Как узнать плотность электролита в аккумуляторе: Перевірка браузера, будь ласка, зачекайте…

Плотность электролита, ареометр: конструкция прибора, алгоритм измерений

Что это? Плотность электролита и ареометр – неотъемлемые понятия. Первое указывает на степень разряженности автомобильного аккумулятора, второе – прибор, с помощью которого можно измерить этот показатель.

Как измерять? Чтобы измерить плотность электролита ареометром, необходимо отсоединить клеммы и снять АКБ, затем открутить крышечки смотровых колодцев и поочередно провести измерения.

 

В этой статье:

1. О чем говорит плотность электролита в АКБ
2. Что собой представляет ареометр для измерения плотности электролита
3. Техника безопасности при измерении плотности электролита ареометром
4. Алгоритм измерения плотности электролита ареометром
5. Долив воды после измерения плотности электролита

О чем говорит плотность электролита в АКБ

Одним из способов определения неисправности аккумуляторной батареи является измерение плотности электролита.

Замеры производятся как при замкнутой электроцепи, так и без. Если плотность низкая, то это означает, что:

• неисправность локализована в какой-то отдельной ячейке;
• имеет место глубокий разряд всей батареи;
• внутри аккумулятора разорвана цепь.

Для измерения плотности электролита применяют специальный прибор – ареометр (другое название – денсиметр).

Классическим электролитом в АКБ выступает раствор серной кислоты. Именно ее концентрация и влияет на плотность: чем выше содержание h3SO4 в растворе, тем больше и плотность. Однако на данный показатель дополнительно оказывают влияние:

• температура электролита;
• уровень заряда АКБ.

Когда батарея разряжается, часть серной кислоты реагирует с металлом пластин (образуя соль). В итоге плотность электролита падает.

Для того чтобы получать релевантные данные, измерение плотности кислотного раствора принято проводить, когда его температура составляет 25 °С (или близка к ней).

Нормальным значением плотности при полной зарядке аккумулятора является показатель 1,27 г/см³ (±0,01). В зависимости от климатической зоны, где происходит эксплуатация АКБ, плотность может варьироваться в пределах ±5 %.

По мере разрядки батареи линейно снижается и плотность. Когда заряд оказывается израсходованным наполовину, плотность достигает значения в 1,2 г/см³ (±0,01). При полной разрядке – 1,1 г/см³ (±0,01).

У исправного аккумулятора (в котором нет коротких замыканий между пластинами) плотность электролита во всех банках одинаковая (и химический состав раствора тоже). Если же где-то коротит, то в неисправной банке плотность электролита будет заметно ниже – на 0,1-0,15 г/см

3. Если же плотность одинаково низкая во всех банках, то налицо глубокая разрядка. Такой эффект также может свидетельствовать о сульфатации АКБ или о ее сильном устаревании.

При зарядке линейно растет плотность электролита и концентрация кислоты в растворе. Как следствие, общий уровень жидкости в каждой банке повышается. При разрядке уровень падает, но он все равно должен полностью покрывать пластины. Недопустимо использовать батарею с низким уровнем электролита, когда верхние части пластин обнажены – перед установкой АКБ необходимо проверить уровень раствора в каждой банке (он должен быть миллиметров на 10-15 выше кромки сепараторов – пластин, генерирующих заряд).

 

Что собой представляет ареометр для измерения плотности электролита

Плотность электролита в аккумуляторе определяется по закону Архимеда. Ареометр имеет нормативную плотность, и то, насколько он погрузится в раствор, зависит от концентрации кислоты (на корпусе ареометра нанесена соответствующая шкала). Как же проверить плотность электролита ареометром на практике? Перед использованием данного прибора следует разобраться с единицами измерения – зачастую шкала нанесена не в г/см

3, а в системе СИ – в кг/м³.

Ареометр устроен крайне просто – он представляет собой тонкую, герметично запаянную стеклянную трубку (чтобы жидкость не повредила шкалу, она наносится на внутреннюю поверхность трубки). Один конец трубки имеет шарообразное утолщение, в котором находится утяжеляющий груз. Он нужен для того, чтобы измеритель мог плавать вертикально и было удобно разглядеть уровень его погружения по шкале.

Специально для измерения плотностей опасных жидкостей (как щелочей, так и кислот, содержащихся в электролите) разработаны автомобильные ареометры с улучшенной, немного более сложной конструкцией.

Данный прибор имеет прозрачную колбу, в который с помощью груши набирается исследуемая жидкость. Внутри колбы уже присутствует сам измеритель-ареометр, который оказывается погружен в жидкость в соответствии с соотношением плотностей. Конструкция колбы такова, что можно без проблем вернуть всю жидкость, взятую для измерения, обратно. Такой способ исследования позволяет произвести замеры плотностей в тех случаях, когда поместить в емкость с жидкостью обычный ареометр бывает трудно, а то и вовсе невозможно.

На рынке также можно найти электронные ареометры. Но они намного дороже аналоговых и при этом не дают очевидного преимущества, поэтому они не сильно распространены. Неправильно называть такие цифровые измерители плотности рефракторами. Последний является прибором, который определяет плотность жидкости по углу преломления света. Электронные ареометры используют иной принцип, а что касается рефракторов, то с их помощью удобно измерять физические характеристики иных автомобильных жидкостей, например антифриза.

Приобретайте такие ареометры, в которых шкала имеет максимальный масштаб. Большая цена деления позволит более точно определить плотность электролита, ведь здесь важна каждая сотая доля грамма на см³. В стеклянной колбе шкалу видно четче по сравнению с пластиковыми, которые со временем мутнеют. Однако стекло требует более бережного к себе отношения.

Техника безопасности при измерении плотности электролита ареометром

Осуществляя проверку плотности электролита в аккумуляторе ареометром, помните, что имеете дело с весьма концентрированной серной кислотой, неосторожное обращение с которой может привести к получению серьезных ожогов незащищенных участков кожи.

Соблюдайте следующие правила безопасности:

• перед тем как замерять плотность электролита ареометром, всегда надевайте высокий резиновый фартук;
• руки должны быть защищены длинными резиновыми перчатками;
• глаза надо прикрыть специальными защитными очками.

Помните! Контакт кислотного раствора из АКБ с глазами может привести к необратимой потере зрения! Если же кислота все-таки попала на незащищенные участки кожи, то нужно немедленно промыть это место под проточной водой в течение не менее 15 минут. Затем следует сделать раствор соды: на 20 мл воды нужно положить 1 чайную ложку, размешать и аккуратно нанести раствор на обожженный участок. Вместо раствора соды можно использовать мыльную воду. Щелочь нейтрализует действие кислоты. А после того, как пройдет боль, надо немедленно обратиться к врачу.

Алгоритм измерения плотности электролита ареометром

Замер плотности электролита ареометром в холодное время года, должен осуществляться в отапливаемом помещении (с температурой окружающего воздуха не менее +25 °С, при этом аккумулятор должен некоторое время постоять в теплом помещении, чтобы нагреться). Перед тем как приступать к измерениям, нужно выполнить ряд требований, влияющих на их точность:

• Батарея должна быть разряжена полностью.
• Если вы хотите установить плотность электролита полностью заряженной батареи, то после отключения от сети АКБ должна постоять несколько часов (химическая реакция по восстановлению кислоты из соли должна полностью прекратиться).
• При измерении плотности ареометром получаемые данные следует корректировать в зависимости от температуры окружающего воздуха (нормативным уровнем температуры является +27 °С; каждые 6 °С ниже данного значения убирают 0,004 г/см ³ плотности, если выше, то к получаемому значению нужно приплюсовать 0,004).
• Пробки банок открываются исключительно по очереди, причем вскрытой одновременно остается лишь одна банка (также нужно тщательно вытереть корпус АКБ от всевозможных загрязнений – никакие посторонние примеси не должны попасть в электролит, берущийся для исследования).

Рассмотрим последовательность действий по пользованию автомобильным ареометром при замере плотности электролита в аккумуляторе.

1. Присоедините пипетку снизу и поместите в колбу ареометра денсиметр.
2. Далее пипеткой наберите электролит в банке АКБ и налейте образец в колбу ареометра.
3. Проследите, чтобы денсиметр не упирался в колбу другим своим концом – он должен свободно плавать в ней.
4. После того как вы наберете достаточно электролита в колбу, подождите несколько секунд, пока денсиметр не перестанет колебаться; затем отметьте у себя точку пересечения шкалы с уровнем жидкости.

Предварительно уточните единицы измерения. Если шкала плотности электролита вашего ареометра в кг/м³, то полученное значение нужно разделить на 1000.

Весьма распространены и ареометры с поплавками для проверки плотности электролита. Вот алгоритм пользования ими.

Принцип работы таких устройств следующий: колбу нужно наполнить раствором, и в зависимости от того, какова его плотность, на поверхность всплывет поплавок того или иного цвета. Значение каждого цвета указано на корпусе ареометра. Здесь не следует торопиться – после того как колба будет наполнена образцом жидкости, нужно подождать примерно 10-15 секунд. Поплавок-индикатор всплывает с запаздыванием.

Итак, нормальная плотность электролита в аккумуляторе составляет 1,27 г/см³. Более высокое значение на ареометре свидетельствует о присутствии в растворе избытка серной кислоты – ее нужно разбавить дистиллированной водой (ни в коем случае не из-под крана). Если плотность меньше 1,27 г/см³, то кислоты нужно, наоборот, добавить. А можно поступить и радикальнее: слить весь электролит из банки и залить купленный готовый, смешанный в заводских условиях раствор.

Некоторые автомобильные ареометры имеют несколько шкал, которые позволяют использовать их для определения плотности не только электролита, но и антифриза. Эта функциональная особенность представляет собой большую ценность в условиях крайнего севера, так как понимание плотности тосола дает возможность узнать температуру его кристаллизации. А если вы перемещаетесь между населенными пунктами в условиях зимней тундры, то данная информация может реально спасти вам жизнь (чтобы случайно не выключить на лютом морозе мотор и в итоге не остаться без источника тепла).

Если невооруженным глазом видно, что прибор не идеально чистый, то перед тем, как мерить плотность электролита ареометром, обязательно нужно промыть его от остатков кислоты. Использовать для этого нужно исключительно купленную в аптеке дистиллированную воду. Также настоятельно рекомендуется неукоснительно соблюдать нижеуказанные требования:

• Ни в коем случае не пренебрегайте правилами безопасности – при работе с кислотосодержащими растворами используйте защитную одежду и не делайте торопливых, резких движений (в противном случае вероятность получения химического ожога возрастает на порядок).
• Денсиметр должен свободно плавать в колбе, не касаясь ее стенок (в противном случае он может к ним прилипнуть, и показания прибора будут сбиты, а пальцем его не оттолкнешь).
• Опасность представляет не только раствор серной кислоты в АКБ, но и некоторые составы антифриза – производители часто добавляют туда вместо пропиленгликоля этиленгликоль, который является летучим соединением и чрезвычайно ядовит (используйте при таких замерах средства защиты органов дыхания – респираторные маски и противогазы).

Долив воды после измерения плотности электролита

Раньше с помощью ареометров постоянно снимались показания плотности электролита, и в банки аккумуляторов регулярно приходилось подливать дистиллят. В современные АКБ при штатной эксплуатации ничего доливать не нужно (батареи стали необслуживаемыми). В чем же суть изменений?

Дело в том, что процедура зарядки батареи предусматривает выделение тепла, которое приводит, прежде всего, к интенсивному испарению воды из раствора электролита. От цикла к циклу вода постепенно выпаривалась, просачиваясь через некачественные уплотнения заглушек.

Электролит полностью должен покрывать свинцовые пластины, чтобы они взаимодействовали с серной кислотой всей своей площадью – от этого зависит электрическая эффективность химической реакции. Если уровень раствора низкий, то объема генерируемой электрической мощности может просто не хватить для запуска двигателя. К тому же при выпаривании воды увеличивается концентрация серной кислоты (и ее плотность), то есть опять же образуется ее излишек, который не будет участвовать в реакции, – емкость аккумулятора снижается дополнительно.

Поэтому раньше в банки АКБ изредка добавляли воду (ведь серная кислота при образующихся при зарядке температурах не выпаривается).

Принцип работы аккумуляторов остался прежним, но почему же сейчас ничего доливать не нужно? Неужели нашли способ заставить воду не испаряться при нагревании? И да, и нет. Вода испаряется, но в разы в меньших количествах. В старые аккумуляторы для обеспечения большей прочности свинцовых пластин добавлялась сурьма. Но она одновременно играла роль катализатора гидролизного процесса, при котором вода под действием электрического тока разлагалась на водород и кислород.

А уж водород не удержишь никакими уплотнителями – этот газ способен диффундировать даже сквозь стенки кварцевых реторт. В итоге в старых АКБ вода не столько выпаривалась, сколько улетучивалась, будучи разложенной на составляющие ее газы.

В современных батареях вместо сурьмы используют кальциевые присадки. Эти АКБ лучше полностью не разряжать, но зато и электролит в них остается на одном и том же уровне в течение всего эксплуатационного периода.

Регулярная проверка уровня и плотности электролита ареометром позволит вам контролировать исправность аккумуляторной батареи на вашем транспортном средстве самостоятельно (на СТО за эту услугу придется заплатить). Регулярно отслеживая и корректируя плотность кислотного раствора, вы сможете быть уверенными, что без энергии в самый ответственный момент вы не останетесь. Более того, АКБ в таком случае прослужит гораздо дольше гарантийного срока.

Как проверить уровень электролита и плотность

АКБ автомобиля

В любом автомобиле есть элемент, обеспечивающий все узлы автомобиля электричеством – аккумулятор. Не стоит забывать, что за ним нужно следить, и соблюдать правила эксплуатации. Одним из главных элементов автомобильной батареи является электролит.

Уменьшение плотности или уровня электролита может привести АКБ в негодность или к быстрому разряду, что в свою очередь не позволит завести двигатель автомобиля. Как проверить уровень электролита и его плотность?

Содержание статьи:

• 1 Электролит
  • 1.1 Узнай время зарядки своего аккумулятора
• 2 Проверка уровня
• 3 Плотность
  • 3.1 Обслуживаемые
  • 3. 2 Необслуживаемые

Электролит

Электролит в АКБ закончился

От электролита в аккумуляторе зависит практически любой процесс – это жидкость, в которой протекают все химические процессы аккумулятора, и вырабатывается электричество. Состоит он из смеси кислоты и дистиллированной воды (приблизительное соотношение 35% к 65%).

Прежде всего, необходимо соблюдать уровень раствора внутри аккумулятора:

• Если уровень ниже нормы, то это приведёт к оголению пластин батареи и осыпанию пластин аккумулятора.
• Когда уровень выше — это тоже плохо. В летнее время, это может быть не очень заметно, но зимой, из-за повышенного уровня электролит может замёрзнуть, и не просто замёрзнуть, а полностью «разорвать» корпус АКБ.

Можно сделать логичный вывод, что соблюдать оптимальный уровень электролита в автомобильном аккумуляторе – прямая необходимость.

Проверка уровня

В домашних условиях можно проверить уровень электролита двумя способами:

1. Если корпус батареи прозрачный, то

   Проверка уровня электролита в АКБ

   проблем с определением уровня не возникнет – на корпусе есть отметки о минимальном и максимальном значении жидкости, внутри банок, на которые необходимо будет ориентироваться. Если корпус аккумулятора – непрозрачный, то подойдёт второй способ.

2. Проверка происходит пластиковой или стеклянной трубкой, диаметром от 3 до 6 мм. Откручивается пробка банки, и опускается трубка, до момента соприкосновения с пластинами. Необходимо измерить, на сколько миллиметров опустилась трубка. Нормой считается 12 мм. Это действие проводится для каждой банки батареи.

Если уровень выше максимального, то необходимо изъять лишнее. Делается это специальным шприцем – с помощью него можно доливать и откачивать электролит и воду.

Проверить электролит в необслуживаемом аккумуляторе (например, Varta E23 12V 70AH) можно, используя специальные отметки, предусмотренные производителем. Иногда дополнительно используется индикатор заряда (не на всех АКБ).

Как проверить уровень электролита можно увидеть на видео.

Плотность

Проверить плотность электролита в аккумуляторе достаточно просто. Необходимо иметь только специальный прибор – ареометр (советует большинство автолюбителей и экспертов) или денсиметр. Из-за большей распространённости будет рассмотрен способ замера ареометром.

Обслуживаемые

Добавление дистиллированной воды

Для проведения измерений обслуживаемого АКБ понадобится: груша (для откачивания электролита), ареометр, колба, дистиллированная вода и электролит (на случай, если придётся повышать или понижать плотность).

Процесс замера осуществляется по пунктам:

1. Откачать грушей часть электролита из банки (количество, необходимое для измерения).
2. Поместить раствор в специально подготовленную колбу.
3. Поставить ареометр в колбу. Значение, которое он покажет – плотность электролита в банке аккумулятора.

После этого кислота из колбы перемещается обратно в АКБ (если значение соответствует норме) колба промывается, и пункты 1,2,3 повторяются для каждой банки, поочерёдно.

Важно: проверить плотность электролита ареометром несложно, но необходимо соблюдать технику безопасности, и производить все действия только в защитных очках и перчатках.

Проверка ареометром

Нормальное значение плотности – 1.27 г/см³ (для регионов с холодным климатом – 1.29г/см³) Разница между банками может составлять не более 0.1 г/см³.Если показатели отклоняются от нормы, то необходимо «подогнать» плотность до нужного уровня. Для этого понадобятся электролит и дистиллированная вода.

Для повышения плотности нужно сделать следующее:

1. Выкачать как можно больше раствора из банки, и поместить его в колбу (чтобы высчитать количество выкачанного раствора).
2. Долить электролит в банку (объём должен быть равен половине, от изъятого).
3. Закрыть банку, и покачать/потрясти АКБ для смешивания раствора.
4. Провести замер, и если показатели не соответствуют норме – повторить первые три пункта.
5. Когда показатели будут оптимальными – разницу долить дистиллированной водой.

Есть и другие способы повышения плотности, но вышеописанный – один из самых простых.

Чтобы снизить плотность необходимо добавить дистиллированную воду, подождать, пока раствор смешается, и снова провести замер. Повторять эту процедуру нужно, пока не будут достигнуты нужные показатели.

Необслуживаемые

Необслуживаемый АКБ

Для измерения плотности в батареях необслуживаемого типа, можно использовать небольшой «глазок», который необходимо выкрутить, чтобы произвести замер. Но правильно и точно определить плотность не получится – таким способом, можно узнать только плотность электролита в одной банке.

Нужно отметить, что не на всех АКБ есть такие «глазки». Изначально, для необслуживаемых аккумуляторов (Варта и др.) не предусмотрены какие-либо действия с электролитом – поэтому и отсутствует доступ к банкам обыкновенными методами.

Итог можно подвести следующий: являясь владельцем обслуживаемого или необслуживаемого аккумулятора необходимо помнить, что за состоянием батареи необходимо следить, а за электролитом – в первую очередь. Ведь от электролита зависит: заведётся ли машина, и будет ли авто обеспечено электричеством или нет.

Похожие статьи

Использование аккумуляторного ареометра | Arcon Equipment

Уровень заряда свинцово-кислотного аккумулятора определяется не только показаниями напряжения.

Поскольку напряжение батареи меняется в зависимости от тока зарядки или нагрузки, измерения с помощью вольтметра мало что говорят о состоянии батареи, за исключением особых условий. В большинстве случаев измерение удельного веса смеси воды и серной кислоты (электролита) в аккумуляторе является наилучшим способом определения уровня заряда и состояния элемента.

Свинцово-кислотный элемент имеет активный электролит, который принимает участие в электрохимическом процессе при зарядке его концентрации серной кислоты. Поскольку это изменение концентрации напрямую отражает изменение состояния заряда элемента (гораздо точнее, чем напряжение элемента), измерение кислотности электролита можно использовать в качестве индикатора заряда.

Хотя существует много способов определить, сколько серной кислоты растворено в воде, самым простым и наименее дорогим методом для полевых работ является ареометр. Ареометр не измеряет концентрацию серной кислоты напрямую, но отвечает на этот вопрос, показывая удельный вес электролита, то есть его плотность по сравнению с плотностью чистой воды.

Неверные показания

Измерения плотности обеспечивают точное указание концентрации кислоты, но плотность раствора кислоты/воды может отличаться по другим, несвязанным причинам, что может повлиять на точность. На любое измерение плотности влияет температура, и большинство ареометров откалиброваны для правильного считывания только при нормальной рабочей температуре 77 F. Например: при температуре электролита 125 F (максимум для работы от батареи) ареометр показывает на 16 пунктов меньше; при 26 F значение составляет 16 баллов.

Метод ареометра также предполагает, что мы измеряем плотность только чистой серной кислоты в чистой воде. Все остальное, растворенное в электролите, увеличит общую плотность и даст ложные показания.

Если аккумулятор только что залили водой, не ждите точных показаний ареометра до тех пор, пока аккумулятор не будет заряжен. Зарядка взбудоражит электролит и смешает его с водой. В противном случае чистая вода с более низкой плотностью будет плавать поверх остального электролита, и ваш ареометр сможет взять пробу только этой части.

Показания ареометра во время зарядки отстают от фактического уровня заряда батареи. Только когда аккумулятор подходит к концу своего 8-часового заряда, ареометр дает хорошее представление о состоянии аккумулятора. Аккумуляторы, которые неоднократно переполнялись из-за переполнения водой, имеют тенденцию иметь ослабленный, разбавленный электролит из-за потери серной кислоты. (Если перелива не происходит, при нормальном использовании в виде пара выходит только чистая вода и потери кислоты минимальны). Показания ареометра плохо разбавленного электролита не являются полезным индикатором состояния батареи.

Старый аккумулятор с признаками перелива кислоты (сильная коррозия, отложения в салоне автомобиля) должен обслуживаться специалистом по аккумуляторам, который может определить степень разбавления электролита и довести концентрацию до исходных значений. Как только это будет сделано, показания ареометра станут надежным показателем состояния заряда и общего состояния батареи.

Выбор и использование

Доступны несколько типов ареометров для свинцово-кислотных аккумуляторов, и даже те, которые предназначены для использования с аккумуляторами с автоматическим запуском, подходят и для промышленных аккумуляторов. Лучше всего использовать ареометр, который показывает числовое значение удельного веса. Типичный диапазон значений: от 1.100 до более 1.300 (для облегчения чтения десятичная точка обычно не ставится на шкале, например: от 1100 до 1300)

Цифры, показанные ареометром, являются значениями удельного веса или плотности жидкости по сравнению с плотностью воды, которая имеет удельный вес, обозначенный как 1.000. Электролит в светодиодно-кислотном аккумуляторе имеет самую высокую концентрацию серной кислоты, когда аккумулятор полностью заряжен. Типичное значение полного заряда промышленной батареи составляет 1,275, но многие батареи работают с более сильным электролитом. Проверьте данные производителя для каждой батареи, чтобы проверить рекомендуемое значение удельного веса при полной зарядке — оно может достигать 1300 и более. Свинцово-кислотная батарея готова к перезарядке, когда она достигает точки разрядки 80%, на что указывают показания ареометра примерно между 1,140 и 1,180. Работа от батарей ниже 1.120 не рекомендуется.

Лучшее время для использования ареометра для обнаружения проблемных элементов в проблемном аккумуляторе — это время неисправности: в то время в течение смены, когда производительность погрузчика начинает падать. Плохие элементы обычно выделяются гораздо более низкими показаниями удельного веса, чем остальные, после использования, даже если эти же элементы имели приемлемые показания, когда батарея была полностью заряжена.

Полностью заряженный аккумулятор с хорошо смешанным электролитом должен показывать показания ареометра на всех элементах в пределах 25 пунктов друг от друга. Если после уравнительного (длительного) заряда несоответствие, превышающее это значение, сохраняется, батарею должен проверить опытный специалист по батареям.

Советы по правильному использованию ареометра

1) Измерьте более одной ячейки при проверке уровня заряда

2) Не ожидайте точных показаний сразу после орошения батареи

3) Температура батареи влияет на точность показаний— электролит должен иметь нормальную комнатную температуру

4) Надевайте защитные очки, когда наклоняетесь над батареей

5) Остатки электролита, оставшиеся в ареометре, вызывают коррозию — промойте и храните ареометр в кислотостойком контейнере.

Новая твердотельная батарея удивляет создавших ее исследователей

23 сентября 2021 г. — Инженеры создали новый тип батареи, объединяющий два многообещающих подразделения батарей в одну батарею. В батарее используется как твердотельный электролит, так и полностью кремниевый анод, что делает ее полностью кремниевой твердотельной батареей. Первые этапы испытаний показали, что новая батарея безопасна, долговечна и энергоемка. Он обещает широкий спектр применений от энергосистемы до электромобилей.

Технология аккумуляторов описана в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021 года. Наноинженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего возглавили исследование в сотрудничестве с исследователями из LG Energy Solution.

Кремниевые аноды

известны своей плотностью энергии, которая в 10 раз выше, чем у графитовых анодов, наиболее часто используемых в современных коммерческих литий-ионных батареях. С другой стороны, кремниевые аноды печально известны тем, как они расширяются и сжимаются при зарядке и разрядке аккумулятора, а также тем, как они разлагаются в жидких электролитах. Эти проблемы не позволили использовать полностью кремниевые аноды в коммерческих литий-ионных батареях, несмотря на заманчивую плотность энергии. Новая работа, опубликованная в журнале Science, предлагает многообещающий путь вперед для полностью кремниевых анодов благодаря правильному электролиту.

«С этой конфигурацией батареи мы открываем новую территорию для твердотельных батарей, использующих аноды из сплава, такого как кремний», — сказал Даррен Х. С. Тан, ведущий автор статьи. Недавно он защитил докторскую диссертацию по химическому машиностроению в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего и стал соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал эту технологию.

В твердотельных батареях нового поколения с высокой плотностью энергии всегда использовался металлический литий в качестве анода. Но это накладывает ограничения на скорость заряда батареи и необходимость повышенной температуры (обычно 60 градусов Цельсия или выше) во время зарядки. Кремниевый анод преодолевает эти ограничения, обеспечивая гораздо более высокую скорость заряда при температуре от комнатной до низких, сохраняя при этом высокую плотность энергии.

Команда продемонстрировала полный элемент лабораторного масштаба, который обеспечивает 500 циклов зарядки и разрядки с сохранением емкости на 80% при комнатной температуре, что представляет собой впечатляющий прогресс как для производителей кремниевых анодов, так и для твердотельных аккумуляторов.

Кремний в качестве анода для замены графита

Кремниевые аноды, конечно, не новы. На протяжении десятилетий ученые и производители аккумуляторов рассматривали кремний как энергоемкий материал, который можно смешать с обычными графитовыми анодами в литий-ионных аккумуляторах или полностью заменить их. Теоретически кремний предлагает примерно в 10 раз большую емкость хранения, чем графит. На практике, однако, литий-ионные батареи с кремнием, добавленным к аноду для увеличения плотности энергии, обычно страдают от реальных проблем с производительностью: в частности, количество раз, когда аккумулятор можно заряжать и разряжать при сохранении производительности, недостаточно велико.

Большая часть проблем вызвана взаимодействием между кремниевыми анодами и жидкими электролитами, с которыми они соединены. Ситуация осложняется большим объемным расширением частиц кремния при заряде и разряде. Это приводит к серьезным потерям мощности с течением времени.

«Исследователям аккумуляторов жизненно важно решать основные проблемы в системе. Для кремниевых анодов мы знаем, что одной из больших проблем является нестабильность интерфейса жидкого электролита», — сказала профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Менг, соответствующий автор научной статьи и директор Института исследования и дизайна материалов в Калифорнийском университете в Сан-Диего. Диего: «Нам нужен был совершенно другой подход», — сказал Мэн.0005

Действительно, команда под руководством Калифорнийского университета в Сан-Диего применила другой подход: они отказались от углерода и связующих веществ, которые поставлялись с полностью кремниевыми анодами. Кроме того, исследователи использовали микрокремний, который меньше обрабатывается и дешевле, чем нанокремний, который используется чаще.

Полностью твердотельный раствор

Помимо удаления всего углерода и связующих веществ с анода, группа также удалила жидкий электролит. Вместо этого они использовали твердый электролит на основе сульфидов. Их эксперименты показали, что этот твердый электролит чрезвычайно стабилен в батареях с полностью кремниевыми анодами.

«Эта новая работа предлагает многообещающее решение проблемы кремниевых анодов, хотя предстоит еще много работы, — сказал профессор Мэн. — Я рассматриваю этот проект как подтверждение нашего подхода к исследованиям батарей здесь, в Калифорнийском университете в Сан-Диего. сочетать самую строгую теоретическую и экспериментальную работу с творчеством и нестандартным мышлением. Мы также знаем, как взаимодействовать с отраслевыми партнерами, решая сложные фундаментальные задачи».

Прошлые усилия по коммерциализации анодов из кремниевых сплавов в основном были сосредоточены на кремний-графитовых композитах или на сочетании наноструктурированных частиц с полимерными связующими. Но они все еще борются с плохой стабильностью.

Заменив жидкий электролит твердым электролитом и одновременно удалив углерод и связующие вещества с кремниевого анода, исследователи избежали ряда связанных проблем, возникающих, когда аноды пропитываются органическим жидким электролитом, когда батарея функции.

В то же время, устранив углерод в аноде, команда значительно уменьшила межфазный контакт (и нежелательные побочные реакции) с твердым электролитом, избежав постоянной потери емкости, которая обычно происходит с жидкими электролитами.

Этот шаг, состоящий из двух частей, позволил исследователям в полной мере воспользоваться преимуществами низкой стоимости, высокой энергии и экологически безопасных свойств кремния.

Воздействие и побочный эффект Коммерциализация

«Твердотельный кремниевый подход преодолевает многие ограничения в обычных батареях. Это открывает для нас захватывающие возможности для удовлетворения рыночных потребностей в более высоких объемах энергии, сниженных затратах и ​​более безопасных батареях, особенно для хранения энергии в сети», — сказал Даррен Х. С. Тан, первый автор научной статьи.

Твердые электролиты на основе сульфидов часто считались очень нестабильными. Однако это было основано на традиционных термодинамических интерпретациях, используемых в системах с жидким электролитом, которые не учитывали превосходную кинетическую стабильность твердых электролитов. Команда увидела возможность использовать это нелогичное свойство для создания высокостабильного анода.

Тан является генеральным директором и соучредителем стартапа UNIGRID Battery, который лицензировал технологию для этих кремниевых полностью твердотельных батарей.

Параллельно в Калифорнийском университете в Сан-Диего будет продолжена соответствующая фундаментальная работа, в том числе дополнительные исследования в сотрудничестве с LG Energy Solution.

«Компания LG Energy Solution рада, что последние исследования в области аккумуляторных технологий, проведенные совместно с Калифорнийским университетом в Сан-Диего, были опубликованы в журнале Science, что является значительным признанием», — сказал Мьюнг-Хван Ким, президент и директор по закупкам LG Energy Solution. «С последним открытием LG Energy Solution намного приблизилась к реализации технологий полностью твердотельных аккумуляторов, которые значительно разнообразят нашу линейку аккумуляторов».

«Являясь ведущим производителем аккумуляторов, LGES продолжит свои усилия по развитию передовых технологий в ведущих исследованиях аккумуляторных элементов следующего поколения», — добавил Ким. LG Energy Solution заявила, что планирует и дальше расширять сотрудничество в области исследований твердотельных аккумуляторов с Калифорнийским университетом в Сан-Диего.

Исследование проводилось при поддержке программы открытых инноваций LG Energy Solution, которая активно поддерживает исследования, связанные с батареями. LGES работает с исследователями по всему миру, чтобы развивать соответствующие методы.

Название статьи

«Безуглеродные кремниевые аноды с высокой нагрузкой на основе сульфидных твердых электролитов», в выпуске журнала Science от 24 сентября 2021 г.

Авторы
Даррен Х.С. Тан, Ю-Тинг Чен, Хеди Ян, Вуригмула Бао, Бхагат Шринараянан, Жан-Мари Ду, Вейкан Ли, Бингю Лу, Со-Ён Хам, Бахарак Саяпур, Джонатан Шарф, Эрик А. Ву, Грейсон Дейшер, Чжэн Чен и Ин Ширли Мэн из Департамента наноинженерии, Программы химического машиностроения и Центра устойчивой энергетики и энергетики (SPEC) Инженерной школы Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего; Hyea Eun Han, Hoe Jin Hah, Hyeri Jeong, Jeong Beom Lee, из LG Energy Solution, Ltd.