Какая плотность должна быть в аккумуляторе зимой: оптимальные значения
Плотность электролита – главный параметр всех свинцово-кислотных электрических аккумуляторов, потому что он оказывает влияние на срок эксплуатации и ёмкость прибора.
Необходимо удерживать оптимальное значение показателя, чтобы гарантировать правильную работу АКБ. Оно зависит не только от климатических характеристик региона, в котором находится автомобиль, но и от времени года. К примеру, если плотность аккумулятора в зимний период составляет 1,25 г/см3, то это свидетельствует о критическом уровне, при котором транспортное средство не сможет завестись. Особенно речь идёт о районах, в которых температура может опускаться до -50 градусов. Однако при умеренном климате такое значение соответствует заявленным требованиям нормы. Следовательно, считается, что показатели в разные временные сезоны должны отличаться друг от друга.
Перед многими автовладельцами встаёт дилемма: разная или одинаковая должна быть плотность аккумулятора зимой и летом? Давайте разбираться.
Содержание
- Зима
- Лето
- Как правильно откорректировать плотность электролита?
- Чем грозит завышенная или заниженная плотность электролита?
Зима
Плотность электролита на зиму в аккумуляторе транспортного средства должна составлять около 1,27 г/см3. Но такое значение оптимально лишь для центральных районов России. В регионах, в которых температурный режим ниже -35 градусов, показатель изменяется в диапазоне от 1,28 г/см3 до 1,35 г/см3. Например, если автомобиль работает в условиях Крайнего Севера, то величина колеблется в пределах 1,31–1,35 г/см3. Возникает вопрос: почему плотность электролита в аккумуляторе зимой должна иметь такое значение? Существует две причины, дающих ответ на поставленный вопрос:
- Жидкость с большой вероятностью превратится в лёд при минусовой температуре, так как в ней доля воды превышает допустимую норму.
- Механизмы автомобиля замерзают в мороз и требуют увеличения электродвижущей силы, чтобы осуществить запуск двигателя.
Даже лучшие модели автомобилей не смогут работать без дополнительной энергии. Уменьшение значения показателя вплоть до 1,1 г/см3 приведёт к замерзанию электрического аккумулятора.
Даже лучшие модели автомобилей не смогут работать без дополнительной энергии. Уменьшение значения показателя вплоть до 1,1 г/см3 приведёт к замерзанию электрического аккумулятора.Зимняя плотность аккумулятора находится на низком уровне. Следовательно, при разрядке она упадёт до критических значений. Чтобы решить эту проблему, желательно постоянно следить за состоянием АКБ. Чтобы проследить взаимосвязь между уровнем заряда и водным соотношением в составе электролита, можно рассмотреть различные сценарии при уменьшении АКБ на 25 % и 50 %:
- При первоначальной плотности в 1,30 г/см3 она сократится до 1,26 г/см3 и 1,22 г/см3.
- При начальном значении показателя в 1,27 г/см3 объём уменьшится до 1,23 г/см3 и 1,19 г/см3.
- При исходной величине в 1,23 г/см3 диапазон упадёт до 1,19 г/см3 и 1,15 г/см3.
Следовательно, плотность аккумулятора на зиму не должна опускаться ниже 1,27 г/см3. Однако нужно помнить, что электролит не может прогреться в результате ежедневных поездок от дома на работу, которые составляют менее получаса.
Это в свою очередь влияет на АКБ, который получает необходимый уровень заряда только после осуществления разогрева. Значение показателя стремительно падает по причине того, что аккумуляторная батарея разряжается.
Таким образом, отвечая на вопрос, какая плотность аккумулятора должна быть зимой, можно привести таблицу оптимальных значений. Однако данные показатели характерны исключительно для полностью заряженной батареи. В случае если заряд находится на недостаточном уровне, то они будут больше.
| Регион использования транспортного средства | Значение показателя плотности, г/см3 |
|---|---|
| Южные регионы | 1,25 |
| Центральные регионы | 1,27 |
| Северные регионы | 1,29 |
| Регионы Крайнего Севера | 1,31 |
Лето
В летний период аккумуляторная батарея имеет проблему, связанную с потерей большого количества жидкости. Плотность рекомендуется держать на 0,02 г/см3 ниже значения, которое требуется по стандартам.
В первую очередь такое замечание относится к регионам, расположенным на юге России.
Летом температурный режим под капотом, в котором располагается аккумулятор, повышен. Это влечёт за собой следующие моменты:
- Улетучивание жидкости из состава кислоты.
- Активное прохождение процессов превращения электрической энергии в химическую, протекающих в аккумуляторных кислотных батареях.
Всё это обеспечивает сильную отдачу тока, осуществляющуюся даже при минимальных допустимых показателях плотности электролита. Например, значение 1,22 г/см3 характерно для местности с тёплым и влажным климатом. Если уровень электролита систематически опускается, то это приводит к увеличению значения. Такой взаимосвязанный процесс является причиной химического разрушения проводников электрического тока. Поэтому контроль количества воды в АКБ – важная задача, выполнение которой является залогом грамотного ухода за автомобилем. Решение заключается в добавлении дистиллированной жидкости при понижении уровня электролита.
Если данное действие опустить, то могут возникнуть проблемы с перезарядом и сульфацией.
Рассеянность автолюбителей – главный фактор, который лежит в основе разрядки аккумулятора. Другими словами, если водитель не уследил за состоянием АКБ, то нужно предпринять определённые меры. Они заключаются в обеспечении батареи зарядом при помощи специального устройства. Однако перед этим необходимо обратить внимание на уровень жидкости, которая могла испариться в процессе функционирования. Если это произошло, требуется долить очищенную воду без содержания каких-либо примесей.
Следовательно, рассмотрев, какая плотность должна быть в аккумуляторе зимой в зависимости от региона, нельзя не привести значения для летнего сезона.
| Регион использования транспортного средства | Значение показателя плотности, г/см3 |
|---|---|
| Южные регионы | 1,25 |
| Центральные регионы | 1,27 |
| Северные регионы | 1,27 |
| Регионы Крайнего Севера | 1,27 |
Как правильно откорректировать плотность электролита?
Автовладельцы часто сталкиваются с необходимостью поднять плотность в аккумуляторной батарее, что объясняется двумя причинами.
Во-первых, периодическим регулированием количества дистиллированной жидкости. Во-вторых, частой зарядкой устройства, так как уменьшение интервала осуществления данного действия – первый признак того, что желательно провести процедуру повышения величины. Выделяют два способа корректировки значения показателя:
- применение электролита, обладающего высокой концентрацией;
- использование дополнительных кислот.
Чтобы изменить в нужном направлении плотность в аккумуляторной батарее, следует приобрести следующие предметы:
- специализированный стакан с делениями, применяемыми для измерения объёма;
- цистерна для создания нового раствора;
- электролит или кислота корректирующего содержания;
- очищенная жидкость.
Алгоритм действий по изменению значения включает в себя 5 этапов:
- Взять небольшое количество электролита с банки аккумуляторной батареи.
- Добавить корректирующий раствор в количестве, которое соответствует взятому на предыдущем этапе. Такое действие осуществляется при условии, что поставлена задача поднять плотность. Если необходимо получить противоположный результат, то регулирующий раствор заменяют на дистиллированную жидкость.
- Аккумулятор следует подзарядить с помощью специального устройства, так как номинальный ток даст возможность поступившей воде смешаться.
- После отключения АКБ от батареи целесообразно выждать в районе 2 часов. Это позволит плотности во всех банках встать на один уровень, что сделает вероятность возникновения погрешности при контрольном тестировании минимальной.
- Вторично осмотреть значение электролита. Если оно осталось на прежнем уровне, то повторно осуществить предыдущие этапы.
Такое действие осуществляется при условии, что поставлена задача поднять плотность. Если необходимо получить противоположный результат, то регулирующий раствор заменяют на дистиллированную жидкость.Плотность электролита изменяется в результате понижения в определённом отсеке аккумулятора. Причём предварительно полезно изучить номинальный объём, который в нём находится. Например, в классической стартерной батарее 6СТ-55 величина электролита равна 633 см3, а в 6СТ-45 – 500 см3. Если рассматривать его состав, то в него входят серная кислота и очищенная вода в процентном соотношении 40 на 60.
Достичь необходимой плотности показателя можно, опираясь на представленные данные в следующей таблице:
| Плотность аккумулятора, г/см3 | Обязательная величина параметра, г/см3 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,24 | 1,25 | 1,26 | |||||||
| Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | |
| 1,24 | — | — | — | 60 | 62 | — | 120 | 125 | — |
| 1,25 | 44 | — | 25 | — | — | — | 65 | 70 | — |
| 1,26 | 85 | — | 88 | 39 | — | 40 | — | — | — |
| 1,27 | 122 | — | 126 | 78 | — | 80 | 40 | — | 43 |
| 1,28 | 156 | — | 162 | 117 | — | 120 | 80 | — | 86 |
| 1,29 | 190 | — | 200 | 158 | — | 162 | 123 | — | 127 |
| 1,30 | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
Продолжение таблицы
| Плотность аккумулятора, г/см3 | Обязательная величина параметра, г/см3 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1,27 | 1,28 | 1,30 | |||||||
| Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | Забор электро-лита | Долив раствора 1,40 г/см3 | Добавление жидкости | |
| 1,24 | 173 | 175 | — | 252 | 256 | — | — | — | — |
| 1,25 | 118 | 120 | — | 215 | 220 | — | — | — | — |
| 1,26 | 85 | 66 | — | 177 | 180 | — | 290 | 294 | — |
| 1,27 | — | — | — | 122 | 126 | — | 246 | 250 | — |
| 1,28 | 40 | — | 43 | 63 | 65 | — | 8198 | 202 | — |
| 1,29 | 75 | — | 78 | — | — | — | 143 | 146 | — |
| 1,30 | 109 | — | 113 | 36 | — | 38 | 79 | 81 | — |
Отметим, что представленные данные соответствуют корректирующему электролиту с плотностью 1,40 г/см3.
Если жидкость будет иметь другое значение, то возникает необходимость использовать следующую формулу расчёта для рассматриваемого показателя:
Представленные вычисления можно заменить методом золотого сечения, который гораздо проще применить на практике:
- Откачать больший объём воды из банки аккумулятора.
- Вылить полученную воду в специальный стакан с делениями, чтобы получить информацию о величине.
- Заполнить половину освободившегося объёма банки необходимым количеством электролита.
- Если значение ещё не соответствует требуемому, то долить ¼ от откаченной величины.
- Продолжать добавлять раствор до достижения оптимального результата.
Кислотная среда небезопасна для человека при неграмотном обращении. Целесообразно соблюдать все меры предосторожности, чтобы раствор электролита не попал на кожу или в дыхательные пути. Осуществлять корректировку рассматриваемой величины рекомендуется в помещениях с хорошей вентиляцией.
Возникают ситуации, в которых значение показателя опускается ниже 1,18 г/см3. В таких случаях использование электролита должно сопровождаться применением кислоты. Причём алгоритм действий изменения плотности включает в себя аналогичные этапы с одной поправкой: шаг разбавления при таком значении должен быть небольшим. Это связано с тем фактом, что плотность электролита имеет очень большую концентрацию, и возникает вероятность пропустить нужную отметку.
В процессе приготовления раствора в жидкость нужно вливать кислоту, а не наоборот.
При определённых обстоятельствах не представляется возможным исправить плотность электролита. Поэтому есть только один выход: купить новый аккумулятор. Возникает вопрос: как определить такие случаи? Очень просто: электролит становится коричневого оттенка, что свидетельствует об осыпании активной массы, принимающей участие в реакции электрохимического плана. Следовательно, это приводит к постепенной поломке аккумуляторной батареи.
Чтобы такая ситуация не застала врасплох, необходимо знать, что хороший АКБ будет служить в течение 5 лет при следовании всем эксплуатационным правилам. Следовательно, если данный срок истёк, то нет смысла проводить манипуляции по ремонту батареи. Если вы хотите, чтобы ваш прибор прослужил положенный срок, то следуйте следующим указаниям:
- контролируйте плотность с помощью ареометра;
- обеспечивайте грамотное обслуживание;
- проверять уровень заряда.
Чем грозит завышенная или заниженная плотность электролита?
Оптимальный уровень плотности находится в пределах от 1,27 до 1,35 г/см3 в соответствии с сезоном и температурным режимом региона. Если значение рассматриваемого показателя выше нормы, то это свидетельствует о завышении, что отрицательно влияет на функционирование автомобиля. Данный процесс может привести к повреждениям аккумуляторной батареи.
В ситуациях, при которых наблюдается противоположная картина, существует вероятность того, что автомобиль не заведётся. Главная причина в том, что АКБ замёрзнет при низких температурах.
Следовательно, необходимо контролировать значение, чтобы плотность электролита в аккумуляторе зимой и летом соответствовала оптимальной. Это поможет избежать возникновения непредвиденных обстоятельств. Однако сделать подобное проблематично, так как плотность изменяется при разных уровнях заряда аккумулятора. Например, при её уменьшении происходит поглощение дистиллированной жидкости батареей, что приводит к увеличению концентрации показателя. В обратных ситуациях возникает процесс сульфатации, ведущий к снижению уровня плотности. В результате этой химической реакции пластины наглухо закрываются и теряют возможность правильно заряжаться. Главный исход – выход из строя АКБ.
Плотность электролита в аккумуляторе (таблица норм до и после зарядки)
Содержание
- Когда проверять плотность электролита в аккумуляторе
- Нормальная плотность электролита в АКБ
- Как замерить
- Как привести концентрацию к норме
Периодический контроль плотности электролита аккумулятора автомобиля входит в число обязательных сервисных операций во время эксплуатации АКБ.
Этот важный параметр определяет соотношение воды и серной кислоты в жидком реагенте батареи – чем выше концентрация H2SO4, тем выше плотность и наоборот. В быту эта характеристика измеряется в граммах на кубический сантиметр (г/куб.см).
Когда проверять плотность электролита в аккумуляторе
Оптимально подобранный для достижения наилучших параметров батареи состав электролита меняется во время зарядки и разрядки аккумулятора. При разрядке батареи электрохимическая реакция с участием свинца, его диоксида и серной кислоты дает кристаллический сульфат свинца и воду – содержание H2SO4 в электролите падает, плотность жидкого реагента снижается. При зарядке батареи реакция идет в обратном порядке: сульфат свинца и вода превращаются в свинец, диоксид свинца и серную кислоту (плотность жидкости увеличивается).
Если бы реакции протекали строго симметрично, плотность после цикла разряд-заряд была бы ровно такой же, как и до него.
На практике полного равновесия достичь невозможно. Часть сульфата свинца останется непрореагировавшим, соответственно, часть воды в электролите не заменится серной кислотой. В итоге плотность электролита уменьшится.
Также к изменению соотношения воды и H2SO4 ведет естественное испарение жидкости. Вода испаряется быстрее кислоты, поэтому при неплотно завернутых пробках плотность электролита также вырастет.
Читайте также
Как часто нужно менять аккумулятор в автомобиле
Отсюда правила периодичности контроля плотности. Ее надо замерять:
- После зарядки батареи от внешнего ЗУ.
- После «кипения» аккумулятора.
- При снижении уровня жидкости в элементах (по любой причине).
- Просто периодически (хотя бы пару раз в год – с наступлением лета и с приходом холодов, а лучше каждые 3 месяца).
Изменение концентрации жидкого реагента часто связано с общим снижением количества электролита в банках.
Поэтому одновременно с контролем плотности надо замерить и уровень жидкости в каждом элементе батареи. Если уровень в норме, часть электролита надо удалить и добавить жидкий реагент с соответствующей концентрацией.
Нормальная плотность электролита в АКБ
Нормальной плотностью электролита заряженного до максимума аккумулятора считается 1,27 г/куб.см. С учетом погрешности измерений можно считать нормой значения в пределах 1,26..1,28 г/куб.см. При меньшей концентрации кислоты ее становится недостаточно для протекания электрохимических реакций, емкость и токоотдача батареи снижаются. А если оставить аккумулятор с низкой плотностью жидкости на морозе, электролит может замерзнуть. Такой аккумулятор придется заменить. При более высокой плотности ускоряются процессы коррозии и склонность к сульфатации.
На указанное значение нормальной плотности электролита в аккумуляторе можно ориентироваться в климате Средней полосы России круглогодично.
Если АКБ эксплуатируется в других климатических условиях, то плотность надо скорректировать, причем делать это надо дважды в год при наступлении нового сезона. В более жарких регионах концентрацию серной кислоты надо уменьшить, в холодных – увеличить. Это оптимизирует течение электрохимических реакций и позволит более полно использовать возможности аккумулятора. Кроме этого, в условиях пониженных температур повышение плотности ведет к снижению температуры замерзания электролита, что может уберечь АКБ от выхода из строя.
| Климат | Сезон | Плотность электролита при полностью заряженной АКБ, г/куб.см |
|---|---|---|
| Холодный (температура января от минус 30 до минус 50) | Лето | 1,28 |
| Зима | 1,3 | |
| Умеренный и холодный (январь от минус 8 до минус 30) | Круглый год | 1,27 |
| Теплый (январь от минус 7 до +4 | Круглый год | 1,23 |
Жаркий (+4. .+7) | Круглый год | 1,23 |
Не стоит менять концентрацию электролита вслед за каждым изменением погоды. Вполне достаточно оптимизировать состав жидкого реагента в начале лета и при наступлении зимы.
Как замерить
В первую очередь, надо полностью зарядить аккумулятор. Дальнейшая процедура должна проводиться при температуре +22..+28 градусов, поэтому батарею надо выдержать в комнате с такими условиями хотя бы час. На практике идеальные кондиции бывают не всегда, поэтому во многих случаях придется брать поправку на температуру – с ее ростом плотность снижается (при неизменной концентрации), а с падением – увеличивается. Поправку можно взять из таблицы.
| Температура жидкого реагента, град.С | Поправка к показаниям прибора, г/куб.см. |
|---|---|
| -25..-11 | +0,03 |
| -10..+4 | +0,02 |
| +5..+19 | +0,01 |
| +20..+30 | 0 |
+31. .+45 | -0,01 |
| +45 и выше | -0,02 |
Для замера плотности используется специальный прибор – ареометр. Подойдет любой, позволяющий измерить плотность более 1 г/куб.см, но лучше применять специальный для автомобильного электролита. Его пределы измерения оставляют обычно 1,1..1,3 г/куб.см (с приемлемой для точного считывания шкалой), что закрывает практически все случаи, с которыми можно столкнуться на практике. Бытовой спиртометр не подойдет – большинство таких приборов рассчитаны на измерение плотности ниже 1 г/куб.см.
Современные ареометры совмещены с грушей для отбора проб (такой прибор еще называют денсиметром). Если ее нет, понадобится дополнительно резиновая груша и стакан из химически инертного материала. Сначала надо втянуть их банки достаточное количество электролита.
Забор электролита денсиметром из банки АКБ.Если прибор комбинированный, можно сразу считать по шкале измеряемое значение.
Если обычный – вылить из груши электролит в стакан и в нем произвести замер. Считывание показаний происходит по отметке, соответствующей уровню жидкости. Потом надо вернуть электролит обратно в банку аккумулятора.
Считывание показаний ареометра.
Как привести концентрацию к норме
Если концентрация электролита полностью заряженной АКБ отклоняется от нормы, ее надо скорректировать:
- если плотность выше нормы, добавляется дистиллированная вода;
- если ниже нормы – добавляется серная кислота (корректирующий электролит с повышенной плотностью).
Корректирующий электролит плотностью 1,34 г/куб.см.
Вода дистиллированная в емкости 1 литр.
Обычную водопроводную (даже родниковую) воду доливать в батарею нельзя из-за наличия примесей с непредсказуемым составом. Растворенные соли могут осесть на пластинах, уменьшив их полезную площадь, а другие вещества могут вызвать неконтролируемые реакции, снижающие емкость, токоотдачу и срок службы батареи.
Сколько надо добавлять воды или кислоты – можно определить расчетным путем. Но это игра для тех, кто не боится вычислений. В этом случае можно воспользоваться правилом креста (оно же конверт Пирсона). Для этого надо знать, как пересчитать плотность в концентрацию в процентах, объем в массу и т.п. Проще всего довести плотность до нормы опытным путем. Долить немного воды, перемешать (например, встряхнув батарею или подождав пару часов), затем замерить плотность еще раз. Если необходимо, снова добавить жидкости, сообразуясь с предыдущим изменением концентрации.
Доливать жидкость в банку удобно с помощью воронки или шприца.Также существуют необслуживаемые батареи.
В них операции с контролем электролита исключены. Но если АКБ обычной конструкции, то лучше следить за состоянием жидкого реагента, тогда аккумулятор прослужит долго и надежно.
Что такое аккумулятор с высокой плотностью энергии? | Батарея Понедельник
Плотность энергии батарей может отображаться двумя способами: гравиметрическая плотность энергии и объемная энергия плотность. Гравиметрическая плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержит батарея по отношению к ее весу. Это измерение обычно представлено в ватт-часах на килограмм ( Вт-ч / кг). Объемная плотность энергии, с другой стороны, сравнивается с его объемом и обычно выражается в ватт-часах на литр ( Вт-ч/л ). Как правило, мы называем плотность энергии батареи гравиметрической (весовой) плотностью энергии, а ватт-час является мерой электрической энергии, эквивалентной одному часу, одному ватту потребления.
Напротив, плотность мощности батареи является мерой того, насколько быстро может быть доставлена энергия, а не того, сколько доступной сохраненной энергии. Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.
Формула расчета
Плотность энергии батареи можно легко рассчитать по следующей формуле: Номинальное напряжение батареи (В) x Номинальная емкость батареи (Ач) / Вес батареи (кг) = Удельная энергия или плотность энергии (Втч/кг).
LiCo и LiFePO4 Плотность энергии аккумуляторов
Вообще говоря, батареи LiCo имеют плотность энергии 150-270 Втч/кг . Их катод состоит из оксида кобальта и типичного углеродного анода со слоистой структурой, которая перемещает ионы лития от анода к катоду и обратно. Этот аккумулятор популярен благодаря своей высокой плотности энергии и обычно используется в потребительских товарах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки.
Вывод
Что касается отдельного элемента, положительные и отрицательные материалы и процесс производства батареи будут влиять на плотность энергии, поэтому необходимо разработать более разумные материалы и лучшую технологию производства, чтобы получить более эффективную батарею. Grepow не только производит как LiCo, так и LiFe аккумуляторы, но мы также производим полутвердых аккумуляторов с высокой плотностью энергии
Это будет лучший выбор для моделей, которым требуется меньший вес и большая выносливость .Видео
Канал Battery Monday
Grepow’s Battery Monday Канал рассказывает об аккумуляторах и советах по аккумуляторам. Если у вас есть вопросы по этой теме ( Что такое батарея с высокой плотностью энергии? ) или у вас есть какие-либо вопросы, связанные с батареями, свяжитесь с нами по электронной почте
[email protected]. Официальный сайт Grepow: https://www.grepow.com/ Facebook: https://www.facebook.com/grepowbattery Grepow Linkedin: Аккумулятор Grepow
Литий-ионный аккумулятор — Институт чистой энергии
Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает? Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор представляет собой аккумулятор с передовой технологией, в которой ионы лития используются в качестве ключевого компонента его электрохимии.
Во время цикла разряда атомы лития в аноде ионизируются и отделяются от своих электронов. Ионы лития движутся от анода и проходят через электролит, пока не достигнут катода, где они рекомбинируют со своими электронами и электрически нейтрализуются. Ионы лития достаточно малы, чтобы проходить через микропроницаемый разделитель между анодом и катодом. Отчасти из-за небольшого размера лития (уступая только водороду и гелию) литий-ионные батареи способны иметь очень высокое напряжение и запас заряда на единицу массы и единицы объема.
Применение аккумуляторов
Математические модели эффективности батарей
Каковы некоторые преимущества литий-ионных батарей? По сравнению с другими высококачественными аккумуляторами (никель-кадмиевыми или никель-металлогидридными) литий-ионные аккумуляторы имеют ряд преимуществ. У них одна из самых высоких плотностей энергии среди аккумуляторных технологий на сегодняшний день (100-265 Втч/кг или 250-670 Втч/л). Кроме того, литий-ионные аккумуляторные элементы могут выдавать напряжение до 3,6 В, что в 3 раза выше, чем у таких технологий, как Ni-Cd или Ni-MH.
Это означает, что они могут обеспечивать большое количество тока для мощных приложений, в которых литий-ионные батареи также сравнительно просты в обслуживании и не требуют плановых циклов для продления срока службы батареи. Литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, пагубного процесса, при котором повторяющиеся циклы частичной разрядки/зарядки могут привести к тому, что аккумулятор «запомнит» более низкую емкость. Это преимущество как перед Ni-Cd, так и перед Ni-MH, которые проявляют этот эффект. Литий-ионные аккумуляторы также имеют низкую скорость саморазряда, составляющую около 1,5-2% в месяц. Они не содержат токсичного кадмия, что облегчает их утилизацию по сравнению с Ni-Cd батареями.
Благодаря этим преимуществам литий-ионные аккумуляторы вытеснили никель-кадмиевые аккумуляторы и заняли лидирующие позиции на рынке портативных электронных устройств (таких как смартфоны и ноутбуки). Литий-ионные батареи также используются для питания электрических систем в некоторых аэрокосмических приложениях, в частности, в новом и более экологичном Боинге 787, где вес является значительным фактором стоимости.
С точки зрения экологически чистой энергии большая часть перспектив литий-ионных технологий исходит из их потенциального применения в автомобилях с батарейным питанием. В настоящее время самые продаваемые электромобили Nissan Leaf и Tesla Model S используют литий-ионные аккумуляторы в качестве основного источника топлива.
Несмотря на свои технологические перспективы, литий-ионные аккумуляторы по-прежнему имеют ряд недостатков, особенно в отношении безопасности. Литий-ионные аккумуляторы имеют тенденцию к перегреву и могут быть повреждены при высоких напряжениях. В некоторых случаях это может привести к тепловому разгону и возгоранию. Это вызвало серьезные проблемы, в частности, остановку парка самолетов Boeing 787 после того, как поступили сообщения о возгорании бортовых батарей. Из-за рисков, связанных с этими батареями, ряд транспортных компаний отказываются выполнять массовые перевозки батарей самолетами.
Для литий-ионных аккумуляторов требуются защитные механизмы для ограничения напряжения и внутреннего давления, что в некоторых случаях может увеличить вес и ограничить производительность. Литий-ионные аккумуляторы также подвержены старению, а это означает, что они могут терять емкость и часто выходят из строя через несколько лет. Еще одним фактором, ограничивающим их широкое распространение, является их стоимость, которая примерно на 40% выше, чем у Ni-Cd. Решение этих проблем является ключевым компонентом текущих исследований в области технологии. Наконец, несмотря на высокую плотность энергии литий-ионных аккумуляторов по сравнению с другими типами аккумуляторов, они по-прежнему имеют примерно в сто раз меньшую плотность энергии, чем бензин (который содержит 12 700 Втч/кг по массе или 8760 Втч/л по объему).
Вклад CEI
Основные результаты исследований
Одним из способов, которым CEI работала для достижения этой цели, является прямая визуализация, в частности, с использованием рентгеновской спектроскопии.
Недавно в лаборатории профессора Джерри Зайдлера был разработан метод проведения рентгеновской спектроскопии ближней краевой структуры (XANES) на рабочем столе. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости вскрывать ее и, таким образом, нарушать работу системы. Раньше XANES можно было реализовать только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие установки стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким большим спросом среди ученых, что многомесячные списки ожидания становятся нормой. Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, проводимые на синхротроне. С помощью этого нового инструмента ученые могут получать результаты в течение нескольких часов без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки нестандартных технологий.
Еще один аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей внутреннего состояния аккумулятора. Это может помочь оптимизировать производительность батареи и циклы зарядки/разрядки, а также прогнозировать и предотвращать опасные отказы батареи. Профессор Венкат Субраманян, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления технологическими процессами для электрохимических систем (MAPLE), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью. Создав более эффективную, универсальную и точную модель технологии литий-ионных аккумуляторов, M.A.P.L.E. Исследования лаборатории могут помочь в разработке аккумуляторов более точно для более безопасной и эффективной работы.
Другие направления Большая часть текущих исследований CEI направлена на разработку способов лучшего понимания и управления важными внутренними состояниями литий-ионных аккумуляторов.
Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.
Еще одним важным направлением исследований CEI является разработка новых материалов для улучшения характеристик аккумуляторов. В центре внимания CEI находятся как наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных батареях, так и характеристика и дизайн наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до нанометра. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.
Кремний исследуется в качестве анодного материала, поскольку он может образовывать трехмерную клетку с большей способностью поглощать литий.
Узнать больше
- Веб-сайт, посвященный батареям и их повторному использованию, создан студентом REU Alek Lazarski «Мост чистой энергии» На веб-странице исследовательской группы
- Субраманиана есть актуальные публикации о прогнозирующем управлении нелинейными моделями для литий-ионных аккумуляторов и других электрохимических систем.
