к ускоренной разработке литий-ионных аккумуляторов с большей емкостью и более длительным сроком службы для электромобилей. 3 . Разработка, прогнозирование и улучшение электрохимических характеристик катодных материалов с высоким содержанием никеля: LiNixCo1-x-yMn1-x-y-zO2 (NCM) для применения в электромобилях 1.Модели регрессии машинного обучения: машина опорных векторов (SVM), дерево решений (DT), гребневая регрессия (RR), случайный лес (RF), чрезвычайно рандомизированное дерево (ERT) и нейронная сеть (NN) с многослойным персептроном. Модель машинного обучения (ERT + AdaBoost). 2. Пакет машинного обучения на основе Python scikit-learn 1. Оптимизированные синтетические параметры для богатых никелем катодных материалов, LiNi x Co 1-xy Mn 1-xyz O 2 (NCM), с х > 0,85 для улучшения электрохимических характеристик.2. Показано, что температура прокаливания и размер частиц являются определяющими факторами для достижения длительного срока службы. 3. Подтверждено, что структуры с более высокими температурами прокаливания, более высоким содержанием никеля и большим размером первичных частиц приводят к более низким показателям срока службы. 4. Модель машинного обучения (ERT + AdaBoost) продемонстрировала наилучшие характеристики для прогнозирования начальной емкости, остаточного Li и срока службы. 5. Схема обратного инжиниринга была успешно использована, чтобы предложить идеальные экспериментальные параметры для выполнения целевых спецификаций. [56] [56]
LI 5 S 7 S 7 , Li 2 , Li 2 B 2 S 5 , LI 3 ERCL 6 , LISO 3 F, Li 3 , Li 6 , Li 6 , Li 2 Hio, Limgb 9 3 (H 9 N) 2 и CSLI 2 BS 3 · Li 5 B 7 S 13 Разработка модели на основе машинного обучения (ML) для прогнозирования проводимости суперионного литий-ионного аккумулятора проводимость 1.Обнаружено много новых твердых материалов с предсказанной суперионной литий-ионной проводимостью (≥10 −4 См/см) при комнатной температуре: Li 5 B 7 S 13 , Li 2 B 2 S 5 , Li 3 ERCL 6 , LI 3 F, LI 3 , Li 3 , Li 6 , Li 2 HIO, Limgb 3 (H 9 N) 2 и CSLI 2 БС 3 . 2. Li 5 B 7 S 13 имеет предсказанную DFT-MD электропроводность RT Li (74 мСм см -1 ), во много раз превышающую самые быстрые известные литий-ионные проводники [19]
LiPF 6 электролит для литий-ионных аккумуляторов Для определения неизвестных концентраций основных компонентов в типичных электролитах литий-ионных аккумуляторов. Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье и машинное обучение Подтверждено, что концентрация LiPF 6 уменьшилась на 10–20 %, когда клетки прошли 200 циклов при 55 °C. Отказ ячейки из-за большой потери соли [57]
Материалы молекулярных электродов на основе углерода Для определения перспективных материалов положительного электрода с высокими характеристиками Структура машинного обучения DFT на основе молекулярных электродных материалов.2. Обнаружено, что сродство к электрону вносит наибольший вклад в окислительно-восстановительный потенциал, за ним следуют число атомов кислорода, щель ВЗМО-НСМО, число атомов лития, НСМО и ВЗМО в порядке соответственно [58]
Катодные материалы со слоистой структурой для литий-ионных аккумуляторов Для прогнозирования электрохимических свойств: затухание плотности энергии разряда и емкости Алгоритм искусственной нейронной сети Предлагаемая модель 3D-QANN: количественная модель взаимосвязи структура-свойство для прогнозирования физических свойств неорганических кристаллических твердых тел и разработка новых материалов [59]
LiFePO 4 Срок службы литий-ионных аккумуляторов Байесовский LS-SVR и вейвлет-нейронная сеть 3 батарея в течение очень короткого времени прогнозирования (в пределах 1.41 с), при этом средняя ошибка составляет всего около одной трети от ошибки традиционного алгоритма короткие периоды гальваностатического действия [61]

ВЗМО, высшая занятая молекулярная орбиталь; LUMO, низшая незанятая молекулярная орбиталь; QANN, квантовая искусственная нейронная сеть.

Обратный дизайн материала эффективно инвертирует текущий процесс проектирования, позволяя желаемым целям производительности определять состав и структуру, которые лучше всего соответствуют этим целям, без предварительного определения исходного материала или структуры [20–26].Важно отметить, что машинное обучение будет играть ключевую роль в разработке аккумуляторов, помогая обратному проектированию, поскольку их вычислительные стратегии будут продолжать автоматически улучшаться с опытом [27]. Методы кластерного расширения [28] в настоящее время широко используются для изучения беспорядка в электродных материалах, в нейронных сетях, которые систематически повышают надежность моделирования молекулярной динамики [29]. Вероятностные модели, основанные на данных, теперь могут отбирать вероятных кандидатов, предназначенных для конкретных приложений, из химического пространства, состоящего из более чем 10 90 298 60 90 299 возможных молекул.Генеративные модели производят большое количество молекул-кандидатов, которые потребуют лабораторного синтеза для проверки результатов моделирования, требующих автоматизации синтеза, также основанной на машинном обучении и робототехнике. Эти формы автоматизации позволят ученым-исследователям сократить количество времени, затрачиваемого на дорогостоящие, интуитивно управляемые, повторяющиеся синтезы. Даже с текущими базами данных, полученными на основе предыдущих лабораторных экспериментов, у ученых уже достаточно данных для производства высокоцелевых молекул по сравнению с неуправляемым подходом «разомкнутого цикла».

Онлайн-статус заряда и работоспособность аккумулятора теперь можно прогнозировать с помощью моделей машинного обучения каждый раз, когда аккумулятор подвергается циклам зарядки/разрядки, что имеет решающее значение для долговечных и безопасных электромобилей. Раннее обнаружение неадекватной работы также облегчает своевременное техническое обслуживание аккумуляторных систем [30–33]. Модели глубокого генеративного обучения способны отображать лежащее в основе распределение вероятности как структуры, так и свойства и связывать их нелинейным образом, позволяя этим моделям фильтровать характерные особенности, присущие определенным молекулам [34,35].Недавно методы машинного обучения применялись для описания архитектуры, свойств и производительности литий-ионных аккумуляторов [36].

Эти результаты частично связаны с постоянно растущими базами данных атомных структурных данных, необходимых для расчетов DFT, а также с большими улучшениями в вычислительных ресурсах, которые прокладывают путь для ступенчатого изменения методов исследования [38]. Мередиг и соавт. [38] показали, что их подход к скринингу материалов, основанный на данных машинного обучения, позволяет изучать правила химии из DFT, делать точные энергетические прогнозы для новых составов при меньших вычислительных затратах на шесть порядков и, кроме того, не требует знания кристаллической структуры.Эти методы в настоящее время применяются для прогнозирования емкости лития в батареях. Ван и др. [37] показали, как вычислительный анализ может предложить новые материалы, такие как новый катодный материал, содержащий ванадий, который, как было предсказано, превзойдет энергоемкость обычных литий-железо-фосфатных катодов примерно на 10% (рис. 2). Материал был синтезирован и вел себя так, как предсказывали модели машинного обучения.

Рисунок 2. Смоделированный кристаллический каркас ванадийсодержащего катодного материала для усовершенствованных аккумуляторов [37].Атомы лития, показанные зеленым цветом, встроены в каркас. С тех пор состав был синтезирован и работал так, как предсказывали модели.

Моделирование структур и свойств конкретных электродных материалов, понимание механизмов заряда/разряда в атомном масштабе и разработка рациональных «замкнутых» стратегий проектирования для электродных материалов, а также электролитов идут полным ходом. Всесторонний обзор исследований по моделированию и теоретическому проектированию серных катодов, кислородных катодов, литий-металлических анодов и твердотельных электролитов литий-металлических батарей можно найти в исследовании Fan et al.[39].

Эпоха больших данных уже наступила с экспериментами на крупномасштабных установках, таких как синхротроны, генерирующие огромные скорости передачи данных. Объединение больших данных с машинным обучением уже является важным исследовательским приоритетом. Вопросы, связанные с хранением, управлением и анализом больших объемов данных, являются сложными проблемами, требующими решения. Платформы управления данными жизненно важны, потому что контролируемые модели машинного обучения обычно требуют больших объемов надежных обучающих данных для построения надежных моделей [40,41], поскольку существующие экспериментальные данные и данные будущих экспериментальных работ по-прежнему охватывают лишь часть стабильных химических комбинаций, которые, возможно, встречаются в природе. .

Разработка универсальных платформ для управления данными и обмена ими необходима, чтобы придать импульс ускорению поиска и разработки материалов. Передовые методы характеристики материалов с их постоянно растущими возможностями сбора и хранения данных представляют собой проблему в современном материаловедении, и необходимы новые процедуры для быстрой оценки и анализа собранных данных, чтобы вывести на рынок новые энергетические решения за меньшее время [ 42]. В настоящее время большие высококачественные открытые базы данных рассчитанных свойств материалов, такие как Materials Project [15], Open Quantum Materials Database [43] и репозиторий AFLOW, быстро растут и помогают картировать обширные области химического пространства.Также создаются базы данных и библиотеки для аккумуляторных электролитов [44], которые будут использоваться в будущем для быстрой разработки электролитов следующего поколения. Европейское крупномасштабное исследование «Батарея 2030+» недавно определило создание «Генома интерфейса батареи» и «Платформы ускорения материалов» в качестве важных вех на пути к ускоренному открытию сверхвысокопроизводительных батарей [45]. В одной из крупнейших коллекций молекул химический космический проект [46] нанес на карту 166 молекул.4 миллиарда молекул, содержащих не более 17 тяжелых атомов.

В ближайшем будущем мы можем ожидать огромного роста этих новых баз данных и библиотек, что, в свою очередь, повысит прогностическую силу машинного обучения. Важным достижением, которое следует отметить, является работа Стэнфордского сотрудничества с Google Brain, где исследователи демонстрируют новый подход к переносу физических данных в более общие дескрипторы, полученные из физических уравнений, что позволяет им проверять миллиарды неизвестных составов на предмет проводимости литий-ионных аккумуляторов с использованием точной обученной модели. с физическим пониманием для создания большой базы данных из небольших данных [47].Центральное место в методологиях машинного обучения, применяемых в химических науках, занимает представление молекул. Эти представления, которые служат для кодирования соответствующей физики и химии, будут лучше обобщаться по мере продвижения исследований, что позволит еще быстрее проводить скрининг материалов. Несмотря на значительный прогресс, предстоит еще много работы. Графические и иерархические представления молекул являются областью, требующей дальнейшего изучения [48].

Наконец, для проведения этих симуляций требуется доступ к вычислительной инфраструктуре.По всему миру разрабатываются или уже работают новые центры искусственного интеллекта, чтобы оказывать всестороннюю помощь ученым и учреждениям, стремящимся объединить методы машинного обучения в своих исследованиях. Сочетание крупных исследовательских институтов и мощной инфраструктуры машинного обучения значительно ускорит разработку материалов в ближайшие годы и позволит ведущим технологическим компаниям активно участвовать в развитии фундаментальных научных исследований, а также стимулировать новое экономическое развитие.

Что такое аккумуляторная кислота? Факты о серной кислоте

Аккумуляторная кислота может относиться к любой кислоте, используемой в химическом элементе или батарее, но обычно этот термин описывает кислоту, используемую в свинцово-кислотных батареях, например, в автомобилях.

Автомобильная или автомобильная аккумуляторная кислота представляет собой 30-50% серную кислоту (H 2 SO 4 ) в воде. Обычно кислота имеет мольную долю 29–32% серной кислоты, плотность 1,25–1,28 кг/л и концентрацию 4,2–5 моль/л. Аккумуляторная кислота имеет рН примерно 0.8.​

Что такое аккумуляторная кислота?

  • Аккумуляторная кислота — это общепринятое название серной кислоты (США) или серной кислоты (Великобритания).
  • Серная кислота представляет собой минеральную кислоту с химической формулой H 2 SO 4 .
  • В свинцово-кислотных батареях концентрация серной кислоты в воде колеблется от 29% до 32% или от 4,2 моль/л до 5,0 моль/л.
  • Аккумуляторная кислота обладает высокой коррозионной активностью и может вызвать сильные ожоги.
  • Аккумуляторная кислота обычно хранится в стеклянной или другой нереакционноспособной таре.

Строительство и химическая реакция

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из двух свинцовых пластин, разделенных жидкостью или гелем, содержащим серную кислоту в воде. Аккумулятор является перезаряжаемым, зарядка и разрядка происходят в результате химических реакций. Когда батарея используется (разряжается), электроны перемещаются от отрицательно заряженной свинцовой пластины к положительно заряженной пластине.

Отрицательная реакция пластины:

Pb(т) + HSO 4 (водн.) → PbSO 4 (т) + H + (водн.) + 2 e

Положительная реакция на чашке:

PbO 2 (т) + HSO 4 + 3H + (водн.) + 2 e → PbSO 4 (т) + 2 H 2 (л) O

Которые могут быть объединены, чтобы написать общую химическую реакцию:

Pb(т) + PbO 2 (т) + 2 H 2 SO 4 (водн.) → 2 PbSO 4 (т) + 2 H 2 O(ж)

Зарядка и разрядка

Когда батарея полностью заряжена, отрицательная пластина — свинец, электролит — концентрированная серная кислота, а положительная пластина — диоксид свинца.Если батарея перезаряжена, электролиз воды приводит к образованию газообразного водорода и газообразного кислорода, которые теряются. Некоторые типы батарей позволяют добавлять воду, чтобы компенсировать потери.

Когда батарея разряжается, обратная реакция приводит к образованию сульфата свинца на обеих пластинах. Если батарея полностью разряжена, в результате образуются две одинаковые пластины сульфата свинца, разделенные водой. В этот момент аккумулятор считается полностью разряженным и не может восстановиться или снова зарядиться.

Серная кислота Названия

Название серной кислоты «аккумуляторной кислотой» указывает на концентрацию кислоты.На самом деле существует несколько разных названий серной кислоты, которые обычно отражают ее использование.

  • Концентрация менее 29% или 4,2 моль/л : Обычное название – разбавленная серная кислота.
  • 29-32% или 4,2-5,0 моль/л : Это концентрация аккумуляторной кислоты в свинцово-кислотных батареях.
  • 62%-70% или 9,2-11,5 моль/л : Это камерная кислота или кислота для удобрений. Это концентрация кислоты, полученная с использованием процесса со свинцовой камерой.
  • 78%-80% или 13,5-14,0 моль/л : Это башенная кислота или кислота Гловера. Это концентрация кислоты, извлеченной со дна башни Гловера.
  • 93,2% или 17,4 моль/л : Обычное название этой концентрации серной кислоты — кислота 66 °Bé («66 градусов Боме»). Он отражает плотность кислоты с помощью ареометра.
  • 98,3% или 18,4 моль/л : Это концентрированная серная кислота. Хотя можно сделать почти 100% серную кислоту, химическое вещество теряет SO3 вблизи точки кипения и впоследствии становится 98.3%.

Кислотные свойства аккумуляторов

  • Аккумуляторная кислота обладает высокой коррозионной активностью. Он бурно реагирует с кожей и слизистыми оболочками, выделяя много тепла.
  • Это полярная жидкость.
  • Аккумуляторная кислота обладает высокой электропроводностью.
  • Чистая аккумуляторная кислота бесцветна, но кислота легко впитывает примеси и обесцвечивается.
  • Не воспламеняется.
  • Аккумуляторная кислота не имеет запаха.
  • Его плотность почти в два раза больше, чем у воды, при 1.83 г/см 3 .

Источники

  • Давенпорт, Уильям Джордж; Кинг, Мэтью Дж. (2006). Производство серной кислоты: анализ, контроль и оптимизация . Эльзевир. ISBN 978-0-08-044428-4.
  • Хейнс, Уильям М. (2014). Справочник CRC по химии и физике (95-е изд.). КПР Пресс. стр. 4–92. ISBN 9781482208689. 
  • Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн.ISBN 978-0-08-037941-8.
  • Джонс, Эдвард М. (1950). «Камерный процесс производства серной кислоты». Промышленная и инженерная химия . 42 (11): 2208–2210. doi: 10.1021/ie50491a016
  • Зумдал, Стивен С. (2009). Химические принципы (6-е изд.). Компания Хоутон Миффлин. п. А23. ISBN 978-0-618-94690-7.

Вопрос: Как сделать аккумуляторную кислоту

Точное соотношение воды и серной кислоты составляет примерно: 80 % воды на 20 % серной кислоты в электролитной батарее.Это все о аккумуляторной кислоте. Надеемся, что это руководство поможет вам развеять все сомнения, а также обогатит ваши знания!

Делает ли соль Эпсома аккумуляторную кислоту?

Смешайте 10 столовых ложек с горкой английской соли с литром воды и перемешайте, пока большая часть или все не растворится. Затем просто залейте этот теплый раствор в отдельные элементы вашей разряженной батареи так же, как вы обычно заливаете воду для поддержания уровня кислоты. Затем зарядите аккумулятор в течение ночи.

Что можно использовать вместо аккумуляторной кислоты?

Единственным электролитом, который можно использовать в свинцово-кислотных аккумуляторах, является серная кислота.Добавление в батарею чего угодно, кроме воды, может мгновенно повредить ее, но некоторые вещества хуже других. Например, пищевая сода может нейтрализовать серную кислоту, присутствующую в растворе электролита батареи.

Как сделать аккумулятор?

Замените раствор для аккумуляторных батарей. Смешайте 4 стакана воды с 4 унциями английской соли. Перемешивайте, пока вода не станет прозрачной. Кипяченая вода ускоряет процесс, но не является обязательной. С помощью воронки заполните ячейки новым раствором электролита.

Из чего делают аккумуляторную кислоту и пищевую соду?

Когда бикарбонат пищевой соды вступает в контакт с раствором серной кислоты, он принимает ионы водорода, превращаясь в угольную кислоту. Когда этот углекислый газ выходит из раствора, образуется бурлящая масса пузырьков.

Можно ли заливать новую кислоту в старый аккумулятор?

Вы также можете попробовать заменить кислоту внутри аккумулятора и смешать новую кислоту с дистиллированной водой. Затем перезарядите аккумулятор в течение нескольких часов.В любом случае вы получите новую батарею, которой хватит надолго.

Как вернуть к жизни разряженный свинцово-кислотный аккумулятор?

Оживите разряженную свинцово-кислотную батарею Шаг 1: Подготовка батареи. Шаг 2: Залейте воду внутрь аккумулятора. Шаг 3: Смешайте воду с кислотой и зарядкой. Теперь вытащите отработанную воду из верхней части 3 отверстий с помощью шприца и дайте аккумулятору зарядиться. 39 комментариев.

Можно ли использовать дистиллированную воду для аккумуляторной кислоты?

Один из самых простых вариантов — использовать дистиллированную воду для заполнения аккумуляторов.Электролит в залитом аккумуляторе глубокого разряда представляет собой раствор кислоты и воды. Рекомендуется использовать дистиллированную или деионизированную воду, поскольку она не содержит дополнительных минералов, которые можно найти в воде, такой как обычная водопроводная вода.

Какой электролит лучше всего подходит для аккумулятора?

В свинцово-кислотном аккумуляторе серная кислота и вода являются электролитом. Он также поставляет ионы сульфата, необходимые для высвобождения молекул кислорода в раствор. Наполните стакан наполовину водой. Для раствора электролита лучше всего подходит дистиллированная вода.

Как восстановить аккумулятор в домашних условиях?

Вещи, которые вам понадобятся: защитные очки, перчатки, аккумуляторная кислота и вольтметр. Купите пакет с кислотой. Замените существующую кислоту и добавьте свежую дистиллированную воду. Заряжайте аккумулятор от 10 до 12 часов, если ваше зарядное устройство работает медленно. Если у вас есть быстрое зарядное устройство, заряжайте аккумулятор в течение 6 часов.

Что произойдет, если смешать соль с серной кислотой?

При смешивании хлорида натрия с серной кислотой происходит химическая реакция и образуются хлороводород и гидросульфат натрия.

Как долго вы оставляете пищевую соду в батарее?

Вы также можете починить аккумулятор с помощью ее пищевой соды, и для этого вам нужно смешать полгаллона дистиллированной воды с половиной фунта пищевой соды, следующее, что вы должны сделать, это залить раствор пищевой соды в аккумулятор и убедитесь, что он не переполняется, то следующее, что вам нужно.

Является ли угольная кислота кислотой?

В химии угольная кислота представляет собой двухосновную кислоту с химической формулой H 2 CO 3 .Чистое соединение разлагается при температурах выше ок. −80 °С.

Должен ли я добавлять воду или кислоту в аккумулятор?

Важно отметить, что владельцы аккумуляторов никогда не должны добавлять серную кислоту в свои аккумуляторы. При нормальной работе батареи потребляют только воду, а не серную кислоту. Если уровень электролита в аккумуляторе низкий, заполнение аккумулятора водой сохранит его работоспособность и безопасность для использования.

Сколько соли Эпсома вы используете в батарее?

При использовании соли Эпсома следуйте этим простым шагам для обработки большинства стартерных аккумуляторов.Нагрейте примерно 250 мл (8 жидких унций или чашку) дистиллированной воды примерно до 66ºC (150ºF), добавьте столько соли Epson, сколько вода может впитать (несколько столовых ложек), и перемешайте до растворения.

Как оживить аккумулятор, который не заряжается?

Использование дистиллированной воды с солью Эпсома для восстановления автомобильного аккумулятора Начните с выливания электролита из шести элементов аккумулятора. Смешайте около 10 унций (283 грамма) пищевой соды с галлоном дистиллированной воды. Заполните каждую ячейку смесью, которую вы создали.Еще раз откройте крышку ячейки и вылейте смесь.

Как обмануть разряженную батарею, чтобы зарядить ее?

Если вы возьмете пару соединительных кабелей и подключите исправную батарею к неисправной батарее параллельно (+ к +, — к -), а затем подключите зарядное устройство к исправной батарее, зарядное устройство увидит хорошее напряжение, и зарядите оба аккумулятора.

Сколько серной кислоты в 12-вольтовой батарее?

Аккумуляторная кислота

состоит приблизительно из 38% серной кислоты и 62% воды.Это примерно соотношение 0,6:1 по весу.

Сколько процентов составляет аккумуляторная кислота?

Аккумуляторная кислота

представляет собой серную кислоту, разбавленную водой до концентрации 37%.

Сколько кислоты вы заливаете в аккумулятор?

Заполните каждую ячейку батареи до уровня, едва закрывающего пластины батареи, а затем вернитесь и равномерно долейте каждую ячейку. Важно, чтобы ячейки были заполнены одинаково, иначе батарея не будет работать должным образом. Кислота должна достигать уровня примерно на 3/16 дюйма ниже кольца крышки, как показано на диаграмме.

Чтобы сделать твердые электролиты, начните с жидкости

Подобные несоответствия в спросе и предложении способствовали массовым каскадным отключениям электроэнергии в В августе 2003 г. на северо-востоке США и в Канаде, в июле 2012 г. в Индии и в марте 2019 г. в Венесуэле.

Ситуация вряд ли улучшится в ближайшее время по трем причинам. Во-первых, по мере того, как страны повсеместно переходят к декарбонизации, электрификация транспорта, отопления и других секторов вызовет резкий рост спроса на электроэнергию.Во-вторых, традиционные угольные и атомные электростанции выводятся из эксплуатации по экономическим и политическим причинам, удаляя стабильные источники из энергосистемы. И в-третьих, в то время как ветряные и солнечные фотоэлектрические системы полезны для климата и являются самыми быстрорастущими источниками выработки электроэнергии, изменчивость их мощности порождает новые проблемы для балансировки сети.

Так как же сетевые операторы могут поддерживать баланс спроса и предложения, даже если они закрывают старые, грязные электростанции, наращивают переменную генерацию и добавляют новые электрические нагрузки? Есть несколько возможностей.Один из них — сделать модернизированную версию того, что мы делали в прошлом: построить гигантскую централизованную инфраструктуру. Это означало бы установку огромного количества накопителей энергии, таких как батареи масштаба сети и гидронасосные установки для хранения избыточной вырабатываемой возобновляемой энергии и соединения этого хранилища с высоковольтными линиями электропередачи, чтобы предложение могло удовлетворить спрос в сети. Китай является лидером в этом подходе, но это невероятно дорого и требует огромной политической воли.

Мы думаем, что есть лучший способ. Вместо радикального расширения инфраструктуры электросетей наша работа в Университете Вермонта была сосредоточена на том, как координировать спрос в режиме реального времени, чтобы соответствовать все более изменчивому предложению. Наша технология берет две идеи, которые делают Интернет фундаментально масштабируемым — пакетирование и рандомизация — и использует их для создания системы, которая может координировать распределенную энергию. Эти две концепции передачи данных позволяют миллионам пользователей и миллиардам устройств подключаться к Интернету без какого-либо централизованного планирования или контроля.Те же основные идеи могут работать и в электрической сети. Используя связь с низкой пропускной способностью и небольшие контроллеры, работающие с простыми алгоритмами, можно использовать миллионы электрических устройств для балансировки потока электроэнергии в локальной сети. Вот как.

Спрос на электроэнергию в сети возникает из-за миллиардов электрических нагрузок. Их можно разделить на две большие категории: коммерческие и промышленные нагрузки и бытовые нагрузки. Из этих двух, жилые нагрузки гораздо более рассредоточены.Только в Соединенных Штатах насчитывается более 120 миллионов домохозяйств, на долю которых в совокупности приходится около 40 процентов годового потребления электроэнергии. Но бытовые потребители, как правило, не думают об оптимизации своих собственных электрических нагрузок в течение дня. Для простоты назовем эти бытовые нагрузки «устройствами», которые могут варьироваться от ламп и телевизоров до водонагревателей и кондиционеров.

Последние устройства, наряду с зарядными устройствами для электромобилей и насосами для бассейнов, являются не только большими электрическими нагрузками (то есть мощностью более 1 киловатта), но и гибкими.В отличие от освещения или телевизора, которые вы хотите включить, как только щелкнете выключателем, гибкое устройство может отсрочить потребление и включиться в любое время — пока есть горячая вода для вашего душа, ваш бассейн чист, ваш электромобиль достаточно заряжен, и температура в помещении комфортная.

В совокупности существует большая гибкость в бытовых электрических нагрузках, которые можно использовать для балансировки переменных поставок. Например, если бы в каждом домашнем хозяйстве в Калифорнии и Нью-Йорке было только одно устройство, которое могло бы гибко потреблять электроэнергию в любое время, энергосистема имела бы эквивалент около 15 гигаватт дополнительной мощности, что более чем в 10 раз превышает объем, доступный в настоящее время. от аккумуляторной батареи общего назначения в этих состояниях.

Вот что означает гибкость, когда речь идет об эксплуатации, скажем, бытового электрического водонагревателя. При нагреве воды типичный агрегат потребляет около 4,5 кВт. В течение обычного дня прибор работает примерно в десятую часть времени, потребляя около 10,8 киловатт-часов. Для домовладельца ежедневные затраты на эксплуатацию водонагревателя составляют менее 2 долларов США (при ставке около 15 центов за кВтч). Но для коммунальных предприятий стоимость электроэнергии сильно варьируется: от номинальных 4 центов за кВтч до более 100 долларов за кВтч в пиковые годовые периоды.Иногда стоимость даже отрицательная: когда от ветряных или солнечных электростанций вырабатывается слишком много энергии, сетевые операторы фактически платят коммунальным службам за потребление излишков.

Спрос и предложение на электроэнергию иногда могут резко расходиться. Пакетизация и рандомизация гибких электрических нагрузок позволяют спросу соответствовать доступному предложению.

Университет Вермонта

Чтобы снизить спрос в периоды пиковой нагрузки, коммунальные службы уже давно предлагают программы реагирования на спрос, которые позволяют им отключать водонагреватели, кондиционеры и другие нагрузки клиентов по фиксированному графику — скажем, в 4 часа дня.м. до 9 вечера летом, когда использование исторически высоко. Если все, что мы хотим сделать, это уменьшить нагрузку в такие моменты, этот подход работает достаточно хорошо.

Однако, если наша цель состоит в том, чтобы сбалансировать энергосистему в режиме реального времени, поскольку возобновляемая генерация непредсказуемо меняется с ветром и солнцем, то работы устройств в соответствии с фиксированным графиком, основанным на прошлом поведении, будет недостаточно. Нам нужен более гибкий подход, который выходит за рамки простого снижения пикового спроса и обеспечивает дополнительные преимущества, повышающие надежность энергосистемы, такие как чувствительность к ценам, сглаживание возобновляемых источников энергии и регулирование частоты.

Как операторы сети могут координировать множество распределенных, гибких устройств мощностью в киловатт, каждое со своими специфическими потребностями и требованиями, для предоставления совокупного ресурса сети в масштабе гигаватт, реагирующего на сильно меняющееся предложение? Размышляя над этим вопросом, мы нашли вдохновение в другой области: цифровых системах связи.

Цифровые системы представляют ваш голос, электронное письмо или видеоклип в виде последовательности битов. Когда эти данные передаются по каналу, они разбиваются на пакеты.Затем каждый пакет независимо маршрутизируется по сети к назначенному месту назначения. Как только все пакеты получены, данные восстанавливаются в исходную форму.

Чем это похоже на нашу проблему? Интернетом ежедневно пользуются миллионы людей и миллиарды устройств. У пользователей есть свои индивидуальные устройства, потребности и модели использования, которые мы можем рассматривать как спрос, в то время как сама сеть имеет динамику, связанную с ее пропускной способностью, другими словами, с ее предложением. Тем не менее, спрос и предложение в Интернете сопоставляются в режиме реального времени без какого-либо централизованного планировщика.Точно так же миллиарды электрических устройств, каждое со своей собственной динамикой, подключаются к энергосистеме, чье питание, как мы уже отмечали, становится все более изменчивым.

Признавая это сходство, мы разработали технологию пакетного управления энергопотреблением (PEM) для координации энергопотребления гибких устройств. Соавтор Хайнс давно интересовался надежностью энергосистемы и изучал, как сбои в линиях электропередачи могут привести к каскадным отключениям и системным отключениям электроэнергии.Тем временем Фролик, имеющий опыт работы в системах связи, работал над алгоритмами для динамической координации передачи данных от беспроводных датчиков таким образом, чтобы потреблять очень мало энергии. Благодаря случайному обсуждению мы поняли, что наши интересы пересекаются, и начали работать над тем, чтобы увидеть, как эти алгоритмы могут быть применены к проблеме зарядки электромобилей.

Вскоре после этого Алмассалхи присоединился к нашему отделу и понял, что то, над чем мы работаем, имеет больший потенциал.В 2015 году он написал выигрышное предложение для программы ARPA-E NODES — это программа Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США — Energy’s Network Optimized Distributed Energy Systems. Финансирование позволило нам продолжить разработку подхода PEM.

Вернемся к электрическому водонагревателю. При обычной работе водонагреватель управляется своим термостатом. Устройство включается, когда температура воды достигает нижнего предела, и работает непрерывно (при 4,5 кВт) в течение 20–30 минут, пока температура воды не достигнет верхнего предела.Пара черно-белых графиков в нижней части документа «Соотношение спроса на электроэнергию и предложения» показывает режимы включения и выключения 10 нагревателей: черный — выключен, белый — включен.

В PEM каждая нагрузка работает независимо и в соответствии с простыми правилами. Вместо нагрева только тогда, когда температура воды достигает нижнего предела, водонагреватель будет периодически запрашивать потребление «пакета» энергии, где пакет определяется как потребление энергии в течение короткого периода времени, скажем, 5 минут. Координатор (в нашем случае — облачная платформа) одобряет или отклоняет такие пакетные запросы на основе целевого сигнала, отражающего условия сети, такие как доступность возобновляемой энергии, цена на электроэнергию и так далее.Верхний график в разделе «Соотношение спроса на электроэнергию с предложением» показывает, насколько близко потребление PEM соответствует целевому сигналу, основанному на поставках возобновляемой энергии.

Чтобы гарантировать, что устройства с большей потребностью в энергии с большей вероятностью одобрят свои запросы, каждое устройство регулирует скорость своих запросов в зависимости от своих потребностей. Когда вода менее горячая, водонагреватель просится чаще. Когда вода горячее, он просит реже. Таким образом, система динамически приоритизирует устройства полностью децентрализованным образом, поскольку вероятность выполнения пакетных запросов пропорциональна потребности устройств в энергии.Затем координатор PEM может сосредоточиться на управлении входящими пакетными запросами, чтобы активно формировать общую нагрузку от множества пакетных устройств без необходимости централизованно оптимизировать поведение каждого устройства. С точки зрения заказчика в водонагревателе ничего не изменилось, так как эти запросы происходят полностью в фоновом режиме.

Эти же концепции могут быть применены к широкому спектру энергоемких устройств. Например, зарядное устройство электромобиля или бытовая аккумуляторная система могут сравнить текущее состояние заряда батареи с ее желаемым значением, эквивалентным ее потребности в энергии, преобразовать это в вероятность запроса, а затем отправить запрос координатору PEM, который либо принимает или отклоняет запрос на основе сетки в реальном времени или рыночных условий.В зависимости от этих условий для полной зарядки аккумулятора может потребоваться несколько больше времени, но пользователь не должен испытывать неудобств.

Таким образом, гибкие энергетические устройства обмениваются данными, используя общий простой язык запросов энергетических пакетов. В результате координатор не зависит от типа устройства, отправляющего запрос. Эта аппаратно-независимая координация аналогична сетевому нейтралитету в передаче данных. В общем, Интернету все равно, несет ли ваш пакет голосовые, видео или текстовые данные.Точно так же PEM не волнует, является ли устройство, запрашивающее пакет, водонагревателем, насосом для бассейна или зарядным устройством для электромобиля, поэтому он может легко координировать разнородное сочетание устройств мощностью в киловатт.

Этот контроллер подключается к бытовому электрическому водонагревателю и использует простые алгоритмы для запроса «пакетов» энергии от облачного координатора для поддержания подходящей температуры.

Пакетные энергетические технологии

В настоящее время восходящие технологии , управляемые устройствами, такие как PEM, не получили широкого распространения.Вместо этого в большинстве современных технологий реагирования на спрос используется нисходящий подход, при котором координатор передает управляющий сигнал всем устройствам, сообщая им, что делать. Но если каждому устройству приказано делать одно и то же в одно и то же время, все может очень быстро пойти не так, поскольку энергопотребление устройств синхронизируется. Представьте себе эффект от одновременного включения (или выключения) миллионов кондиционеров, водонагревателей и зарядных устройств для электромобилей. Это будет означать гигаваттные всплески — как если бы большая атомная электростанция включалась или выключалась щелчком выключателя.Всплеск такого большого размера может привести к нестабильности сети, что может вызвать каскадное отключение электроэнергии. Вот почему сегодня большинство коммунальных служб делят устройства на группы, чтобы ограничить всплески порядка десятков мегаватт. Тем не менее, активное управление этими различными группами, помимо нескольких ежегодных пиковых событий, является проблемой для нисходящих подходов.

Но если каждое устройство работает для удовлетворения своей уникальной потребности в энергии, то запросы пакетов (и результирующее потребление энергии) по своей сути рандомизируются, и в результате синхронизация становится гораздо менее важной.

Нисходящий подход также затрудняет учет предпочтений клиентов в отношении горячей воды, заряженных автомобилей и прохладных домов в жаркие дни. Если мы собираемся координировать энергетические устройства, чтобы улучшить работу сети, нам нужно убедиться, что мы делаем это таким образом, чтобы потребитель практически не заметил и автоматически.

Теперь рассмотрим, как PEM учитывает предпочтения отдельного клиента в случае с водонагревателем. Если температура воды падает ниже нижнего предела, а нагреватель еще не потребляет пачку энергии, он может временно «отключиться» от схемы PEM и включиться до восстановления температуры.Водонагреватель сообщит координатору PEM об этом изменении своего режима работы, и координатор просто обновит свой учет совокупного потребления. Влияние этой отдельной загрузки на общую сумму невелико, но для клиента наличие гарантии горячей воды, когда это необходимо, укрепляет доверие и обеспечивает постоянное участие.

Подход PEM, ориентированный на устройства, также упрощает работу координатора, поскольку ему не нужно централизованно отслеживать или моделировать каждое устройство для разработки оптимизированного расписания.Координатору нужно только отслеживать сетку и рыночные условия, отвечать на поток входящих запросов пакетов и вести учет «отключенных» устройств — другими словами, координатор управляет всего тремя наборами номеров.

Чтобы повысить эффективность нашей работы, мы решили коммерциализировать PEM параллельно с нашими исследованиями и в 2016 году основали Packetized Energy. Компания развернула свою облачную платформу для координации энергетики в нескольких пилотных проектах, спонсируемых коммунальными предприятиями в США. Штаты и Канада.Каждый из этих проектов начался с модернизации существующих электрических водонагревателей интеллектуальным термостатом, который мы спроектировали, разработали и который прошел сертификацию UL. Мы также продемонстрировали PEM с зарядными устройствами для электромобилей, бытовыми аккумуляторами и термостатами. Нашим первым клиентом была коммунальная служба нашего родного города Вермонт, Burlington Electric Department. В 2018 году BED запустила первую в стране программу водонагревателей, полностью работающих на возобновляемых источниках энергии, которая теперь расширилась и теперь включает зарядные устройства для электромобилей.

Наши проекты дали многообещающие результаты.«Демонстрация координации нагрузки в реальном времени» показывает, как PEM координировал нагрузку от 208 бытовых водонагревателей в Вермонте и Южной Каролине в течение типичного 2-часового периода. Нагреватели [оранжевая линия] следовали за быстро меняющимся целевым значением [черная линия], которое колебалось от примерно половины номинальной нагрузки до примерно вдвое большей нагрузки [красная линия].

По мере масштабирования системы до тысяч устройств с пакетной обработкой асинхронные запросы пакетов будут отображаться как непрерывный сигнал. Наше моделирование показывает, что в этом масштабе любые разрывы между целевым и фактическим исчезают.Совокупная нагрузка по крайней мере так же быстро реагирует, как время реакции современной электростанции, работающей на природном газе, и вам не нужно нести расходы на строительство, эксплуатацию и техническое обслуживание физической установки.

Падение цен на датчики и микроконтроллеры приводит к быстрому росту Интернета вещей. В сочетании с технологией «умный дом» IoT позволяет представить мир, в котором все энергетические устройства — нагрузки, накопители энергии и генераторы — активно координируются, чтобы поддерживать стабильность сети и в полной мере использовать преимущества возобновляемых источников энергии.Но проблемы действительно ждут впереди.

Во-первых, сегодня существует мало стандартов, которыми могли бы руководствоваться производители, заинтересованные в координации на уровне устройств, и нет реальных стимулов для принятия ими какого-либо конкретного подхода. Это привело к распространению проприетарных технологий, решающих одну и ту же фундаментальную проблему. И здесь мы снова можем черпать вдохновение из Интернета: маловероятно, что собственные решения масштабируются до такой степени, чтобы решать имеющиеся энергетические проблемы. Новые инициативы, продвигаемые промышленностью, такие как EcoPort (ранее CTA 2045) и Matter (ранее Connected Home over IP) обещают безопасную связь с малой задержкой с устройствами разных производителей.Технические комитеты, рабочие группы и целевые группы IEEE также играют вспомогательную роль, например, технический комитет IEEE Power and Energy Society по умным зданиям, нагрузкам и потребительским системам. Мы надеемся, что в будущем эти усилия будут беспрепятственно поддерживать описанные здесь концепции «пакетизации» на основе устройств, а не просто служить традиционным нисходящим архитектурам связи и управления.

Также необходимы стимулы для потребителей электроэнергии, чтобы изменить потребление энергии.Сейчас ежедневная стоимость электроэнергии для бытового водонагревателя примерно одинакова, независимо от того, когда водонагреватель включается. У домовладельца нет финансовой выгоды от запуска водонагревателя, когда возобновляемая энергия высока или оптовая цена на электроэнергию низка. Регуляторным органам, коммунальным предприятиям и другим сторонам необходимо будет переосмыслить и переработать программы стимулирования и гибкого спроса, чтобы гарантировать, что взносы и вознаграждения будут справедливыми и равными для всех клиентов. Им также необходимо информировать потребителей о том, как работает программа.

Существует множество прецедентов для решения таких технических и политических проблем. Общедоступная система, которая является справедливой, гибкой, доступной, надежной, отказоустойчивой и масштабируемой, очень похожа на Интернет. Пакетное управление энергопотреблением, основная конструкция которого основана на передаче данных в Интернете, принесет те же важные преимущества. По мере того, как мы переходим к новому типу сети, основанной на распределенной и возобновляемой генерации, нам потребуются новые технологии и новые парадигмы. К счастью, у нас есть проверенная временем модель, которая указывает нам путь.

Эта статья появилась в печатном выпуске за февраль 2022 г. под названием «Пакетизация энергосистемы».

Батарейки | Бесплатный полнотекстовый | Концентрация присадок к электролиту для максимального накопления энергии в свинцово-кислотных батареях

1. Введение

Добавление химической добавки в электролит свинцово-кислотной батареи может изменить удельную энергию, которую батарея может хранить. Этот факт был известен с момента изобретения батареи и в настоящее время представляет большой интерес для аккумуляторной промышленности.В этой статье представлен общий метод оценки влияния добавок к электролиту на энергоемкость свинцово-кислотной батареи и определения наилучшей концентрации добавок для использования. Рассматриваемая здесь добавка к электролиту носит довольно общий характер. Это может быть химическое соединение или смесь химических веществ; суспензия или гель, используемые для иммобилизации электролита. Единственным ограничением является то, что добавка — что бы это ни было — должна находиться в химическом равновесии и иметь низкую реакционную способность по отношению к другим компонентам батареи.

Добавки также добавляют в электролит батареи по целому ряду других причин, таких как продление срока службы батареи, снижение коррозии электродов, улучшение проводимости, снижение газовыделения на электродах, защита от перезарядки или глубокой разрядки и т. д. полезное в одних отношениях может быть вредным в других. Таким образом, выбор и концентрация добавки всегда должны оцениваться с точки зрения побочных эффектов, которые она вызывает. Это означает, в частности, что добавка, повышающая энергоемкость батареи, может оказаться нежизнеспособной, по крайней мере, при определенных концентрациях, из-за других нежелательных эффектов, которые она вызывает.

Существуют сотни статей, книг и патентов, посвященных добавкам к электролиту и их влиянию на свинцово-кислотные аккумуляторы. Полный обзор литературы вышел бы за рамки настоящей статьи. Глава 3 книги Павлова [1] содержит сравнительно краткий обзор основной литературы по теме примерно до 2011 года. Речь идет о классических неорганических добавках (фосфорная кислота, борная кислота, лимонная кислота, сульфат стронция, сульфат натрия), углеродных суспензиях, и эмульсии органических полимеров.В настоящее время активно изучается большой потенциал ионных жидкостей в качестве добавок к электролитам [2] благодаря способности этих солей расширять электрохимическое окно воды [3,4,5]. Кроме того, большой практический интерес представляет изучение добавок, образующих гелеобразные электролиты, в связи с их применением в области электродвижения [6,7,8]. Недавно в работе [9] было представлено интересное исследование по добавлению добавки в гелеобразный электролит.

Разнообразие доступных добавок делает невозможным дать общие правила в отношении наилучшей добавки и наилучшей концентрации для использования для данной цели.Поэтому настоящая статья по необходимости должна быть несколько ограничена по объему. По этой причине, игнорируя другие эффекты, в данной статье основное внимание уделяется влиянию добавок на энергоемкость аккумулятора. Представленный анализ обеспечивает общий способ оценки влияния любой добавки к электролиту в отношении этой емкости. Он также показывает, как концентрация добавки, которая максимизирует эту способность, может быть определена на основе небольшого количества основных экспериментальных данных. Конечно, положительная оценка добавки в отношении энергоемкости батареи не исключает необходимости выяснить, вызывает ли добавка нежелательные побочные эффекты и в какой степени.Однако при поиске наилучших добавок для увеличения энергоемкости батареи результаты настоящей статьи могут помочь быстро отказаться от неэффективных добавок, что значительно упростит процесс выбора.

Центральным в анализе этой статьи является наблюдение, что при любой конечной температуре внутренняя энергия любой системы конечного объема должна быть конечной. Это следствие принципа сохранения энергии или первого закона термодинамики. При довольно широких допущениях, которым удовлетворяет большинство природных систем и, в частности, растворы электролитов, это наблюдение вместе со вторым законом термодинамики подразумевает ограничение удельной свободной энергии, которую электролит может запасать и отдавать изотермически.Этот вопрос обсуждается в разделе 3. Подобный анализ ранее применялся в [10] для определения максимальной энергоемкости живой клетки — задачи, концептуально аналогичной рассматриваемой здесь. Настоящий подход приводит к определению предельная кривая батареи (раздел 4). Эта кривая определяет предельную концентрацию компонентов электролита, при превышении которой в аккумуляторе происходят необратимые изменения или повреждения, что может привести к сокращению срока службы аккумулятора. В случае свинцово-кислотной батареи это повреждение проявляется в выделении O 2 на положительном электроде при избыточном заряде или в необратимом сульфатировании отрицательного электрода при избыточном разряде.Упомянутая предельная кривая служит инструментом не только для определения значения максимального увеличения энергоемкости батареи, которое может быть достигнуто при использовании данной добавки к электролиту, но и для определения значения концентрации добавки, обеспечивающей это максимальное увеличение. . Это также приводит к установлению теоретических пределов заряда, в пределах которых батарея может работать без необратимых изменений. Практический пример применения полученных результатов приведен в разделе 5.

2. Свободная энергия аккумуляторных электролитов с добавками

Свободная энергия раствора или смеси представляет собой сумму свободных энергий ее компонентов. Так, если nh3O, nh3SO4 и n j (j = 1, 2, …, k) обозначают соответственно моли воды, серной кислоты и примесей, то свободная энергия Гиббса атома Pb — кислотный аккумуляторный электролит при давлении р и абсолютной температуре Т определяется по формуле:

G=G(nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk, p, T)=nh3O µh3O+nh3SO4 µh3SO4+∑j=1k nj µj+C

(1)

Здесь µh3O, µh3SO4 и µ j — парциальные молярные свободные энергии Гиббса или химические потенциалы воды, серной кислоты и добавок соответственно, а C — произвольная константа.Химический потенциал любого компонента раствора или смеси всегда можно выразить в виде:

μ =μo(po,T)+V¯ Δp+R T lna

(2)

В этом уравнении μ o – химический потенциал рассматриваемого компонента в стандартном состоянии при давлении p o и температуре T, а V¯ – парциальный молярный объем того же компонента, R – универсальная газовая постоянная , Δp означает p − p o и, наконец, a – активность или эффективная концентрация рассматриваемого компонента.

В дальнейшем молярное отношение:

xh3O=nh3Onh3O+nh3SO4+∑j=1k nj

(3)

принимается за меру концентрации растворителя, а концентрации серной кислоты и добавок измеряются в молялях (моль на кг H 2 O) и обозначаются bh3SO4 и b j соответственно. То есть:

bh3SO4= nh3SO4mh3O =nh3SO4n h3O Mh3O 

(4)

а также:

bj=njmh3O =njn h3O Mh3O 

(5)

где М Н 2 О = 18.015 × 10 −3 кг·моль −1 — молярная масса воды. В этих обозначениях активности компонентов электролита можно выразить как:

ah3O=γh3O xh3O=γh3O nh3Onh3O+nh3SO4+∑j=1k nj

(6)

ah3SO4=γh3SO4 bh3SO4=γh3SO4 nh3SO4mh3O =γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O 

(7)

а также:

aj=γj  bj=γj  njmh3O =γj  njn h3O Mh3O 

(8)

где γh3O, γh3SO4 и γ j – соответствующие коэффициенты активности, которые, в общем случае, зависят от nh3O, nh3SO4 и n j , кроме T и p.Выражая µh3O, µh3SO4 и µ j в уравнении (2) и используя уравнения (6)–(8), мы можем записать уравнение (1) в виде:

G = NH3O μH3OO (PO, T) + NH3SO4 μH3SO4O (PO, T) + σj = 1s nj μjo (po, t) + vδp + r t [nh3Oln γh3o nh3onh3o + nh3so4 + σj = 1k nj + nh3so4ln γh3so4 nh3so4n h3o Mh3O+∑j=1k njlnγj nj n h3O Mh3O ]+C

(9)

При написании этого уравнения мы использовали следующее уравнение:

V=nh3O V¯h3O+nh3SO4 V¯h3SO4+∑j=1k nj V¯j

(10)

которая связывает парциальные молярные объемы V¯h3O, V¯h3SO4 и V¯j компонентов электролита с объемом электролита V.Свободная энергия Гельмгольца, Ψ и свободная энергия Гиббса связаны друг с другом известным уравнением: Отсюда и из уравнения (9) получается свободная энергия Гельмгольца электролита:

Ψ = NH3O μH3OO (PO, T) + NH3SO4 μH3SO4O (PO, T) + σj = 1S NJ μJO (PO, T) — POV + R T [NH3OLN γH3O NH3ONH3O + NH3SO4 + ΣJ = 1K NJ + NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4N H3O Mh3O+∑j=1k njlnγj nj n h3O Mh3O ]+C

(12)

Приведенные выше формулы являются стандартными. Однако, как видно из уравнения (7), введенный выше коэффициент активности γh3SO4 относится к общей концентрации серной кислоты.Этот коэффициент следует отличать от среднего коэффициента активности ионов серной кислоты, который может быть обозначен как γh3SO4± и обычно рассматривается в электрохимии (хотя и реже при работе со свинцово-кислотными батареями). Использование γh3SO4 вместо γh3SO4± упрощает последующие формулы, поскольку детали диссоциации серной кислоты на ионы не играют явной роли в данном подходе. Соотношение между двумя коэффициентами активности:

γh3SO4= 4 (bh3SO4)2·(γh3SO4±)3

(13)

Это можно получить из уравнения (7), если ah3SO4 выразить как функцию γh3SO4± в соответствии со стандартными формулами для ионных растворенных веществ (см.г., раздел 7.4 в [11]). Как γh3SO4, так и γh3SO4± зависят от bh3SO4, и их лучше всего определять из эксперимента. Важное упрощение уравнения (12) достигается введением следующего уравнения:

∑j=1k nj lnγj njn h3O M h3O  =nadd lnγadd naddn h3O M h3O 

(14)

доказательство которого в несколько измененном виде дано в [10]. В этом уравнении мы устанавливаем:

надд =∑j=1k nj

(15)

а также:

γadd=M h3Onadd  [ ∏j=1k (γj njMh3O)nj ] 1neq

(16)

где символ Π указывает произведение последовательности, т.е.е.,:

∏i=1kyi=y1⋅y2⋅…⋅yk

(17)

Переписывая правую часть уравнения (12) как сумму двух частей и используя уравнение (14), свободная энергия Гельмгольца электролита может быть выражена в общем виде как:

Ψ=  Ψ′ +  Ψ″

(18)

где функции Ψ′ и Ψ″ задаются формулой:

Ψ′=Ψ′(nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk, po, T)=nh3O µh3Oo(po,T)+nh3SO4 µh3SO4o(po,T)+∑j=1s nj µjo(po, Т)+С

(19)

а также:

Ψ «= ψ» (NH3O, NH3SO4, NADD, P, T) = R t [NH3OLN γH3O NH3O NH3O + NH3SO4 + NH3O NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4N H3O MH3O + NADDLNγADD NADD N H3O MH3O] -POV

(20)

соответственно.Как обсуждается в следующем разделе, Ψ″ — это часть Ψ, которая определяет допустимый диапазон электролита. Таким образом, что касается определения этого диапазона, уравнение (20) позволяет нам заменить все добавки к электролиту только одной единственной фиктивной добавкой в ​​количестве n add и коэффициентом активности γ add . Такая добавка будет называться эквивалентной добавкой. Уравнение (20) является довольно общим. Это относится к любой комбинации добавок, будь то жидкости, твердые суспензии, коллоиды или любая их смесь.Независимо от количества и вида добавок, значения n add и γ add могут быть определены экспериментально, используя тот факт, что, как обсуждается в следующем разделе, существует ограничение на максимальное количество свободной энергии, которое любая конечная система может храниться в изотермических условиях. Детали соответствующей экспериментальной процедуры приведены в Разделе 5.

3. Предел свободной энергии раствора электролита

При любой заданной конечной температуре количество нетепловой энергии, которую конечная система может хранить или поставлять, конечно.Это прямое следствие первого закона термодинамики. Это подразумевает предел максимальной энергии, которую система может хранить. При рассмотрении в свете второго закона термодинамики предел максимальной энергии влечет за собой ограничение на состояния, которых система может достичь, не претерпевая необратимых изменений своих конститутивных свойств. При достаточно общих предположениях такое ограничение определяет область всех состояний, в которые система может попасть без необратимых изменений своих свойств.Эта область является (термодинамически) допустимым диапазоном системы. Его границы являются предельной поверхностью системы. Частный случай решений, который нас интересует в этой статье, подробно обсуждается в [10]. Систематическое введение по этому вопросу, включая общие системы, содержится в [12].

Из классической термодинамики мы знаем, что при постоянной температуре количество нетепловой энергии, которую система может хранить или отдавать, равно изменению свободной энергии Гельмгольца системы.Однако не вся свободная энергия системы подвергается термодинамическому ограничению. Например, любая чисто механическая часть свободной энергии системы, например потенциальная энергия, обусловленная весом системы, не ограничивается термодинамикой. Поэтому при поиске допустимого диапазона системы следует пренебречь той частью свободной энергии системы, которая не ограничена термодинамикой.

В данном случае часть свободной энергии электролита, не ограниченная термодинамикой, равна Ψ′.Это видно из уравнения (19), поскольку Ψ′ равно сумме свободных энергий компонентов электролита в их стандартном состоянии. Таким образом, Ψ′ зависит от количеств этих компонентов (nh3O, nh3SO4, n1, n2, …, nk) независимо от того, находятся ли они в растворе или отделены друг от друга. Поскольку не существует термодинамического предела для количества материала, которое можно соединить для образования системы, нет термодинамического предела для значений, которые может принимать Ψ′. Ситуация совершенно иная для Ψ″.Как следует из уравнений (6)–(8) и (20), Ψ″ зависит от концентрации вышеуказанных компонентов. Таким образом, это относится к энергии, которую эти компоненты имеют в результате их взаимного взаимодействия после их смешивания. Следовательно, любое термодинамическое ограничение энергии раствора электролита должно быть ограничением Ψ″, хотя полная свободная энергия раствора представляет собой сумму Ψ″ плюс часть энергии Ψ′, которую несет каждый компонент независимо от присутствия других компонентов.

На самом деле можно проверить, что Ψ″ составляет лишь малую часть Ψ. Самая большая часть общей свободной энергии, которую батарея может хранить или поставлять, связана с Ψ′ и происходит от изменений в nh3O и nh3SO4, возникающих в результате химических реакций, происходящих в электролите. Однако при всей своей малости Ψ″ определяет допустимый диапазон электролита. Как следствие, Ψ″ устанавливает предел общей свободной энергии батареи, Ψ, поскольку ограничивает диапазон изменения nh3O и nh3SO4.Аналогичная ситуация может иметь место и для растворов, содержащих химически реагирующие компоненты. Например, в случае живой клетки та часть свободной энергии цитозоля, которая определяет допустимый диапазон клетки, составляет лишь долю полной свободной энергии цитозоля [10]. И в этом случае небольшая часть полной свободной энергии цитозоля ограничивает количество компонентов раствора, тем самым ограничивая энергию, которую живая клетка может запасать или выделять, а значит, и ее работоспособность.Чтобы сделать следующий анализ независимым от количества электролита, удобно ссылаться на молярную концентрацию Ψ″ на кг растворителя. Эта концентрация энергии обозначается ψ″ и получается путем деления обеих частей уравнения (20) на nh3OMh3O (т. е. на вес в килограммах воды, содержащейся в электролите):

ψ «= ψ» (NH3O, NH3SO4, NADD, P, T) = R T MH3O [LN γH3O NH3O NH3O + NH3SO4 + NH3O NH3SO4NH3OLN γH3SO4 NH3SO4N H3O MH3O + NADDNH3OLNγADD NADD N H3O MH3O] -POV¯MH3O

(21)

где V¯ – объем электролита на моль растворителя:

В обоих приведенных выше уравнениях nh3O является переменной, поскольку количество молей воды в электролите меняется по мере зарядки или разрядки аккумулятора.

В дальнейшем температура считается постоянной. При этом зависимость свободной энергии от р будет игнорироваться, как это обычно делается в отсутствие газовых фаз, а также при работе при постоянном или близком к нему давлении. Таким образом, если ψmax″ является значением, которое ψ″ достигает на термодинамическом пределе, упомянутом выше, следующее соотношение: относится ко всем состояниям, которых может достичь электролит при рассматриваемой температуре. Вместе с уравнением (21) уравнение (23) определяет допустимый диапазон электролита в пространстве переменных nh3O, nh3SO4, nadd.Предельная поверхность электролита является границей этого диапазона:

Следовательно, она эквипотенциальна для ψ″ или Ψ″ (однако одна и та же поверхность не является эквипотенциальной для полной свободной энергии системы или ее части Ψ′, как уравнения (18) и (19) показывать).

Хотя V¯ является переменной величиной, она претерпевает незначительные изменения (менее 0,3%) при нормальной работе батареи. Что касается настоящего анализа, член p° V¯/Mh3O, фигурирующий в уравнении (21), можно рассматривать как константу.Как следствие, его вкладом в ψ″ и ψmax″ можно в хорошем приближении пренебречь при применении уравнений (23) и (24), поскольку добавление или вычитание постоянного члена к обеим частям этих соотношений несущественно. Соответственно, при определении допустимого диапазона и предельной поверхности электролита или предельной кривой батареи в дальнейшем мы будем игнорировать слагаемое −p° V¯/Mh3O в правой части уравнения (21). С этой оговоркой допустимый диапазон электролита может быть выражен как:

R T Mh3O[lnγh3O nh3O nh3O+nh3SO4+nadd+nh3SO4nh3Oln γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O+naddnh3Olnγadd nadd n h3O Mh3O ]≤9ψ9max

(25)

В трехмерном пространстве (nh3O, nh3SO4, n добавить ) это соотношение определяет область всех состояний, в которые электролит может попасть без необратимых изменений.Границей этой области является предельная поверхность электролита:

R T Mh3O[lnγh3O nh3O nh3O+nh3SO4+nadd+nh3SO4nh3Oln γh3SO4 nh3SO4n h3O Mh3O+naddnh3Olnγadd nadd n h3O Mh0O″]=ψ0max

(26)

и представляет собой поверхность в упомянутом выше трехмерном пространстве.

4. Допустимый диапазон батареи и предельная кривая

Не все состояния допустимого диапазона из уравнения (25) доступны для электролита внутри батареи. В нормальных условиях эксплуатации батарея не обменивается веществом с окружающей средой.В этих условиях общее количество молекул воды и серной кислоты внутри аккумулятора остается постоянным. Это прямое следствие известной общей реакции, управляющей работой батареи:

Pb (т) + PbO 2 (т) + 2H 2 SO 4 (водн.) ⇌ 2PbSO 4 (т) + 2H 2 O (л)

(27)

Реакция идет слева направо во время разряда аккумулятора. Это производит две молекулы воды на каждые две молекулы серной кислоты, которые потребляются.Зарядка батареи запускает реакцию в противоположном направлении, таким образом производя две молекулы серной кислоты на каждые две молекулы потребляемой воды. В обоих случаях сумма nh3O и nh3SO4 остается постоянной. Таким образом, в любой момент процесса зарядки или разрядки аккумулятора мы имеем:

n h3O+nh3SO4= n¯

(28)

где n¯ — константа. Значение этой константы зависит от подготовки батареи и может быть определено по значениям nh3O и nh3SO4 в любой момент срока службы батареи.В частности, пусть nh3Oo и nh3SO4o — значения nh3O и nh3SO4 электролита, который необходимо ввести в батарею. Они совпадают со значениями nh3O и nh3SO4 электролита внутри батареи, поскольку батарея начинает работать после заполнения. Следовательно, должно выполняться следующее уравнение:

n¯= nh3Oo+nh3SO4o

(29)

которое фиксирует n¯. Уравнение (28) можно использовать для исключения переменной nh3O из уравнений (25) и (26). Это уменьшает количество независимых переменных, появляющихся в этих уравнениях, тем самым еще больше ограничивая диапазон состояний, которые может достичь электролит.Более явно, вводя уравнение (28) в уравнение (25), мы получаем допустимый диапазон батареи:

R T MH3O [LN γH3O (N¯-NH3SO4) N¯ + NADD + NH3SO4N¯-NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4 (N¯-NH3SO4) MH3O + NADDN¯-NH3SO4LNγADD NADD (N¯-NH3SO4) MH3O] ≤ψmax «

(30)

Это область плоскости (nh3SO4, n add ), содержащая все состояния, которые может достичь электролит при нормальной работе батареи без необратимых изменений. Его границей является предельная кривая батареи.Его получают, взяв знак равенства в уравнении (30):

R T MH3O [LN γH3O (N¯-NH3SO4) N¯ + NADD + NH3SO4N¯-NH3SO4LN γH3SO4 NH3SO4 (N¯-NH3SO4) MH3O + NADDN¯-NH3SO4LNγADD NADD (N¯-NH3SO4) MH3O] = ψmax «

(31)

Эта кривая на плоскости (nh3SO4, n add ) ограничивает область всех состояний, в которые электролит может обратимо перейти при работе внутри аккумулятора.

Уравнения (27)–(31) применимы к свинцово-кислотным батареям, содержащим нереагирующие добавки к электролиту, т.е.т. е. добавки, не вступающие в химическую реакцию между собой или с другими компонентами батареи. Нереагирующие добавки обычно используются в коммерческих аккумуляторах. Как указывалось ранее, это единственные добавки, о которых мы говорим в этой статье. Те же уравнения применимы, в частности, и при отсутствии добавок к электролиту, в этом случае n добавить = 0,

Типичная предельная кривая ψ″ = ψmax″ и, таким образом, сдвигает состояние батареи вверх, т.е. по линии АВ на рисунке 1.Допустимый диапазон батареи — это заштрихованная область на кривой. Количество добавки в электролите остается постоянным во время заряда и разряда, так как добавка химически неактивна. Таким образом, зарядка или разрядка аккумулятора в этом диапазоне смещает состояние аккумулятора вверх и вниз по вертикальной линии, n прибавить = постоянное, в плоскости рисунка 1. В электролите происходят необратимые изменения, если предельная кривая аккумулятора превышен. Более конкретно, зарядка аккумулятора увеличивает nh3SO4 и, таким образом, сдвигает состояние аккумулятора вверх, т.е.е., вдоль линии AB на рисунке 1. Процесс обратим до тех пор, пока состояние батареи остается в пределах сегмента AB. Однако при превышении точки А на положительном электроде происходит выделение кислорода, что делает процесс необратимым. Аналогичная ситуация возникает при разрядке. В этом случае в процессе разрядки расходуется серная кислота, и состояние батареи движется вниз по линии AB. Точка B на предельной кривой батареи — это предел обратимого разряда. За пределами этой точки напряжение батареи становится ниже напряжения, необходимого для поддержания реакции отрицательного электрода:

Pb + H 2 SO 4 ⇌ PbSO 4 + H 2

(32)

в химическом равновесии.Это приводит к необратимому протеканию реакции вправо. Это явление происходит сравнительно быстро и известно как сульфатация. Это приводит к образованию нерастворимых кристаллов PbSO 2 на отрицательном электроде с сопутствующим выделением водорода. Выделение кислорода и водорода в пределах допустимого диапазона связано с электрохимическими окнами воды. Читатель может обратиться к соответствующей литературе за подробностями о химических реакциях, которые регулируют электрохимическую стабильность воды в водных электролитах (см.г., ([13,14,15,16,17]). Ширина допустимого диапазона по вертикали через n и обозначена на рисунке 1 как Δnh3SO4. Эта ширина представляет максимальное количество серной кислоты, которое , на килограмм воды-растворителя, может обратимо реагировать в соответствии с уравнением (27). Таким образом, чем больше эта ширина, тем большее количество энергии аккумулятор может хранить и производить без ухудшения качества электролита. Максимальное значение Δnh3SO4 достигается при n add = nadd∗ и обозначено на рисунке выше как Δnh3SO4∗.Поскольку количество воды-растворителя зависит от состояния заряда батареи, может быть удобно определять концентрацию добавки относительно фиксированного состояния заряда батареи. Это будет считаться гипотетическим состоянием полного разряда, которого батарея достигнет, когда вся серная кислота в электролите будет израсходована в соответствии с уравнением (27). В этом состоянии количество воды в электролите будет n h3O= n¯, согласно уравнению (28). Следовательно, применительно к этому гипотетическому состоянию молярная концентрация добавки к электролиту, соответствующая nadd∗, определяется выражением:

badd∗= nadd∗ n¯  Mh3O 

(33)

Это можно рассматривать как номинальную молярность добавки, которая требуется для обеспечения максимальной емкости накопления энергии в батарее.

Пусть Δnh3SO4o будет значением Δnh3SO4, когда электролит батареи не содержит добавок (см. рис. 1). Поскольку энергия, которую батарея может накапливать или отдавать, пропорциональна количеству молей серной кислоты, которые подчиняются уравнению (27), соотношение:

ηmax= Δnh3SO4∗−Δnh3SO4o Δnh3SO4o

(34)

представляет собой наибольшее относительное увеличение максимальной емкости накопления энергии, которое может быть получено от данной добавки к электролиту. Конечно, η max зависит от используемой добавки из-за зависимости от добавки предельной кривой батареи.

5. Экспериментальное определение предельной кривой

Для определения предельной кривой батареи нам необходимо знать значения ψmax″ и γ добавить , которые необходимо ввести в уравнение (31). Эти значения могут быть определены экспериментально следующим образом: Начнем с того, что уравнение (31) верно, в частности, когда электролит не содержит добавок. В этом случае n добавить = 0, и уравнение (31) сводится к:

R T Mh3O[ln γh3O  (n¯−nh3SO4)n¯+nh3SO4n¯−nh3SO4ln γh3SO4 nh3SO4 (n¯−nh3SO4) Mh3O ]=ψmax″

(35)

Это уравнение применимо к пределу допустимого диапазона батареи.Появляющаяся здесь величина n¯ определяется уравнением (29). Это зависит от подготовки батареи, но не от наличия добавок к электролиту. Таким образом, работая на аккумуляторе, лишенном добавки к электролиту, мы увеличиваем состояние заряда аккумулятора до тех пор, пока не достигнем предельной точки, за которой начинает выделяться кислород на положительном электроде в условиях разомкнутой цепи (точка A° на рис. 1). Появление этого необратимого явления свидетельствует о том, что состояние батареи достигло предельной кривой.Мы определяем значение nh3SO4 на этом пределе и подставляем его в уравнение (35). Таким образом, мы можем рассчитать ψmax″. Как известно, концентрация серной кислоты и напряжение батареи связаны друг с другом (см., например, [18,19,20,21]). Следовательно, вместо того, чтобы определять предельное значение nh3SO4, мы можем определить максимальное напряжение холостого хода, при котором батарея поддерживает свой заряд без образования кислорода на положительном электроде. Это напряжение значительно выше, чем стандартное напряжение (1.229 В) электролиза воды [22] из-за перенапряжения, возникающего на электродах батареи. Степень перенапряжения зависит от свойства поверхности электродов и наличия в электродах небольших количеств различных добавок, вводимых при их изготовлении. Как видно из уравнений (20) и (21), функции Ψ″ и ψ″ не зависят от свободной энергии электродов. Однако перенапряжение, создаваемое электродами, влияет на допустимый диапазон батареи и предельную характеристику, поскольку влияет на предельное значение nh3SO4 и, следовательно, на значение ψmax″.Это делает допустимый диапазон батареи и предельную кривую зависящими от свойств батареи в целом, а не только от свойств ее электролита.

Процедура определения γ add аналогична процедуре определения ψmax″. Однако в этом случае электролит батареи должен содержать известное количество добавки. Снова заряжаем аккумулятор до предела, при котором на положительном электроде выделяется кислород в условиях разомкнутой цепи. Определяем соответствующее значение nh3SO4 и подставляем его вместе с рассматриваемым значением n и добавляем в уравнение (31).Поскольку ψmax″ уже определено, единственным неизвестным в этом уравнении является γ add , которое, таким образом, может быть определено. Из-за наличия трансцендентных членов значение γ add лучше всего вычислять графически или численно.

Для примера возьмем типичный автомобильный аккумулятор при комнатной температуре (T = 25 °C = 298,15 K). Мы предполагаем, что на момент изготовления электролит в аккумуляторе содержит 1 кг воды с молярной концентрацией серной кислоты bh3SO4o = 6 моль/кг.Это означает, что nh3Oo = 55,51 моль и nh3SO4o = 6 моль. Таким образом, n¯ = 55,51 + 6 = 61,51 моль, как следует из уравнения (29). Оставив электролит без присадок, зарядим батарею и найдем, что bh3SO4 = 7,25 моль/кг — это наибольшая концентрация серной кислоты, которую батарея может поддерживать в условиях разомкнутой цепи без образования кислорода на своем положительном электроде (эта концентрация соответствует напряжению 2,16 В — или 12,96 В для шестиэлементной батареи — по имеющимся в литературе данным [19]).Как видно, заряд и разряд батареи происходят при постоянном n¯. Таким образом, с учетом уравнения (28) находим, что приведенное выше значение bh3SO4 = 7,25 моль/кг означает nh3SO4 = 7,10 моль и nh3O = 54,41 моль в электролите батареи. Вводя в уравнение (35) значения γh3O и γh3SO4, соответствующие этому значению bh3SO4, доступные из литературы и представленные в Приложении, и учитывая, что R = 8,3143 Дж·К -1 ·моль -1 и Mh3O = 18,015 × 10 −3 кг·моль −1 , вычисляем, что для рассматриваемой батареи ψmax″ = −20.25 Дж·кг −1 .

Для определения γ добавить , добавляем произвольное количество рассматриваемой добавки в электролит аккумулятора. Пусть n добавляет, например, = 5 моль. Эксплуатируя таким образом модифицированную батарею, мы находим, что предел разомкнутой цепи для выделения кислорода на положительном электроде наступает, когда заряд батареи соответствует количеству серной кислоты, скажем, nh3SO4 = 6,74 моль. Подставляя это значение nh3SO4 в уравнение (35), мы вычисляем, что γ добавляет = 0.64, что можно проверить из того же уравнения, как только мы установим n , добавим = 5 моль, n¯ = 61,51 моль и ψmax″ = -20,25 Дж·кг -1 .

Наконец, подставляя эти значения n¯, ψmax″ и γ , добавляя в уравнение (35) и используя выражения γh3O и γh3SO4, приведенные в Приложении, мы получаем аналитическое выражение предельной кривой рассматриваемая батарея. Эта кривая представлена ​​на рис. 2. Из этого же рисунка находим, что Δnh3SO4o = 5,48 моль и Δnh3SO4∗ = 6.14 мол. Отсюда следует, что η max = 0,12 согласно уравнению (34). Таким образом, рассматриваемая в данном примере добавка к электролиту может увеличить энергоемкость батареи до 12 %. Как показано на рисунке, количество добавки, необходимое для получения максимальной емкости накопления энергии, составляет nadd∗ = 1,48 моль. Соответствующая номинальная молярность добавки равна badd* = 1,34 моль/кг согласно уравнению (33).

Различные добавки могут по-разному влиять на батарею. Например, для той же батареи, рассмотренной в приведенном выше примере, добавка с γ добавляет = 0.3 может привести к увеличению емкости аккумулятора на 25%. Это можно легко проверить из уравнения (35), построив предельную кривую для γ add = 0,3 и тех же значений n¯ и ψmax″, которые приведены выше. В этом случае количество добавки, создающей максимальную энергоаккумулирующую способность, будет nadd* = 3,23 моль, что означает badd* = 2,91 моль/кг.

В приведенном выше анализе мы рассматривали γ add как константу, тем самым пренебрегая любой возможной зависимостью γ add от концентрации добавки.Это может быть приемлемым, если концентрация добавки умеренно низкая (как это имеет место во многих приложениях) или если мы ограничиваем наше внимание достаточно небольшим участком предельной кривой. Если требуется большая точность, описанную выше процедуру определения γ add можно повторить несколько раз для стольких различных значений n add , сколько необходимо. Полученные таким образом значения γ add можно затем использовать для определения функции γ add (n add ), которая может быть заменена γ add в уравнении (35), если аппроксимация γ add = константаоказывается неадекватным.

Вместо того, чтобы заряжать аккумулятор до предела выделения кислорода, представленного точкой A° на рисунке 1, мы могли бы, в принципе, определить ψmax″, разрядив аккумулятор без добавок до точки B° на том же рисунке. Это точка предельной поверхности батареи, в которой начинается сульфатация отрицательного электрода. Как только определена концентрация серной кислоты, соответствующая этому нижнему пределу, можно определить предельную кривую, как описано выше.Обе процедуры должны давать одно и то же значение ψmax″, поскольку и A°, и B° принадлежат одной и той же кривой ψ″=ψmax″. Однако ссылка на предел выделения кислорода представляется более практичной, так как сульфатирование — довольно медленное явление.

6. Выводы

Известно, что на энергоемкость свинцово-кислотного аккумулятора может влиять наличие добавок в его электролите. Понятие эквивалентной добавки, определенное в данной работе, помогает анализировать влияние химически инертных добавок и смесей таких добавок на энергоемкость батареи.Это может быть применено для определения целой области концентраций электролита, называемой допустимым диапазоном батареи, в пределах которой не происходит необратимых изменений в батарее во время заряда или разряда. Границей этой области является предельная кривая батареи. Это соответствует концентрациям серной кислоты и, следовательно, диапазону напряжений холостого хода, превышение которых не может привести к необратимым изменениям в аккумуляторе. Предельная кривая батареи может быть построена из нескольких экспериментов, в которых батарея заряжается (или разряжается) при различных концентрациях добавок.Это дает полезную информацию об эффективности добавки для увеличения энергоемкости батареи и о наилучшей концентрации добавки для этой цели. Практические последствия выбора наилучшей добавки для использования очевидны. Однако следует иметь в виду, что добавка также может вызывать нежелательные побочные эффекты, которые не рассматриваются в настоящей работе и требуют надлежащего изучения, прежде чем любое улучшение энергоемкости батареи в результате добавки может считаться практически целесообразным.

Границы | Последние достижения в области электролитов для воздушно-цинковых батарей

Введение

Цинк-воздушная батарея

имеет высокую удельную энергию (1,218 Втч·кг −1 ). Между тем присущие ему особенности, в том числе безопасность и более низкая стоимость, делают его одним из самых перспективных аккумуляторов следующего поколения (Fu et al., 2017; Tan et al., 2017; Han et al., 2019). Роль электролитов упускают из виду по сравнению с горячими исследованиями бифункциональных воздушных электродов для Zn-воздушных батарей. Характеристики электролитов напрямую определяют ионную проводимость и межфазные свойства Zn-воздушной батареи в процессе эксплуатации.Кроме того, это дополнительно влияет на емкость, циклическую стабильность и эффективность зарядки и разрядки элемента (Pei et al., 2014). Цинк-воздушные батареи развиваются в направлении высокой эффективности и долговечности, которые не могут отделяться от поддержки электролита с превосходными характеристиками во всех аспектах (Р. Майнар и др., 2016). Таким образом, крайне важно углубиться в работу электролитов в Zn-воздушных батареях (Mainar et al., 2018).

В настоящее время щелочной электролит по-прежнему широко используется в батареях на основе цинка, чтобы соответствовать требованиям низкой стоимости и высокой ионной проводимости и обеспечить стабильность цинкового электрода (R.Майнар и др., 2016; Сюй и др., 2020). Однако он чувствителен к CO 2 окружающей среды и относительной влажности. Zn-воздушная батарея в основном зависит от характеристик воздушного электрода. К сожалению, CO 2 может приводить к образованию в электролите K 2 CO 3 , что негативно влияет на пустоту в воздушном электроде (Wang et al., 2014; Fu et al., 2017). Цинк-воздушные батареи должны решать проблему испарения электролита или поглощения воды из внешней среды, чтобы хорошо работать в сложной внешней среде.Первый заставляет аккумулятор расширяться, а второй влияет на перенос OH (Chakkaravarthy et al., 1981; Mainar et al., 2018). Ионные жидкости при комнатной температуре (RTIL) и твердые электролиты являются альтернативными и эффективными решениями для решения вышеуказанной проблемы. Однако их производительность была ограничена их низкой ионной проводимостью и неквалифицированным интерфейсом. Поэтому в следующих частях мы обсудим исследовательский статус щелочных электролитов и неводных электролитов в Zn-воздушных батареях.

Водный электролит

LiOH, NaOH и KOH являются обычными электролитами для воздушно-цинковых аккумуляторов. По сравнению с нейтральными и кислыми электролитами щелочные электролиты хорошо сочетаются с цинковыми электродами и каталитическими материалами. Между тем, электролит KOH обладает высокой ионной проводимостью и низкой вязкостью. Когда Zn-воздушная батарея разряжается, внешний кислород поступает в батарею и вступает в реакцию (уравнение 1) (реакция восстановления кислорода) на границе газ-жидкость-твердое тело (кислород, электролит, электрокатализатор).Цинковый электрод переносит электроны к воздушному электроду через внешнюю нагрузку, а OH в месте реакции генерирует Zn(OH)42- (уравнение 2). Когда концентрация Zn(OH)42- достигает максимума, он далее разлагается на ZnO (уравнение 3). Полная реакция цинкового электрода показана в уравнении 4. В процессе зарядки обратная реакция (уравнение 1) (реакция выделения кислорода) осуществляется на границе раздела цинк-электролит, и электрическая энергия накапливается, в то время как цинк откладывается в результате обратной реакции. (Уравнение 3).

O2+2h3O+4e-↔4OH-E=0,40 В относительно SHE    (1) Zn+4OH-↔Zn(OH)42-+2e-E=1,26 В относительно SHE    (2) Zn(OH)42-↔ZnO+h3O+2OH-    (3) Zn+2OH-↔ZnO+h3O+2e-E=1,26 В относительно SHE    (4)

Когда концентрация КОН составляет 6 М, текущая обменная плотность Zn/Zn 2+ достигает 0,21 А см -2 , а растворимость ZnO увеличивается с концентрацией КОН (см. и Уайт, 1997; Дайер и др., 2009). Поэтому мы должны обратить внимание на неблагоприятное влияние электролита КОН высокой концентрации на цинковый электрод.Высокая концентрация ZnO создает избыток Zn(OH)42- и выпадает в осадок после разряда, что увеличивает сопротивление пассивации цинкового электрода. Кроме того, кинетические параметры восстановления цинка кислородом были очень высокими, что приводило к растворению, миграции и переотложению цинка в различных условиях (R. Mainar et al., 2016).

Есть две основные стратегии решения этой проблемы. Один — изменить состав и структуру цинкового электрода, а другой — найти соответствующие добавки к электролиту.Известные методы, такие как создание трехмерной структуры цинкового электрода (Parker et al., 2014; Chamoun et al., 2015; Yan et al., 2015) или эффективная добавка для цинкового электрода (Fan et al., 2013; Masri and Mohamad, 2013; Huang et al., 2015) оказались эффективной стратегией решения. Актуальной задачей является точное измерение потенциала и концентрации ионов цинка на поверхности цинкового электрода, чтобы обеспечить адекватную теоретическую поддержку для улучшения условий жизни цинкового электрода в щелочном электролите.В таблице 1 мы суммировали последние работы по добавкам щелочных электролитов. Подходящие добавки в электролиты могут улучшить изменение формы цинкового электрода и производительность Zn-воздушной батареи. Если мы сможем максимально снизить концентрацию KOH, не влияя на ионную проводимость электролита, мы полагаем, что производительность Zn-воздушной батареи будет еще больше улучшена. Добавляя K 2 CO 3 в высококонцентрированный раствор KOH и оптимизируя структуру батареи, Schröder et al.(2015) не только получили стабильный электрический потенциал, но и улучшили фактическую плотность энергии и долговременную стабильность Zn-воздушной батареи. Кроме того, об ингибировании роста дендритов и выделении водорода цинковым электродом также сообщается в Zn-воздушной батарее со щелочными электролитами с использованием додецилбензолсульфоната натрия (SDBS) (Yang et al., 2004), полиэтиленгликоля (PEG) (Banik and Akolkar). , 2013), винная/янтарная/лимонная кислота (Lee et al., 2006) и гидроксиды тетраалкиламмония (Lan et al., 2007).

Таблица 1 . Краткое изложение недавно опубликованной щелочной добавки к электролиту для воздушно-цинковых батарей.

Цинк-воздушная батарея

представляет собой полуоткрытую систему, в которой для участия в реакционном процессе требуется богатый кислород из внешней среды. Углекислый газ (CO 2 ) трудно избежать во влажной атмосфере. CO 2 из внешней атмосферы попадает в аккумулятор через воздушный электрод и реагирует с OH в электролите (уравнения 5, 6).

CO2+OH-→HCO3-    (5) HCO3-+OH-↔CO32-+h3O    (6)

Ионная проводимость электролита ослабевает из-за образования HCO3- и CO32- и низкой растворимости K 2 CO 3 и KHCO 3 . Когда они оседают на воздушном электроде, перенос кислорода будет в некоторой степени заблокирован, что приведет к снижению производительности Zn-воздушной батареи. Оптимизация структуры Zn-воздушной батареи и состава газопоглощающего слоя для обеспечения беспрепятственного прохождения кислорода, но для предотвращения прохождения углекислого газа и водяного пара является идеальным решением.Для решения вышеуказанных проблем исследователи также выдвинули несколько решений. Педичини и др. (1996) установили систему управления воздухом для рециркуляции воздуха-реагента в металл-воздушной батарее. Гольдштейн и др. (1997) предложили скрубберную систему для удаления углекислого газа из металловоздушной батареи или батареи топливных элементов. Pedicni (2002) предложил ограничить содержание углекислого газа и водяного пара, когда батарея не используется, загрузив чувствительный воздушный клапан для гальванического элемента. Существует много решений для решения этих проблем, но ограничениями являются высокие пороговые значения стоимости и ограниченное использование пространства, что ограничивает разработку воздушно-цинковых батарей для практического применения.

Система проточного электролита является очень эффективным методом для воздушно-цинковых аккумуляторов. Электролит перекачивается и циркулирует по системе питания внешних труб и насосов. В дополнение к удалению осажденного карбоната и других побочных продуктов через внешние фильтры проточный электролит улучшает перенос OH и снижает градиенты концентрации (Iacovangelo and Will, 1985; Cheng et al., 2007). По сравнению со статическим электролитом, Zn-воздушная батарея значительно улучшена, включая срок службы и рабочее напряжение с системой циркуляции электролита.Однако мощность циркуляции электролита должна поддерживаться внешней насосной системой и электроэнергией. Поэтому, если система циркуляции электролита будет введена в практическое применение, необходимо решить проблему, которую трудно применить к крупномасштабной сетевой системе хранения энергии со строгими требованиями к пространству и весу.

Ионная жидкость при комнатной температуре

Ионная жидкость комнатной температуры представляет собой расплавленную соль, которая существует в виде жидкости при комнатной температуре или ниже.Он имеет широкое электрохимическое окно и плохо воспламеняется (Балаиш и др., 2014). Поэтому все больше внимания уделялось RTIL как заменителям щелочных электролитов. Присущая RTIL безопасность и стабильность в широком диапазоне электрохимических потенциалов привели к его применению в батареях на основе лития (Chou et al., 2008; Xiang et al., 2010). Использование RTIL в Zn-воздушных батареях может эффективно решить проблемы повреждения цинкового электрода (Simons et al., 2012), повреждения CO 2 и испарения электролита (Harting et al., 2012) в щелочном электролите упомянутой выше водяной системы и позволяют аккумулятору работать при высоких температурах. Более того, для апротонных RTIL отсутствие протонов может эффективно предотвратить коррозию цинкового электрода, вызванную выделением водорода. Таким образом, RTIL в качестве электролита для Zn-воздушных аккумуляторов в последние годы были включены в список.

RTIL, используемые в качестве электролита для Zn-воздухового элемента, цинк окисляется до Zn 2+ во время разряда, а обратимая электрохимическая реакция цинка в RTIL оказалась возможной (Xu et al., 2015). Здесь необходимо отметить, что неподходящие RTIL могут образовывать нерастворимые вещества с Zn 2+ и сделать их неспособными к эффективному восстановлению. Предложен механизм воздушного электрода в электролите RTIL (Kar et al., 2014).

Когда в электролите RTIL происходит восстановление кислорода, кислород получает электроны и образует супероксид (O2·-) (уравнение 7). Эта реакция считается квазиобратимой (AlNashef et al., 2002). Для апротонных RTIL дальнейший перенос электрона отсутствует из-за присутствия супероксида.Напротив, для протонных RTIL супероксид является сильным нуклеофилом, который может далее реагировать с протонами в RTIL с образованием пергидроксирадикала (HO2·) (уравнение 8). Затем пергидроксирадикал также может реагировать с супероксидом с образованием пероксида (HO2-) (уравнения 9, 10) и, наконец, завершать процесс восстановления (уравнение 11).

O2+e−→O2⋅−    (7) O2⋅−+H+→HO2⋅    (8) HO2⋅+O2⋅−→HO2−+O2    (9) HO2⋅+e−→HO2−    (10) HO2−+H+→h3O2    (11)

Что касается того, может ли перекись водорода далее разлагаться на H 2 O, Zeller (2011) указывает, что это определяется используемым электродом.По данным Кар и соавт. (2014) о реакциях восстановления кислорода и осаждения кислорода в RTIL, в реакциях, как упоминалось выше, пути оказались обратимыми и относительно стабильными пероксидными продуктами. Тем не менее, все еще существуют некоторые связанные реакции диспропорционирования. Перекись водорода требует меньше энергии активации для производства кислорода, что делает ее эффективной поддержкой для восстановления кислорода и реакций выделения кислорода в RTIL.

Разработка RTIL в воздушно-цинковой батарее по-прежнему сталкивается с огромными трудностями.С одной стороны, высокая стоимость RTIL затрудняет их использование в больших масштабах. С другой стороны, механизм двухэлектронной реакции RTIL снижает плотность энергии батареи в сочетании с ее высокой вязкостью и низкой проводимостью, что означает, что воздушно-цинковая батарея может работать только при низком токе. Liu et al. (2017) исследовали воздушно-цинковую батарею, способную заряжаться и разряжаться при 550°C в течение 100 циклов с кулоновской эффективностью 96.9%. Когда Ингейл и соавт. (2017) применили ионную жидкость трифторметансульфонат диэтилметиламмония (DEATfO) к воздушно-цинковой батарее, они обнаружили, что, хотя образование дендритов цинка не происходило, слабое поверхностное натяжение DEATfO приводило к неудовлетворительной плотности энергии (Pozo-Gonzalo et al., 2014). Кроме того, Ghazvini et al. (2018) указали на положительное влияние добавления воды на ионное взаимодействие при использовании электролита RTIL в Zn-воздушных батареях. Вышеупомянутая работа представляет собой хорошую стратегию для улучшения характеристик Zn-воздушной батареи с RTIL в качестве электролита.

Кроме того, следует изучить применение большего количества типов RTIL в Zn-воздушных батареях, включая положительное влияние добавок в RTIL. Также необходимо разработать специальные бифункциональные катализаторы для снижения энергетического барьера реакции восстановления кислорода и реакции выделения кислорода. Хотя электролит RTIL нуждается в дальнейшем изучении с точки зрения свойств интерфейса, механизма электрохимической реакции кислорода и пути миграции активных веществ, различные свидетельства указывают на то, что RTIL являются перспективными электролитами для Zn-воздушных батарей.

Квазитвердый гибкий электролит

В связи с растущим спросом на гибкие носимые электронные устройства исследования гибких аккумуляторов, особенно квазитвердых электролитов, выдвинули более высокие требования. По сравнению с другими металл-воздушными батареями, Zn-воздушные батареи с высокой объемной плотностью энергии имеют характеристики низкой стоимости и высокой безопасности. Напротив, цинк в качестве электрода обладает более высокими механическими свойствами и производительностью в гибких батареях. Например, батареи Zn–MnO 2 с использованием полимерных электролитов производились серийно по технологии печати (MacKenzie and Ho, 2015).Следовательно, необходимо проводить научные исследования конструкции и характеристик гибкой воздушно-цинковой батареи, а производство батареи этого типа и соответствующего квазитвердого электролита необходимо постоянно оптимизировать.

Квазитвердый гибкий электролит обычно готовят из щелочного водного раствора и полимеров, таких как поливиниловый спирт (ПВС) (Fan et al., 2019), полиакриловая кислота (PAA) (Wu et al., 2006; Zhu et al., 2018), желатин (Park et al., 2015) и родственный привитой сополимер (Yu et al., 2017), которые необходимы для обеспечения стабильной конфигурации, разделения катода и анода и квалифицированной ионной проводимости. В процессе приготовления большинство квазитвердых гибких электролитов могут образовывать сшитую сеть с большим количеством гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы), что обеспечивает более высокое удержание воды и ионную проводимость в квазитвердых гибких электролитах. В первичном воздушно-цинковом элементе щелочной гелеобразный электролит может эффективно уменьшить утечку и улетучивание электролита и применяется (Hilder et al., 2009). Однако для перезаряжаемых гибких Zn-воздушных батарей из-за цинкового электрода в квазитвердом гибком электролите они могут нести только небольшое количество Zn(OH)42-. Блокируется процесс восстановления ZnO до Zn(OH)42- (Xu et al., 2015). Поэтому реализовать перезаряжаемые Zn-воздушные батареи для работы при большом токе — большая проблема.

Воздушно-цинковая батарея с гибкой плотностью мощности и рабочим циклом получила высокую оценку. Однако в бифункциональном катализаторе электрохимических кислородных реакций есть несколько важных аспектов, ионная проводимость квазитвердого гибкого электролита и характеристики интерфейса электролит-электрод.Ионная проводимость электролита зависит главным образом от типа полимера и добавок к электролиту. Фан и др. (2019) подготовили пористый электролит PVA + SiO 2 с высокой ионной проводимостью 57,3 мСм·см -1 и отличными циклическими характеристиками и удельной мощностью. Ли и др. (2019) изготовили полимерный диэлектрик ТЭАОН-ПВС, который по-прежнему имел ионную проводимость 30 мСм·см -1 через 2 недели, показывая отличные эксплуатационные характеристики и срок службы. Нетрудно обнаружить, что один полимер вряд ли может стать гибким электролитом квазитвердого состояния с отличными характеристиками.Однако небольшое количество добавок позволяет значительно улучшить характеристики электролитов, что также является процессом функционализации полимера. Это в основном связано с тем, что добавка оптимизирует структуру сшитой сетки полимерного электролита, увеличивает количество гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы) и дополнительно улучшает водоудерживающую способность электролита, что оказывает большое влияние на ионную активность. проводимость. Кроме того, в дополнение к ионной проводимости и водоудерживающей способности квазитвердого гибкого электролита, следует также уделять больше внимания скорости переноса OH и Zn(OH)42-, которой уделялось недостаточно внимания в настоящее время.Процесс их переноса также оказывает сильное влияние на плотность энергии и другие характеристики гибких воздушно-цинковых батарей.

Существует проблема улучшения характеристик интерфейса электролит-электрод (особенно интерфейса электрода электролит-воздух) в гибкой батарее Zn-воздух. Смачиваемость квазитвердого гибкого электролита снижена, что значительно затрудняет выполнение катализатором своей функции, чем в щелочном электролите водной системы.При сборке батареи Сюй и др. (2019) прессовали батарею в течение 3 минут под давлением 3 МПа через таблеточный пресс, чтобы сделать слоистую структуру более полной, а гибкая Zn-воздушная батарея могла стабилизировать циркуляцию в течение 35 часов. По-прежнему необходимы дополнительные исследования для улучшения интерфейса электролит-электрод, подготовки электролита и метода упаковки батареи.

Гибкая воздушно-цинковая батарея также предъявляет более высокие требования к характеристикам изгиба, растяжения и сжатия цинкового электрода, воздушного электрода и электролита в батарее.Гибкая воздушно-цинковая батарея обычно делится на одномерную структуру (линейный тип) и двухмерную структуру (в форме сэндвича). Ма и др. (2019) подготовили гидрогелевый электролит с двойной сетью (полиакрилатный гидрогель, сшитый цепочками целлюлозы и N,N-метилен-бисакриламидными якорями) и оптимизировали структуру цинкового и воздушного электродов для сборки Zn-воздушной батареи с превосходными свойствами при растяжении. Пан и др. (2019) сконструировали губчатую сжимаемую Zn-воздушную батарею, которая показала хорошие результаты после деформации сжатия 60% или 500 циклов повторных испытаний на сжатие.Ли и др. (2018) подготовили одномерную вязальную воздушно-цинковую батарею диаметром всего 1,03 мм по пути, которая имела отличные характеристики гибкости и заряда и разряда.

В Таблице 2 перечислены другие сравниваемые характеристики, чтобы обеспечить более значимые пути разработки квазитвердых гибких электролитов для Zn-воздушных батарей. Однако получить компетентную оценку сложно из-за разной конструкции батареи, катализатора и электролита, используемых в записанных работах. Следовательно, необходимо установить единый стандарт оценки гибкой Zn-воздушной батареи, чтобы лучше оценивать характеристики соответствующего электролита.Кроме того, состав электролита в гибкой Zn-воздушной батарее в основном находится в режиме «полимер + раствор KOH», что приводит к преимуществам и недостаткам упомянутого выше водного электролита, воздействующего на квазитвердый электролит. В то же время, сочетание RTIL с полимером может придать новый импульс безопасности и стабильности Zn-воздушных батарей, но его практическая осуществимость должна быть подтверждена в ближайшем будущем.

Таблица 2 .Резюме недавно опубликованной квазитвердой гибкой добавки к электролиту для воздушно-цинковых батарей.

Резюме

При наличии спроса на мощные, долговечные и универсальные перезаряжаемые Zn-воздушные батареи разработка электролитов отвечает возможностям и вызовам. Электролит, как важная часть воздушно-цинковой батареи, оказывает сильное влияние на эффективность циркуляции, удельную мощность и производительность. До сих пор щелочные электролиты являются основным направлением из-за их превосходной ионной проводимости и межфазных свойств.Однако щелочные электролиты чувствительны к воздействию содержания углекислого газа и относительной влажности внешней среды. С одной стороны, следует изучить подходящий тип и пропорцию добавок для улучшения свойств щелочного электролита. С другой стороны, RTIL как электролит для Zn-воздушных аккумуляторов имеют высокий порог старения, а его защита и безопасность для цинковых электродов очевидны. Более того, исследования квазитвердого гибкого электролита в большей степени способствуют созданию портативных и гибких Zn-воздушных батарей, в которых необходимо устранить недостатки в характеристиках интерфейса и ионной проводимости.Поиск подходящих RTIL и полимеров имеет смысл для улучшения характеристик электролита.

Кроме того, мы считаем, что три упомянутых выше электролита могут быть объединены с различными характеристиками. Подходящие добавки к электролиту также могут способствовать применению RTIL и квазитвердых электролитов в воздушно-цинковых батареях, а комбинация RTIL и полимеров также может улучшить характеристики электролитов. Исследованиям электролитов следует уделить больше внимания, чтобы Zn-воздушные батареи соответствовали требованиям к накопителям энергии нового поколения.

Вклад авторов

Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Эта работа выполнена при финансовой поддержке Фонда естественных наук Китая (U1832136, 21303038), Национальной программы обучения студентов инновациям и предпринимательству (201

9010) и Фонда естественных наук провинции Аньхой (1808085QE140).

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки

АльНашеф, И.М., Леонард, М.Л., Мэтьюз, М.А., и Вайднер, Дж.В. (2002). Электрохимия супероксидов в ионной жидкости. Индивидуальный инж. хим. Рез. 41, 4475–4478. doi: 10.1021/ie010787h

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Баник, С.Дж., и Аколкар, Р. (2013). Подавление роста дендритов при электроосаждении цинка добавкой ПЭГ-200. Дж. Электрохим. соц. 160, Д519–Д523. дои: 10.1149/2.040311jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чаккараварти, К., Вахид, А.А., и Удупа, Х. (1981). Воздушно-цинковые щелочные батареи — обзор. J. Источники питания 6, 203–228. дои: 10.1016/0378-7753(81)80027-4

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чамун, М., Герцберг, Б.Дж., Гупта, Т., Дэвис, Д., Бхадра, С., Ван Тассел, Б., и другие. (2015). Гипердендритные нанопористые аноды из пеноцинка. NPG Азия Матер. 7:e178. doi: 10.1038/am.2015.32

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чен, X., Liu, B., Zhong, C., Liu, Z., Liu, J., Ma, L., et al. (2017). Ультратонкий Co 3 O 4 слои с большой площадью контакта на углеродных волокнах в качестве высокоэффективного электрода для гибкой цинково-воздушной батареи, интегрированной с гибким дисплеем. Доп. Энергия Матер. 7:1700779. doi: 10.1002/aenm.201700779

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ченг, Дж., Чжан, Л., Ян, Ю.-С., Вэнь, Ю.-Х., Цао, Г.-П., и Ван, X.-Д. (2007). Предварительное исследование однопоточного цинк-никелевого аккумулятора. Электрохим. коммун. 9, 2639–2642. doi: 10.1016/j.elecom.2007.08.016

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Чоу, С.-Л., Ван, Дж.-З., Сунь, Дж.-З., Векслер, Д., Форсайт, М., Лю, Х.-К., и др. (2008). Высокая емкость, безопасность и улучшенная циклируемость литий-металлической батареи с использованием катода из наноматериала V 2 O 5 и ионно-жидкого электролита комнатной температуры. Хим. Матер. 20, 7044–7051. дои: 10.1021/cm801468q

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Дайер, К.К., Мозли, П.Т., Огуми, З., Рэнд, Д.А., и Скросати, Б. (2009). Энциклопедия электрохимических источников энергии. (Newnes: Elsevier Science & Technology).

Академия Google

Fan, X., Liu, J., Song, Z., Han, X., Deng, Y., Zhong, C., et al. (2019). Пористый нанокомпозитный гелеобразный полимерный электролит с высокой ионной проводимостью и превосходной способностью удерживать электролит для гибких воздушно-цинковых батарей с длительным сроком службы. Nano Energy 56, 454–462.doi: 10.1016/j.nanoen.2018.11.057

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Fan X., Yang Z., Xie X., Long W., Wang R. и Hou Z. (2013). Электрохимическое поведение Zn-Al-La-гидроталькита во вторичных элементах Zn-Ni. J. Источники питания 241, 404–409. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.04.136

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Фу, Дж., Кано, З.П., Парк, М.Г., Ю, А., Фаулер, М., и Чен, З. (2017). Электрически перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи: прогресс, проблемы и перспективы. Доп. Матер. 29:1604685. doi: 10.1002/adma.201604685

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Fu, J., Lee, D.U., Hassan, F.M., Yang, L., Bai, Z., Park, M.G., et al. (2015). Гибкие высокомощные воздушно-цинковые аккумуляторные батареи на полимерно-электролитной основе. Доп. Матер. 27, 5617–5622. doi: 10.1002/adma.201502853

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Газвини М.С., Пуллетикурти Г., Куи, Т., Куль, К., и Эндрес, Ф. (2018). Электроосаждение цинка из смесей 1-этил-3-метилимидазолия ацетат-вода: исследования применимости электролита для Zn-воздушных аккумуляторов. Дж. Электрохим. соц. 165:D354. дои: 10.1149/2.0181809jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Гольдштейн, Дж. Р., Харац, Ю., Шарон, Ю., и Наймер, Н. (1997). Скрубберная система для удаления углекислого газа из металловоздушной или топливной батареи. Патент США №5 595 949. (Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка Бюро по патентам и товарным знакам США).

Академия Google

Гуань, К., Сумбоджа, А., Занг, В., Цянь, Ю., Чжан, Х., Лю, X., и соавт. (2019). Декорирование наночастиц Co/CoNx в углеродных наноматрицах, легированных азотом, для гибких и перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей. Материал для накопления энергии. 16, 243–250. doi: 10.1016/j.ensm.2018.06.001

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хан, Дж., Мэн, X., Лу, Л., Биан, Дж., Ли, З., и Сун, К. (2019). Одноатомный Fe-Nx-C как эффективный электрокатализатор для воздушно-цинковых батарей. Доп. Функц. Матер. 29:1808872. doi: 10.1002/adfm.201808872

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хартинг К., Кунц У. и Турек Т. (2012). Воздушно-цинковые батареи: перспективы и проблемы будущего совершенствования. Z. Phys. хим. 226, 151–166. doi: 10.1524/зпч.2012.0152

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хильдер, М., Винтер-Дженсен, Б., и Кларк, Н. (2009). Воздушно-цинковая батарея на бумажной основе. J. Источники питания 194, 1135–1141. doi: 10.1016/j.jpowsour.2009.06.054

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Хоссейни С., Аббаси А., Угинет Л.-О., Хаустраете Н., Празертдам С., Йонезава Т. и др. (2019). Влияние диметилсульфоксида в качестве добавки к электролиту на анодное растворение щелочной цинково-воздушной батареи. Науч. Респ. 9:14958. doi: 10.1038/s41598-019-51412-5

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хоссейни, С., Хан, С.Дж., Арпонвичаноп, А., Йонезава, Т., и Кхеавхом, С. (2018). Этанол как добавка к электролиту для щелочных цинково-воздушных аккумуляторов. Науч. Респ. 8:11273. doi: 10.1038/s41598-018-29630-0

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Хуанг, Дж., Ян, З., Ван, Р., Чжан, З., Фэн, З. и Се, X. (2015). Слоистые двойные оксиды Zn-Al в качестве высокоэффективных анодных материалов для вторичной батареи на основе цинка. Дж. Матер. хим. А 3, 7429–7436.дои: 10.1039/C5TA00279F

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Якованджело, К.Д., и Уилл, Ф.Г. (1985). Параметрическое исследование осаждения цинка на пористом углероде в ячейке с проточным электролитом. Дж. Электрохим. соц. 132:851.

Академия Google

Ингейл, П., Сактивел, М., и Дриллет, Дж. Ф. (2017). Испытание ионной жидкости трифторметансульфоната диэтилметиламмония в качестве электролита в электрически перезаряжаемой Zn/воздушной батарее. Дж.Электрохим. соц. 164, H5224–H5229. дои: 10.1149/2.0351708jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Кар, М., Саймонс, Т.Дж., Форсайт, М., и Макфарлейн, Д.Р. (2014). Ионные жидкие электролиты как платформа для перезаряжаемых металло-воздушных аккумуляторов: перспектива. физ. хим. хим. физ. 16, 18658–18674. дои: 10.1039/C4CP02533D

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Кумар К.К., Бриндха Р., Нандхини М., Селвам М., Саминатан, К., и Шактипанди, К. (2019). Графен, взвешенный в воде, как добавка к электролиту в системе цинково-воздушных щелочных батарей. Ионика 25, 1699–1706. doi: 10.1007/s11581-019-02924-7

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Лан, К., Ли, К., и Чин, Т. (2007). Гидроксиды тетраалкиламмония как ингибиторы Zn-дендрита во вторичных батареях на основе Zn. Электрохим. Acta 52, 5407–5416. doi: 10.1016/j.electacta.2007.02.063

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, К.В., Сатьянараянан, К., Эом, С.В., Ким, Х.С., и Юн, М.С. (2006). Новое электрохимическое поведение цинковых анодов в батареях цинк/воздух в присутствии добавок. J. Источники питания 159, 1474–1477. doi: 10.1016/j.jpowsour.2005.11.074

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Li, M., Liu, B., Fan, X., Liu, X., Liu, J., Ding, J., et al. (2019). Полимерный электролит длительного хранения на основе гидроксида тетраэтиламмония для гибких цинково-воздушных аккумуляторов. Приложение ACSМатер. Интерфейсы 11, 28909–28917. дои: 10.1021/acsami.9b09086

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ли М., Луо Ф., Чжан К., Ян З. и Сюй З. (2020). Атомный слой нанолистов Co3O4-x как эффективный и стабильный электрокатализатор для перезаряжаемых цинково-воздушных батарей. Дж. Катал. . 381, 395–401. doi: 10.1016/j.jcat.2019.11.020

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ли, Ю., Чжун, К., Лю, Дж., Цзэн, С., Цюй, С., Хан, X., и др. (2018). Атомарно-тонкие мезопористые слои Co 3 O 4 , прочно связанные с нанолистами N-rGO в качестве высокоэффективных бифункциональных катализаторов для одномерных вязальных цинково-воздушных батарей. Доп. Матер. 30, 1703657. doi: 10.1002/adma.201703657

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Лю, С., Хан, В., Цуй, Б., Лю, X., Чжао, Ф., Стюарт, Дж., и др. (2017). Новая перезаряжаемая воздушно-цинковая батарея с расплавленным солевым электролитом. J. Источники питания 342, 435–441. doi: 10.1016/j.jpowsour.2016.12.080

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ма, Л., Чен, С., Ван, Д., Ян, К., Мо, Ф., Лян, Г., и др. (2019). Сверхрастяжимые воздушно-цинковые батареи на основе стойкого к щелочи двухсетевого гидрогелевого электролита. Доп. Энергия Матер. 9:1803046. doi: 10.1002/aenm.201803046

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Маккензи, Дж. Д., и Хо, К. (2015). Перспективы накопления энергии для гибких электронных систем. стр. IEEE 103, 535–553. doi: 10.1109/JPROC.2015.2406340

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Майнар А.Р., Ируин Э., Кольменарес Л.С., Кваша А., де Меатца И., Бенгоэчеа М. и др. (2018). Обзор достижений в области электролитов для вторичных цинково-воздушных аккумуляторов и других систем хранения на основе цинка. J. Хранение энергии 15, 304–328. doi: 10.1016/j.est.2017.12.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Майнар, Р.А. Леонет О., Бенгоэчеа М., Бояно И., де Меатца И. и соавт. (2016). Щелочные водные электролиты для вторичных цинково-воздушных аккумуляторов: обзор. Междунар. Дж. Энерджи Рез. 40, 1032–1049. doi: 10.1002/er.3499

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Масри, М. Н., и Мохамад, А. А. (2013). Эффект добавления сажи к пористому цинковому аноду в воздушно-цинковой батарее. Дж. Электрохим. соц. 160, А715–А721. дои: 10.1149/2.007306jes

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Мяо, Х., Chen, B., Li, S., Wu, X., Wang, Q., Zhang, C., et al. (2020). Полностью твердотельная гибкая воздушно-цинковая батарея с полиакриламидным щелочным гелевым электролитом. J. Источники питания 450:227653. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.227653

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Пан, З., Ян, Дж., Занг, В., Коу, З., Ван, К., Дин, X., и др. (2019). Полностью твердотельная губчатая сжимаемая воздушно-цинковая батарея. Материал для накопления энергии. 23, 375–382. doi: 10.1016/j.ensm.2019.04.036

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Парк, Дж., Парк, М., Нам, Г., Ли, Дж. С., и Чо, Дж. (2015). Полностью твердотельная гибкая воздушно-цинковая батарея кабельного типа. Доп. Матер. 27, 1396–1401. doi: 10.1002/adma.201404639

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Паркер, Дж. Ф., Червин, С. Н., Нельсон, Э. С., Ролисон, Д. Р., и Лонг, Дж. В. (2014). Трехмерное соединение цинка меняет представление о производительности батареи — цикличность без дендритов. Энергетика Окружающая среда. науч. 7, 1117–1124. дои: 10.1039/C3EE43754J

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Pedicini, C., Sieminski, D.P., Skeggs, L.T., Young, J.E., and Cherry, E.C. (1996). Система управления воздухом для рециркуляции воздуха-реагента в металловоздушной батарее. Патент США № 5 560 999. Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка США на патент и торговую марку.

Академия Google

Pedicni, CS (2002). Воздушная дверь, реагирующая на нагрузку, для электрохимической ячейки.Патент США № 6 350 537. Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка Бюро по патентам и товарным знакам США.

Академия Google

Пей, П., Ван, К., и Ма, З. (2014). Технологии продления срока службы воздушно-цинковых аккумуляторов: обзор. Прил. Энергия 128, 315–324. doi: 10.1016/j.apenergy.2014.04.095

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Pozo-Gonzalo, C., Virgilio, C., Yan, Y., Howlett, P.C., Byrne, N., MacFarlane, D.R., et al. (2014). Улучшенные характеристики ионных жидкостей на основе фосфония по отношению к реакции восстановления 4-электронного кислорода при добавлении источника слабых протонов. Электрохим. коммун. 38, 24–27. doi: 10.1016/j.elecom.2013.10.004

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шредер Д., Боркер Н. Н. С., Кениг М. и Кревер У. (2015). Характеристики воздушно-цинковых аккумуляторов с добавкой K 2 CO 3 в щелочном электролите. J. Appl. Электрохим. 45, 427–437. doi: 10.1007/s10800-015-0817-0

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

См. Д.М. и Уайт Р.Е. (1997).Температурная и концентрационная зависимость удельной электропроводности концентрированных растворов гидроксида калия. J. Chem. англ. Данные 42, 1266–1268. дои: 10.1021/je970140x

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Шинде, С.С., Ли, С.Х., Юнг, Дж.-Ю., Ваг, Н.К., Ким, С.-Х., Ким, Д.-Х., и др. (2019). Открытие двусвязных трехмерных гексаминобензольных металлоорганических каркасов для создания долговечных усовершенствованных обратимых воздушно-цинковых батарей. Энергетика Окружающая среда. науч. 12, 727–738. дои: 10.1039/c8ee02679c

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Саймонс, Т., Торрьеро, А., Хоулетт, П., Макфарлейн, Д. Р., и Форсайт, М. (2012). Высокая плотность тока, эффективное циклирование Zn 2+ в ионной жидкости 1-этил-3-метилимидазолия дицианамида: влияние концентрации соли Zn 2+ и воды. Электрохим. коммун. 18, 119–122. doi: 10.1016/j.elecom.2012.02.034

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Тан, П., Chen, B., Xu, H., Zhang, H., Cai, W., Ni, M., et al. (2017). Гибкие Zn- и Li-air батареи: последние достижения, проблемы и перспективы на будущее. Энергетика Окружающая среда. науч. 10, 2056–2080 гг. дои: 10.1039/c7ee01913k

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ван, К., Пей, П., Ма, З., Сюй, Х., Ли, П., и Ван, X. (2014). Морфологический контроль регенерации цинка для цинково-воздушных топливных элементов и аккумуляторов. J. Источники питания 271, 65–75. doi: 10.1016/j.jpowsour.2014.07.182

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ван В., Тан М., Чжэн З. и Чен С. (2019). Ультратонкая, гибкая и высокоэффективная твердотельная воздушно-цинковая батарея на основе щелочной полимерной мембраны. Доп. Энергия Матер. 9, 1803628. doi: 10.1002/aenm.201803628

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Wang, X., Sunarso, J., Lu, Q., Zhou, Z., Dai, J., Guan, D., et al. (2020). Высокоэффективный платино-перовскитный композиционный бифункциональный кислородный электрокатализатор для воздушно-цинковой аккумуляторной батареи. Доп. Энергия Матер . 10:11. doi: 10.1002/aenm.2011

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Ву, Г., Лин, С., и Ян, К. (2006). Щелочные Zn-воздушные и алюминиево-воздушные элементы на основе новых мембран с твердым полимерным электролитом PVA/PAA. J. Член. науч. 280, 802–808. doi: 10.1016/j.memsci.2006.02.037

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Xiang, H., Yin, B., Wang, H., Lin, H., Ge, X., Xie, S., et al. (2010).Улучшение электрохимических свойств электролита на основе ионной жидкости (RTIL) при комнатной температуре для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 55, 5204–5209. doi: 10.1016/j.electacta.2010.04.041

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Xu, L., Liu, J., Chen, P., Wang, Z., Tang, D., Liu, X., et al. (2020). Мощные водные батареи Zn-h3O2 для широкого применения. Cell Rep. Phys. Наука . 1:100027. doi: 10.1016/j.xcrp.2020.100027

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Сюй, М., Айви Д., Се З. и Цюй В. (2015). Воздушно-цинковые аккумуляторные батареи: прогресс в разработке электролита и улучшении конфигурации элементов. J. Источники питания 283, 358–371. doi: 10.1016/j.jpowsour.2015.02.114

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Xu, N., Zhang, Y., Wang, M., Fan, X., Zhang, T., Peng, L., et al. (2019). Высокопроизводительные перезаряжаемые / гибкие цинково-воздушные батареи с согласованным иерархическим биметаллическим электрокатализатором и гетероструктурной анионообменной мембраной. Нано Энергия 65:104021. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104021

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ян, З., Ван, Э., Цзян, Л., и Сунь, Г. (2015). Превосходная циклическая стабильность и высокая производительность трехмерных электродов из вспененного цинка/меди для щелочных батарей на основе цинка. RSC Adv. 5, 83781–83787. дои: 10.1039/C5RA16264E

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ян, Х., Цао, Ю., Ай, X., и Сяо, Л. (2004). Улучшенная разрядная емкость и подавленная пассивация поверхности цинкового анода в разбавленном щелочном растворе с использованием добавок поверхностно-активных веществ. J. Источники питания 128, 97–101. doi: 10.1016/j.jpowsour.2003.09.050

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Ю М., Ван З., Хоу С., Ван З., Лян С., Чжао С. и др. (2017). Легированные азотом Co 3 O 4 массивы мезопористых нанопроволок в качестве бездобавочного воздушного катода для гибких твердотельных воздушно-цинковых батарей. Доп. Матер. 29:1602868. doi: 10.1002/adma.201602868

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

Целлер, Р.А. (2011). Влияние внешней и собственной активности протонов на механизм восстановления кислорода в ионных жидкостях . (Темп, Аризона: Государственный университет Аризоны, издательство ProQuest Dissertations Publishing).

Академия Google

Zhong, X., Yi, W., Qu, Y., Zhang, L., Bai, H., Zhu, Y., et al. (2020). Одноатомный атом кобальта, закрепленный на Co3O4 и активированном угле, легированном азотом, для бифункционального катализатора для воздушно-цинковых батарей. Заяв. Catal., B 260, 118188. doi: 10.1016/j.apcatb.2019.118188

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

Zhu, L., Zheng, D., Wang, Z., Zheng, X., Fang, P., Zhu, J., et al. (2018). Стратегия локализации для стабилизации бифункциональных катализаторов, полученных из ZIF, в качестве эталонного катода гибких полностью твердотельных воздушно-цинковых батарей. Доп. Матер. 30:e1805268. doi: 10.1002/adma.201805268

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.