Плотность электролита от температуры таблица: Таблица зависимости плотности электролита от уровня заряда и температуры

Заряд аккумулятора от температуры и плотности электролита: SOC

Температура электролита		Wet Low Maintenance (Sb/Ca) or Wet Standard (Sb/Sb)** батарея										Wet «Mainteneance Free» (Ca/Ca)*** или AGM/Gel Cell VRLA (Ca/Ca) батарея
		Значение плотности электролита					Значение напряжения разомкнутой цепи					Значение напряжения разомкнутой цепи
°F	°С	100% SoC*	75% SoC	50% SoC	25% SoC	0% SoC	100% SoC	75% SoC	50% SoC	25% SoC	0% SoC	100% SoC	75% SoC	50% SoC	25% SoC	0% SoC
120	48,9	1,249	1,209	1,174	1,139	1,104	12,663	12,463	12,253	12,073	11,903	12,813	12,613	12,413	12,013	11,813
110	43,3	1,253	1,213	1,178	1,143	1,108	12,661	12,461	12,251	12,071	11,901	12,811	12,611	12,411	12,011	11,811
100	37,8	1,257	1,217	1,182	1,147	1,112	12,658	12,458	12,248	12,068	11,898	12,808	12,608	12,408	12,008	11,808
90	32,2	1,261	1,221	1,186	1,151	1,116	12,655	12,455	12,245	12,065	11,895	12,805	12,605	12,405	12,005	11,805
80	26,7	1,265	1,225	1,19	1,155	1,12	12,65	12,45	12,24	12,06	11,89	12,8	12,6	12,4	12	11,8
70	21,1	1,269	1,229	1,194	1,159	1,124	12,643	12,443	12,233	12,053	11,883	12,793	12,593	12,393	11,993	11,793
60	15,6	1,273	1,233	1,198	1,163	1,128	12,634	12,434	12,224	12,044	11,874	12,784	12,584	12,384	11,984	11,784
50	10	1,277	1,237	1,202	1,167	1,132	12,622	12,422	12,212	12,032	11,862	12,772	12,572	12,372	11,972	11,772
40	4,4	1,281	1,241	1,206	1,171	1,136	12,606	12,406	12,196	12,016	11,846	12,756	12,556	12,356	11,956	11,756
30	-1,1	1,285	1,245	1,21	1,175	1,14	12,588	12,388	12,178	11,998	11,828	12,738	12,538	12,338	11,938	11,738
20	-6,7	1,289	1,249	1,214	1,179	1,144	12,566	12,366	12,156	11,976	11,806	12,716	12,516	12,316	11,916	11,716
10	-12,2	1,293	1,253	1,218	1,183	1,148	12,542	12,342	12,132	11,952	11,782	12,692	12,492	12,292	11,892	11,692
0	-17,8	1,297	1,257	1,222	1,187	1,152	12,516	12,316	12,106	11,926	11,756	12,666	12,466	12,266	11,866	11,666

*SOC = State of charge — уровень заряда аккумуляторной батареи
**Wet Low Maintenance (Sb/Ca) or Wet Standard (Sb/Sb): Сурьмянисто-кальциевые редкообслуживаемые батареи с электролитом и стандартные Сурьмянистые батареи с электролитом
***Wet «Mainteneance Free» (Ca/Ca): Кальциевые обслуживаемые батареи с электролитом

Скачать таблицу зависимости заряженности аккумулятора от температуры и плотности электролита (SOC) в PDF

Плотность электролита в аккумуляторе

Автомобильная батарея, известная как аккумулятор, отвечает за системы запуска, освещения и зажигания в машине. Как правило, автомобильные аккумуляторы являются свинцово-кислотными, состоят из гальванических элементов, обеспечивающих 12-вольтовую систему. Каждая из ячеек создает 2,1 В при полной зарядке. Плотность электролита – контролируемое свойство водно-кислотного раствора, обеспечивающее нормальную работу батарей.

Состав свинцово-кислотной батареи

Электролит свинцово-кислотной аккумуляторной батареи представляет собой раствор серной кислоты и дистиллированной воды. Удельный вес чистой серной кислоты составляет около 1,84 г/см³, и эту чистую кислоту разбавляют дистиллированной водой до тех пор, пока удельный вес раствора не станет равным 1,2-1,23 г/см³.

Хотя в некоторых случаях плотность электролита в аккумуляторе рекомендуется в зависимости от типа батареи, сезонного и климатического состояния. Удельный вес полностью заряженной батареи по промышленному стандарту в России — 1,25-1,27 г/см³ летом и для суровых зим- 1,27-1,29 г/см³.

Удельный вес электролита

Одним из основных параметров работы батареи является удельный вес электролита. Это отношение веса раствора (серной кислоты) к весу равного объема воды при определенной температуре. Обычно измеряется с помощью ареометра. Плотность электролита используется в качестве индикатора состояния заряда ячейки или батареи, однако не может характеризовать емкость аккумулятора. Во время разгрузки удельный вес уменьшается линейно.

Учитывая это, нужно уточнить размер допустимой плотности. Электролит в батарее не должен превышать 1,44 г/см³. Плотность может составлять от 1,07 до 1,3 г/см³. Температура смеси при этом будет составлять около +15 С.

Электролит повышенной плотности в чистом виде характеризуется довольно высокой величиной этого показателя. Его плотность составляет 1,6 г/см³.

Степень заряженности

При полностью заряженном стационарном режиме и при разряде измерение удельного веса электролита дает приблизительное указание на состояние заряда ячейки. Удельный вес = напряжение разомкнутой цепи — 0,845.

Пример: 2,13 В — 0,845 = 1,285 г/см³.

Удельный вес уменьшается при разрядке батареи до уровня, близкого к значению чистой воды, и увеличивается во время перезарядки. Аккумулятор считается полностью заряженным, когда плотность электролита в аккумуляторе достигает максимально возможного значения. Удельный вес зависит от температуры и количества электролита в ячейке. Когда электролит находится вблизи нижней отметки, удельный вес выше, чем номинальный, он падает, и воду добавляют в ячейку, чтобы довести электролит до требуемого уровня.

Объем электролита расширяется, когда температура поднимается, и сжимается с понижением температуры, что влияет на плотность или удельное значение силы тяжести. По мере расширения объема электролита показания снижаются и, наоборот, удельный вес увеличивается при более низких температурах.

Перед тем как поднять плотность электролита в аккумуляторе, необходимо выполнить замеры и расчеты. Удельный вес для батареи определяется приложением, в котором он будет использоваться, с учетом рабочей температуры и срока службы батареи.

% Серная кислота	% Вода	Удельный вес (20 ° С)
37,52	62,48	1,285
48	52	1,380
50	50	1,400
60	40	+1,500
68,74	31,26	1,600
70	30	1,616
77,67	22,33	1,705
93	7	1,835

Химическая реакция в аккумуляторах

Как только нагрузка подключается через клеммы аккумулятора, разрядный ток начинает течь через нагрузку, и аккумулятор начинает разряжаться. Во время процесса разрядки кислотность раствора электролита уменьшается и приводит к образованию сульфатных отложений как на положительных, так и на отрицательных пластинах. В этом процессе разряда количество воды в растворе электролита увеличивается, что уменьшает его удельный вес.

Ячейки аккумуляторной батареи могут быть разряжены до заданного минимального напряжения и удельного веса. Полностью заряженная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея имеет напряжение и удельный вес, 2,2 В и 1,250 г/см³ соответственно, и эта ячейка обычно может разряжаться до тех пор, пока соответствующие значения не достигнут 1,8 В и 1,1 г/см³.

Состав электролита

Электролит содержит смесь серной кислоты и дистиллированной воды. Данные не будут точными при замерах, если водитель только что добавил воду. Нужно подождать некоторое время, чтобы свежая вода успела смешаться с существующим раствором. Перед тем как поднять плотность электролита, нужно помнить: чем больше концентрация серной кислоты, тем плотнее становится электролит. Чем выше плотность, тем выше уровень заряда.

Для раствора электролита наилучшим выбором является дистиллированная вода. Это минимизирует возможные загрязнения в растворе. Некоторые загрязняющие вещества могут вызывать реакцию с ионами электролита. Например, если смешивать раствор с солями NaCl, получится осадок, что изменит качество раствора.

Влияние температуры на емкость

Какая плотность электролита — это будет зависеть от температуры внутри батарей. Руководство пользователя для конкретных батарей уточняет, какая коррекция должна применяться. Например, в руководстве Surrette/Rolls для температур в диапазоне от -17,8 до -54,4^оC при температуре ниже 21^оC, снимается 0,04 для каждых 6 градусов.

Многие инверторы или контроллеры заряда имеют датчик температуры батареи, который прикрепляется к аккумулятору. У них обычно есть ЖК-дисплей. Указание инфракрасного термометра также даст необходимую информацию.

Прибор для измерения плотности

Ареометр плотности электролита используется для измерения удельного веса раствора электролита в каждой ячейке. Кислотная аккумуляторная батарея полностью заряжена с удельным весом 1,255 г/см³ при 26^оС. Удельный вес — это измерение жидкости, которая сравнивается с базовой. Это вода, которой присваивается базовое число 1.000 г/см³.

Концентрация серной кислоты в воде в новой аккумуляторной батарее составляет 1.280 г/см³, это означает, что электролит весит в 1.280 г/см³ раз больше веса того же объема воды. Полностью заряженная батарея будет тестироваться на уровне до 1.280 г/см³, в то время как разряженная будет учитываться в диапазоне от 1.100 г/см³.

Процедура проверки ареометром

Температура считывания ареометра должна быть скорректирована до температуры 27^оC, особенно в отношении плотности электролита зимой. Высококачественные ареометры оснащены внутренним термометром, который будет измерять температуру электролита, и включают шкалу преобразования для коррекции показаний поплавка. Важно признать, что температура значительно отличается от показателей окружающей среды, если автомобиль эксплуатируется. Порядок измерения:

1. Несколько раз набрать резиновой грушей электролит в ареометр, чтобы термометр мог отрегулировать температуру электролита и замерить показания.
2. Изучить цвет электролита. Коричневая или серая окраска указывает на проблему с батареей и является признаком того, что она приближается к концу своего срока службы.
3. Набрать минимальное количество электролита в ареометр, чтобы поплавок свободно плавал без контакта с верхней или нижней частью измерительного цилиндра.
4. Удерживать ареометр в вертикальном положении на уровне глаз и обратить внимание на показания, где электролит соответствует шкале на поплавке.
5. Добавить или вычесть 0,004 доли единицы для показаний на каждые 6^оC, при температуре электролита выше или ниже 27^оC.
6. Отрегулировать показания, например, если удельный вес 1.250 г/см³, а температура электролита составляет 32^оC, значение 1.250 г/см³ дает скорректированное значение 1.254 г/см³. Аналогично, если температура составляла 21^оC, вычесть значение 1.246 г/см³. Четыре балла (0.004) от 1.250 г/см³.
7. Протестировать каждую ячейку и отметить показания, скорректированные до 27^оC, перед тем как проверить плотность электролита.

Примеры измерения заряда

Пример 1:

1. Показания ареометра — 1.333 г/см³.
2. Температура 17 градусов, что на 10 градусов ниже рекомендуемого.
3. Вычитаем 0,007 с 1,333 г/см³.
4. Результат равен 1.263 г/см³, поэтому состояние заряда составляет около 100 процентов.

Пример 2:

1. Данные плотности — 1,178 г/см³.
2. Температура электролита — 43 градусов С, что на 16 градусов больше нормы.
3. Добавляем 0,016 до 1,178 г/см³.
4. Результат равен 1,194 г/см³, зарядка 50 процентов.

СОСТОЯНИЕ ЗАРЯДА	УДЕЛЬНЫЙ ВЕС г / см3
100%	1,265
75%	1,225
50%	1,190
25%	1,155
0%	1,120

Таблица плотности электролита

Нижеследующая таблица температурной коррекции является одним из способов объяснить резкие изменения значений плотности электролита при различных температурах.

Чтобы использовать эту таблицу, нужно знать температуру электролита. Если измерение по каким-то причинам невозможно, то лучше использовать температуру окружающего воздуха.

Таблица плотности электролита приводится ниже. Это данные в зависимости от температуры:

%	100	75	50	25	0
-18	1,297	1,257	1,222	1,187	1,152
-12	1,293	1,253	1,218	1,183	1,148
-6	1,289	1,249	1,214	1,179	1,144
-1	1,285	1,245	1,21	1,175	1,14
4	1,281	1,241	1,206	1,171	1,136
10	1,277	1,237	1,202	1,167	1,132
16	1,273	1,233	1,198	1,163	1,128
22	1,269	1,229	1,194	1,159	1,124
27	1,265	1,225	1,19	1,155	1,12
32	1,261	1,221	1,186	1,151	1,116
38	1,257	1,217	1,182	1,147	1,112
43	1,253	1,213	1,178	1,143	1,108
49	1,249	1,209	1,174	1,139	1,104
54	1,245	1,205	1,17	1,135	1,1

Как видно из этой таблицы, плотность электролита в аккумуляторе зимой намного выше, чем в теплое время года.

Техническое обслуживание аккумуляторной батареи

Эти батареи содержат серную кислоту. При работе с ними всегда нужно использовать защитные очки и резиновые перчатки.

Если ячейки перегружены, физические свойства сульфата свинца постепенно изменяются, и они разрушаются, из-за чего нарушается процесс зарядки. Следовательно, плотность электролита уменьшается из-за низкой скорости химической реакции.

Качество серной кислоты должно быть высоким. В противном случае батарея может быстро стать неработоспособной. Низкий уровень электролита помогает высушить внутренние пластины устройства, после чего будет невозможно восстановить аккумулятор.

Сульфированные батареи можно легко распознать, просмотрев измененный цвет пластин. Цвет сульфатированной пластины становится светлее, а его поверхность становится желтой. Такие ячейки и демонстрируют снижение мощности. Если сульфирование происходит в течение длительного времени, наступают необратимые процессы.

Чтобы избежать этой ситуации, рекомендуется заряжать свинцово-кислотные аккумуляторные батареи в течение длительного времени при низкой скорости зарядного тока.

Всегда существует высокая вероятность повреждения клеммных колодок батарейных ячеек. Коррозия в основном поражает болтовые соединение между ячейками. Этого можно легко избежать, если обеспечить герметичность каждого болта с покрытием тонким слоем специальной смазки.

Во время зарядки аккумулятора существует высокая вероятность кислотного распыления и газов. Они могут загрязнять атмосферу вокруг батареи. Следовательно, около батарейного отсека нужна хорошая вентиляция.

Эти газы взрывоопасны, следовательно, открытое пламя не должно попадать внутрь пространства, где заряжаются свинцовые аккумуляторы.

Чтобы предотвратить взрыв батареи, который может привести к серьезным травмам или смерти, нельзя вставлять металлический термометр в аккумулятор. Нужно использовать ареометр со встроенным термометром, который предназначен для тестирования батарей.

Срок службы источника тока

Производительность батареи ухудшается с течением времени, независимо от того, используется она или нет, она также ухудшается при частых циклах заряда-разряда. Срок службы — это время, когда неактивная батарея может быть сохранена до того, как она станет непригодной для применения. Обычно считается, что это около 80% от ее первоначальной емкости.

Существует несколько факторов, которые существенно влияют на срок службы батареи:

1. Циклическая жизнь. Время автономной работы определяется в основном циклами использования батареи. Обычно срок службы от 300 до 700 циклов при нормальном использовании.
2. Эффект глубины разряда (DOD). Отказ от более высокой производительности приведет к сокращению жизненного цикла.
3. Температурный эффект. Это является основным фактором производительности батареи, срока годности, зарядки и контроля напряжения. При более высоких температурах в батарее происходит большая химическая активность, чем при более низких температурах. Для большинства батарей рекомендуется использовать температурный диапазон -17 до 35^оС.
4. Напряжение и скорость перезарядки. Все свинцово-кислотные батареи выделяют водород из отрицательной пластины и кислород из положительной во время зарядки. Аккумулятор может хранить только определенное количество электроэнергии. Как правило, батарея заряжается на 90% за 60% времени. А 10% оставшегося объема батареи заряжается около 40% общего времени.

Хорошее время жизни батарей — от 500 до 1200 циклов. Фактический процесс старения приводит к постепенному снижению емкости. Когда ячейка достигает определенного срока службы, она не перестает работать внезапно, этот процесс растянут во времени, за ним нужно следить, чтобы своевременно подготовиться к замене аккумулятора.

Электролит свинцово-кислотной аккумуляторной батареи.

Электролит



Для работы свинцово-кислотной аккумуляторной батареи необходим электролит – водный раствор серной кислоты, обладающий высокой ионной проводимостью. При погружении электродов аккумулятора в электролит и подключении к выводам электродов внешней нагрузки начинаются электрохимические реакции, описанные в предыдущей статье.

Электролит для заливки в 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 ускоряется саморазрядка, сульфатация и разрушение пластин, и уменьшается емкость батареи.

При приготовлении электролита кислоту льют тонкой струйкой в воду, одновременно помешивая раствор чистой стеклянной палочкой. Нельзя наливать воду в кислоту, так как при этом выделяется большое количество тепла в верхних слоях раствора, и электролит будет разбрызгиваться из емкости и при попадании на тело может вызвать ожоги.

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

Количество дистиллированной воды, серной кислоты или электролита при приготовлении 1 литра электролита необходимой плотности приведены в таблице 1.

Таблица 1. Количество дистиллированной воды, серной кислоты или электролита плотностью 1,4 г/см³ для приготовления 1 л электролита необходимой плотности при температуре 25 ˚С, л

Плотность электролита	Для серной кислоты плотностью 1,83 г/см3		Для электролита плотностью 1,4 г/см3
	дистиллированная вода	серная кислота	дистиллированная вода	электролит
1,23	0,829	0,231	0,465	0,549
1,25	0,809	0,253	0,410	0,601
1,27	0,791	0,274	0,357	0,652
1,31	0,749	0,319	0,246	0,760
1,40	0,650	0,423	0	1

Плотность электролита определяют с помощью денсиметра или ареометра.

Новые аккумуляторные батареи заливают электролитом плотностью на 0,02 г/см³ меньше той, которая должна быть в конце зарядки.

***

Плотность электролита

Плотность электролита, как и любого другого вещества, определяется отношением массы к занимаемому этой массой объему. Для электролита плотность измеряется в граммах на кубический сантиметр (г/см³).
Поскольку плотность дистиллированной воды равна 1 г/см³, а серная кислота тяжелее воды (ее плотность при +20 ˚С составляет: 1,8312-1,8355 г/см³), то с добавлением серной кислоты в воду плотность электролита будет возрастать, а при добавлении в раствор (электролит) воды, его плотность будет уменьшаться. По этим же причинам плотность будет уменьшаться при сульфатации пластин и при сильной разрядке батареи, а увеличивается при испарении воды (например, в процессе интенсивной зарядки).



При понижении плотности электролита возрастает внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи и уменьшается ее емкость. В морозное время года чрезмерное снижение плотности может привести к замерзанию электролита.

Повышение плотности электролита приводит к интенсивному разрушению пластин и их сульфатации, что снижает емкость аккумулятора и уменьшает срок его службы. Следует учитывать, что плотность электролита в аккумуляторах (банках) аккумуляторной батареи не должна отличаться более чем на 0,01 г/см³. В противном случае батарею необходимо полностью зарядить и произвести корректирование плотности электролита.
Если плотность выше нормы — доливают дистиллированную воду, если ниже — электролит плотностью

1,4 г/см³ (электролит можно доливать лишь в полностью заряженную аккумуляторную батарею). Корректировку плотности доливкой производят после предварительного отбора из аккумуляторов нужного количества электролита. После этого аккумуляторную батарею заряжают в течение 25…30 мин для полного перемешивания электролита и снова измеряют его плотность.

В процессе эксплуатации необходимо следить за состоянием аккумуляторной батареи. При нормальных эксплуатационных параметрах плотность электролита в аккумуляторах батареи является индикатором степени их разрядки. Снижение плотности электролита на 0,01 г/см³ соответствует разрядке аккумулятора на 6 %.
Если появляется необходимость в частой подзарядке батареи, следует выяснить причину и ее устранить, поскольку систематическая недозарядка аккумуляторной батареи значительной сокращает срок ее службы и отрицательно сказывается на пусковых качествах двигателя.

***

Определение степени зарядки аккумуляторной батареи

Степень зарядки аккумуляторной батареи проверяют измерением плотности электролита, приведенной к температуре +25 ˚С. В зависимости от климатических условий эксплуатации автомобиля и времени года используется электролит разной плотности (таблица 2).

Таблица 2. Плотность электролита в зависимости от климатических условий и времени года

Макрокли- матический район	Климатический район (ГОСТ 16350-80)	Средне- месячная температура воздуха в январе, ˚С	Время года	Плотность электролита приведенная к температуре +25 ˚С, г/см3
				Для новой аккумуляторной батареи	Для заряженной аккумуляторной батареи
Холодный	Очень холодный	от -50 до -30	Зима	1,28	1,30
			Лето	1,24	1,26
	Холодный	от -30 до -15	Круглый год	1,26	1,28
Умеренный	Умеренный	от -15 до -3	Круглый год	1,24	1,26
	Жаркий сухой	от -15 до +4		1,22	1,24
	Теплый влажный	0 до +4		1,20	1,22

При определении плотности электролита необходимо учитывать его температуру, применяя соответствующие поправки, приведенные в таблице 3.

Таблица 3. Поправки при измерении плотности электролита (г/см³) в зависимости от его температуры

Температура электролита, ˚С	+45	+30	+15	0	-30	-15	-45
Поправка плотности	+0,02	+0,01	0	-0,01	-0,02	-0,03	-0,04

***

Проверка уровня электролита

Одним из важнейших условий надежной работы аккумуляторной батареи является поддержание необходимого уровня электролита в ее элементах. Уровень электролита в каждой секции моноблока (банках) должен быть на 10…15 мм выше предохранительного щитка, установленного над сепараторами.

Для облегчения контроля уровня электролита у заливных горловин аккумуляторных батарей снизу имеются указатели – тубусы, входящие внутрь аккумуляторной батареи. Нижний срез тубуса находится на требуемом расстоянии от поверхности предохранительного щитка. Уровень электролита считается достаточным, если поверхность электролита касается нижнего торца тубуса горловины. При этом на поверхности электролита образуется четко видимый мениск. Если уровень электролита ниже указанного из-за выплескивания, следует долить дистиллированной воды.

Проверять уровень электролита рекомендуется на остывшей заряженной аккумуляторной батарее или после длительной поездки, так как в этом случае происходит «кипение» электролита, повышение его температуры и испарение дистиллированной воды.

В случае превышения уровня электролита в банках аккумуляторной батареи его следует уменьшить с помощью резиновой груши, так как выплескивание может привести к интенсивной коррозии деталей крепления и к окислению проводов.

***

Типы автомобильных аккумуляторов



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Зависимость плотности электролита от степени разряженности батареи

Таблица 2

Плотность электролита полностью заряженной батареи, г/см3	Плотность электролита, г/см3,при степени разреженности батареи,%		плотность электролита полностью заряженной батареи,г/см3	Плотность электролита, г/см3,при степени разреженности батареи,%
	25	50		25	50
1,30 1,28 1,26	1,26 1,24 1,22	1,22 1,20 1,18	1,24 1,22	1,20 1,18	1,16 1,14

Аккумуляторные батареи, степень разреженности которых больше 50 % летом и 25 % зимой, необходимо снять с эксплуатации и зарядить в стационарных усло­вия х

Проверка технического состояния. Техническое состояние ак­кумуляторных батарей оценивают с помощью нагрузочной вилки ЛЭ-2 или аккумуляторного пробника Э-107. Нагрузочная вилка ЛЭ-2 (рис. 9 , а) позволяет определять напряжение каждого аккумулятора под нагрузкой. Нагрузочные резисторы 5 и 6 установлены между контактными ножками 4. Резистор сопротив­лением 0,01—0,012 Ом включают при проверке батарей емкостью 75—105 А•ч силой ‘ тока до 160 А. Резистор сопротивлением 0,018—0,02 Ом работает при контроле состояния батарей емкостью 45—60 А• ч, пропуская ток силой до 100 А. При одновременном подключении резисторов гайками 3 может быть обеспечена сила тока до 260 А для аккумуляторных батарей емкостью 105— 132 А•ч.

21

При измерении напряжения контактные ножки плотно при­жимают к выводам аккумулятора, и через 5 с регистрируют показания вольтметра. Напряжение на выводах исправного акку­мулятора должно быть в пределах 1,7—1,8 В. При снижении напряжения до 1.4 — 1,7 В батарею следует подзарядить. Если напряжение хотя бы одного аккумулятора отличается от напря­жения других аккумуляторов на 0,1 В или падает ниже 1,4 В, батарею требуется зарядить в стационарных условиях или от­ремонтировать. Напряжение под нагрузкой у аккумуляторных батарей с общей крышкой емкостью до 190 А•ч измеряют с по­мощью пробника Э-107 (рис. 3 , б), у которого одна контактная ножка заменена щупом 9. ЭДС аккумуляторной батареи опре­деляется при отвернутых контактных гайках 3.

В настоящее время вместо нагрузочной вилки ЛЭ-2 исполь­зуют пробник Э-108, унифицированный с пробником Э-107. Пробник Э-108 в отличие от Э-107 имеет вольтметр с двусторонней шкалой (что позволяет проводить измерения, не соблюдая поляр­ности), три нагрузочных резистора и две контактные гайки. Различное включение резисторов позволяет проверять отдельные аккумуляторы батарей емкостью 45—105, 105—150 и 150— 190 А•ч.

Прибор ЛЭ-ЗМ (рис. 9, в) используют как диагностический для определения напряжения аккумуляторов батареи при на­грузке, близкой к стартерной. Прибор позволяет, меняя положе­ние переключателя 17 вольтметра, измерять напряжение на вы­водах трех аккумуляторов батареи.

Более точно техническое состояние аккумуляторной батареи определяют по фактической емкости 20-часового разряда и про­должительности стартерного разряда при температуре (25 ± 2) °С.

22

Неисправности аккумуляторных батарей.

Неисправности, при­чины их возникновения и способы устранения приведены ниже. К неисправностям аккумуляторных батарей, возникающим в эксплуатации, относятся окисление выводов и наконечников проводов, нарушение герметичности, ускоренный саморазряд, сульфитация, короткое замыкание и преждевременное разрушение электродов.

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

Изменение объема электродов при заряде и разряде приводит к отделению активной массы от решеток и оседанию ее на дне моноблока. Деформирование и разрушение электродов проис­ходят интенсивнее при коротких замыканиях и длительных включениях стартера. Положительные электроды окисляются кислородом и быстро разрушаются при перезарядах батареи.

В связи с естественным износом электродов, коррозией реше­ток и выпадением активной массы положительных электродов, уплотнением активной массы отрицательных электродов проис­ходит постепенное снижение емкости аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея снимается с эксплуатации при сниже­нии емкости до 40 % номинальной или уменьшении продолжи­тельности стартерного разряда при температуре

(25 ± 2) °С до 1,5 мин.

Минимальный срок службы батарей обычной конструкции и с общей крышкой в эксплуатации должен составлять 1 год при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 150 тыс. км пробега или 2 года при наработке транспортного средства в пределах этого срока не более 90 тыс. км пробега.

23

Причина неисправности	Способ устранения
Аккумуляторная батарея не обеспечивает достаточной частоты вращения коленчатого электростартером вала
Повышенное падение напряжения в цепи питания стартера Разряд батареи ниже допустимого уровня Неисправность одного или нескольких аккумуляторов Ускоренный саморазряд батареи вследствие попадания электролита на поверхность батареи	Очистить выводы батареи и наконечники проводов, подтянуть креплениние наконечников проводов на выводах батареи и смазать их техническим вазелином Зарядить батарею,при необходимости проверить исправность генераторной установки Сдать батарею в ремонт Протереть батарею сухой тряпкой, а затем тряпкой смоченной 10%-ным раствором нашатырного спирта или кальцинированной соды. Разрядить батарею током 10-часового режима до напряжения одного из аккумуляторов 1.1-1.2 В. Электролит вылить, батарею промыть, залить в неё свежий электролит и зарядить.
Быстрое понижение уровня электролита
Повреждение моноблока батареи. Повышение зарядного напряжения	Сдать батарею в ремонт Проверить регулятор напряжении , при необходимости отрегулировать.
Разряженная батарея плохо заряжается (быстро повышается напряжение и температура электролита, начинаеться обильное газовыделение)
Сульфатация электролита	Восстановить батарею с сульфатированными электродами зарядно-разрядным циклом при силе тока менее 0.05С20 (А) в случае начальной плотности 1.12-1.14 г/см3. При значительной сульфатации электродов батарею сдать в ремонт.
Выплескивание электролита из вентиляционных отверстий во время заряда
Повышение уровня электролита Повышение силы зарядного тока Короткое замыкание пластин в аккумуляторе	Удалить излишки электролита резиновой грушей Проверить регулятор напряжения, при необходимости отрегулировать Сдать батарею в ремонт

Минимальный срок службы необслуживаемых батарей в эксплу­атации должен быть равен 3 годам при наработке транспортного средства не более 100 тыс. км пробега.

Минимальный срок сохраняемости не залитой электролитом батареи должен составлять 3 года. Сухозаряженность должна сохраняться не менее 1 года. Для необслуживаемых батарей, залитых электролитом, устанавливается срок сохраняемости 2 года при условии промежуточного заряда в пределах минималь­ного срока службы.

ЗАРЯД БАТАРЕИ:

1. Присоедините положительный вывод батареи к положительному полюсу источника тока, а отрицательный — к от­рицательному.

2. Включите батареи на заряд, если температура элек­тролита в них не выше 30°С в холодной и умеренной зонах и не выше 35°С в жаркой и теплой влажной зонах.

3. Ток заряда должен соответствовать данным табл. 4.

4. Заряд батарей ведите до тех пор, пока не наступит обильное газовыделение во всех аккумуляторах батареи, а напряжение и плотность электролита останутся постоянными в течение 2 ч. Напряжение контролируйте вольтметром класса точности 1,0 со шкалой на ЗВ с ценой деления 0,02 В, для батареи со скрытыми перемычками — вольтметром со шкалой на 30 В с ценой деления 0,2 В.

5. Во время заряда периодически проверяйте температу­ру электролита и следите за тем, чтобы она не поднима­лась выше 45.°С в холодной и умеренной климатических зо­нах и выше 50^сС в условиях жаркой и теплой влажной зон, В случае, если температура окажется выше упомянутых зна­чений, следует уменьшить зарядный ток наполовину или пре­рвать заряд на время, необходимое для снижения темпера­туры до 30—35°С.

6. В конце заряда, если плотность электролита, замерен­ная с учетом температурной поправки по табл.1, будет отли­чаться от нормы, указанной в табл. (графа 4), произведите корректировку плотности электролита доливкой дистиллиро­ванной воды в случаях, когда плотность выше нормы и доливкой раствора кислоты плотностью 1,400 г/см³, когда она ниже нормы.

После корректировки электролита водой или раствором кислоты продолжите заряд в течение 30 мин. для полного перемешивания электролита

По окончании корректировки плотности электролита бата­реи выключите с заряда, дайте постоять еще 30 мин. без тока.

Затем произведите замер уровня электролита во всех ак­кумуляторах батареи. Если уровень электролита окажется, ни же нормы, в аккумулятор добавьте электролит такой же плотности, какая указана в табл. t (графа 4), при уровне электролита выше нормы отберите избыток электро­лита резиновой грушей. После заряда батареи сдаются в эксплуатацию.

Плотность электролита в аккумуляторе зимой и летом

Любой водитель иногда сталкивается с проблемой неожиданно севшей АКБ, однако, мало, кто знает, что причиной этого явления чаще всего является недостаточная плотность электролита.

Стоит отметить, что сразу же после приобретения новой батареи плотность субстанции до первой зарядки составляет не менее, чем то, которое установил производитель для конкретной климатической полосы в стране.

Необходимо обращать внимание на этот показатель, поскольку  плотность напрямую зависит от определенной температуры, как и моторное масло.

Так АКБ, плотность электролита которой высока, легко эксплуатируется при самых сильных морозах, что позволяет сохранить нормальный заряд и уверенный запуск мотора.

При этом, если плотность субстанции в аккумуляторе низкая, то применять ее в холодном климате не представится возможным, поскольку это грозит:

• плохой запуск в условиях морозной зимы;
• стабильным недозарядом АКБ, что понижает срок ее эксплуатации.

Как правильно замерить плотность электролита

Замер плотности электролита

Стоит понять, что в процессе использования аккумуляторной батареи меняется  плотность и объем электролита, а эти параметры придется контролировать собственноручно. Для того, чтобы замерить плотность электролита аккумулятора следует:

• измерять ее только на 100% заряженной АКБ;
• нельзя снимать аккумулятор с авто или выключать зажигание;
• перед проверкой обязательно корректируется уровень электролита;
• добавить в электролит воду, чтобы его объем был нормальным;
• зарядка аккумулятора производится в течение всей ночи, но только небольшим током;
• после того, как термин зарядки окончился, АКБ следует отключить от зарядного устройства и оставить его для отдыха;
• после отстоя в шесть часов производят измерение плотности электролита, поскольку этот показатель будет самым точным;
• проверять плотность субстанции следует не реже, чем одного раза в три месяца, однако, исключительно с замерами выводного напряжения;
• для того, чтобы измерить плотность, стоит демонтировать, очистить и осмотреть АКБ;
• после этого взять прибор для измерения уровня электролита и полую трубочку из стекла;
• измерения проводятся только после установки аккумулятора на ровную поверхность и вывертывания его банок;
• полая трубка опускается одним концом в баночку, а второй кончик зажимается одним из пальцев, после чего прибор осматривается на уровень электролита (норма – 12 или 15 сантиметров).

Понять в норме ли плотность субстанции поможет только лишь таблица плотности электролита в аккумуляторе при различных температурах и степени зарядки, приведенная ниже.

Степень зарядки	Темпера	тура
	Выше 25 градусов	Ниже 25 градусов
Зарядка на 100%	1.210 – 1.230	1.270 -1.290
Заряженная на 70%	1.170 — 1.190	1.230 – 1.250
Полностью разряженная	1.050 – 1.070	1.110 – 1.130

Мифы о зимней и летней плотности электролита

Профессионалы указывают на то, что плотность электролита в аккумуляторе согласно таблице зимой и летом практически неизменна. Ни в одном автомобильном магазине человеку не продадут АКБ с электролитом для зимнего или летнего периода.

Электролит плотностью в 1.27 или 1.28

В наши дни практически во всех аккумуляторах для всех регионов России применяется электролит плотностью в 1.27 или 1.28 грамм на кубический сантиметр. Самостоятельно корректировку электролита проводить категорически запрещено, поскольку это может вывести из строя даже новую рабочую АКБ. Как правило, повысить плотность электролита в аккумуляторе зимой или летом смогут только специалисты по ремонту данного агрегата и то только при его восстановлении.

Таблица плотности электролита в аккумуляторе позволяет понять в рабочем ли состоянии находится АКБ или же реанимировать ее не получится. Согласно данным таблицы можно понять, что плотность электролита 1.27 не позволит субстанции замерзнуть, пока температура не опустится до шестидесяти градусов, что в условиях российской зимы маловероятно.

В том случае, если сильно повысить плотность электролита летом или зимой, среда станет невероятно агрессивной, а значит, мгновенно выходят из строя пластины АКБ. Категорически запрещено в том случае, если показатели слегка больше или меньше, указанных в таблице, доливать электролит зимой, а дистиллированную воду летом.

Как повысить плотность электролита в домашних условиях

Для того, чтобы нормализировать плотность электролита до данных, указанных в таблице, зачастую достаточно будет просто зарядить аккумуляторную батарею. При этом слишком уж повышенная плотность электролита негативно будет влиять на состояние АКБ.

Перед тем, как повышать уровень плотности электролита до нормального уровня зимой или летом следует проделать простые манипуляции, чтобы повышенная плотность не повысилась еще больше, как это показано на видео:

• приготовить таблицу значений для определенной АКБ при использовании ее в конкретном российском регионе;
• взять ареометр и выдавить из груши воздух;
• погрузить наконечник прибора в банку № 1 и набрать немного субстанции в него;
• пождать несколько секунд и приступить к оцениванию результата, понимая, что он будет одинаковым летом и в зимнюю пору года.

При этом повышенная плотность будет определяться красным цветом индикатора, нормальная – зеленым. Потом стоит проделать вышеуказанные процедуры со второй банкой аккумуляторной батареи автотранспортного средства, чтобы определить повышенная или нет плотность электролита в ней.

Если же автомобилист все-таки собрался повысить плотность электролита в АКБ, ему придется по старинке разбавлять его дистиллированной водой. Однако в целях соблюдения мер безопасности вода наливается в емкость, куда тонкой струйкой понемногу добавляется кислота. Иначе, может произойти взрыв, поэтому обязательно следует надевать очки и резиновые перчатки.

Таблица плотности электролита

Чтобы исключить повышенную плотность, после доливки смеси аккумуляторную батарею следует подзарядить в течение тридцати минут для перемешивания.

Проблемы с электролитом связаны с тем, что при работе аккумулятора, он нагревается, а дистиллированная вода из него быстро испаряется.

Стоит отметить, что для получения самых точных результатов прибор следует промывать не проточной, а дистиллированной водой сразу же после применения. Неисправный ареометр может привести к неправильным результатам, а манипуляции с ним приведут к поломке аккумулятора.

Когда после всех процедур плотность электролита АКБ не приходит в норму, то его следует поменять в определенном объеме, иначе аккумулятор попросту выйдет из строя окончательно.

Плотность электролита в аккумуляторе (АКБ)

Концентрация серной кислоты в электролите характеризуется плотностью электролита. Плотность любой жидкости определяется как отношение ее удельного веса к удельному весу воды. Иными словами, чем удельный вес вещества (жидкости) больше, тем выше ее плотность. Эталоном плотности выбрана дистиллированная вода, плотность которой принята равной 1,000 при температуре 80°Ф (27°С). Плотность чистой серной кислоты составляет 1,835. Нормальная концентрация водного раствора серной кислоты (раствора, состоящего на 64% из воды и на 36% из серной кислоты, называемого электролитом) характеризуется плотностью электролита в пределах от 1,260 до 1,280 при температуре 80°Ф (27°С). Чем выше плотность электролита в аккумуляторной батарее, тем выше степень ее заряженности.

Рис. В процессе разряда аккумуляторной батареи плотность электролита снижается

Индикаторы степени заряженности аккумулятора

Некоторые типы аккумуляторных батарей оснащены встроенным индикатором степени заряженности. Такой индикатор представляет собой просто небольшой ареометр шарикового типа, вмонтированный в одну из ячеек аккумуляторной батареи. В этом ареометре используется пластмассовый шарик, который всплывает в электролите нормальной плотности (когда аккумулятор заряжен примерно на 65%). Когда шарик всплывает, он появляется в окошке ареометра, изменяя его цвет.

Рис. Типичный индикатор степени заряженности аккумуляторной батареи. При низкой плотности электролита (разряженная аккумуляторная батарея) шарик-поплавок тонет, соскальзывая с отражательной призмы. При достаточной степени заряженности аккумуляторной батареи шарик всплывает, и его цвет (обычно зеленый) приводит к изменению света, отражаемого призмой в сторону окошка индикатора, — оно темнеет

Рис. Аккумуляторная батарея с частично удаленным корпусом, в котором виден вмонтированный индикатор степени заряженности аккумулятора. Если уровень электролита опускается ниже дна призмы, окошко индикатора становится прозрачным (светлым). Производители аккумуляторных батарей предупреждают о том, что в случае снижения уровня электролита в герметизированной аккумуляторной батарее, такая аккумуляторная батарея подлежит немедленной замене. Попытка зарядить аккумуляторную батарею, имеющую недостаточный уровень электролита, может привести к скоплению в ней газов и закончиться взрывом аккумуляторной батареи

Поскольку ареометр контролирует плотность электролита только в одной из ячеек аккумуляторной батареи (а в 12-вольтовой аккумуляторной батарее их — шесть), и поскольку шарик ареометра может легко застрять в одном положении, полагаться на его показания, как на достоверную информацию о степени заряженности аккумуляторной батареи, не следует.

Связь между плотностью электролита, степенью заряженности и напряжением аккумуляторной батареи

Ниже в таблице приведены значения плотности электролита и соответствующие им значения степени заряженности и напряжения аккумуляторной батареи при температуре 80°Ф (27°С).

Плотность электролита	Степень заряженности аккумуляторной батареи	Напряжение аккумуляторной батареи (В)
1,265	Полностью заряжена	Не ниже 12,6
1,225	Заряжена на 75%	12,04
1,19	Заряжена на 50%	12,2
1.155	Заряжена на 25%	12
Ниже 1.120	Разряжена	11,9 и ниже

Крепление аккумуляторной батареи в автомобиле

Аккумуляторная батарея, во избежание ее повреждения, должна быть обязательно надежно закреплена в автомобиле. Под действием нормальной вибрации автомобиля активная масса может осыпаться с пластин аккумуляторной батареи. Зажимы и кронштейны крепления аккумуляторной батареи обеспечивают ослабление ее вибрации, которая может стать причиной значительного снижения емкости и ресурса любой аккумуляторной батареи.

Эксплуатация свинцово-кислотных аккумуляторных батарей при отрицательных температурах

Условия эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторных батарей будь то в составе резервных источников питания, применяемых в системах автоматики и телемеханики на видах транспорта, телекоммуникационного оборудования и оборудования связи, охранных и пожарных систем безопасности и других устройств предусматривают различное их размещение и монтаж непосредственно на самих объектах эксплуатации. Если свинцово-кислотные аккумуляторные батареи расположены внутри помещений в специально оборудованных аккумуляторных комнатах с системами отопления, вентиляции и кондиционирования, то условия их работы, как правило, мало чем отличаются от тех, которые предписаны заводом-изготовителем. Условия эксплуатации батарей в наружных шкафах, где практически нет разницы с температурой внешней среды, заслуживают отдельного внимания. В этом случае не всегда выполняются требования к режиму заряда аккумуляторов, они часто эксплуатируются при низких и даже отрицательных температурах. Это, в свою очередь, ограничивает не только доступную разрядную емкость аккумуляторных батарей, но и зачастую ведет к постоянному недозаряду последних.

Все технические характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов, включая проектируемый срок службы, определены для эталонной температуры 20° (как правило, для европейских производителей) или 25°С (преимущественно для производителей Юго-Востока Азии) в зависимости от серии батарей и производителей. Поддерживать эту температуру в течение всего срока службы очень сложно, поэтому рекомендуемая температура эксплуатации без использования поправочного температурного коэффициента варьируется в пределах 10-30°С. Для многих типов аккумуляторов в этом диапазоне не требуется регулирование напряжения заряда с применением температурного коэффициента.

Зависимость емкости аккумулятора от температуры

Как уже отмечалось выше, условия работы батареи в наружных шкафах существенно отличаются от рекомендуемых производителем. В зимний период в зависимости от региона температура в них может опускаться ниже -50°С. Поэтому при этих условиях заряд аккумуляторных батарей, как правило, производят повышенным напряжением из расчета на 0,003 В/°С, отличной от рекомендованной заводом-изготовителем.

При эксплуатации свинцово-кислотных аккумуляторов при пониженной температуре ограничивается их допустимая разрядная емкость.Для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей герметизированного исполнения («AGM» и «GEL») примерные данные зависимости емкости в процентном соотношении от температуры окружающей среды представлены в таблице.

Примерный график зависимости отдаваемой емкости (Сразр.) в процентном соотношении к номинальной емкости от температуры (°С) представлен на Рис. 1. Если исходить из того, что 100% емкость батареи соответствует температуре 25°С, то из графика видно, что с понижением температуры отличной от 25°С отдаваемая емкость аккумуляторных батарей падает, а с повышением, наоборот, возрастает.

Такое поведение свинцово-кислотного аккумулятора объясняется обратной зависимостью его внутреннего сопротивления от температуры. Величина сопротивления возрастает, прежде всего, за счет ухудшения проводимости электролита, а также по мере разряда аккумулятора. Это связано с тем, что при отрицательных температурах снижается скорость диффузии ионов электролита (и его концентрации в порах активной массы), проводимость самой активной массы и сепаратора. При этом уменьшается электропроводность в целом.С увеличением внутреннего сопротивления усиливается поляризация и создаются условия для образования мелкокристаллических плотных осадков сульфата свинца, вызывающих пассивирование отрицательного электрода.

Если вспомнить Закон Ома для полной цепи (I= ε/R+r), который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи, то видно, что чем выше внутреннее сопротивление (особенно электролита), а оно повышается с понижением температуры, тем меньше отдаваемый аккумуляторной батареей ток, а соответственно и емкость самой батареи.

Динамика снижения напряжения аккумулятора при разряде зависит от изменения ЭДС элемента, динамики роста его внутреннего сопротивления, а также величины тока разряда. Иными словами, чем ниже температура аккумулятора и больше ток разряда, тем быстрее упадет напряжение на его выводах и, соответственно, меньше окажется снятая емкость. Возникает эффект так называемой «кажущейся» потери емкости, когда запас непрореагировавших активных веществ еще достаточен, а разряд приходится прекращать из-за недопустимого снижения напряжения на выводах батареи.

Точка замерзания электролита

С понижением температуры увеличивается вязкость электролита, что затрудняет его проникновение в поры глубоких слоев активной массы пластин. При этом поверхностные слои активной массы быстрее преобразуются в PbS04 и кристаллы PbS04 закрывают поры активной массы, а поэтому химическая энергия, запасенная в глубоких слоях активной массы пластин, полностью не используется и разрядная емкость батареи понижается. При понижении температуры электролита ниже +25 °С емкость аккумуляторной батареи при ее разряде силой тока, соответствующей 0,05Сном., уменьшается на 1% на каждый градус понижения температуры, а при большей силе разрядного тока — на большую величину.

Более того, работа аккумуляторной батареи при низких отрицательных температурах связана с опасностью замерзания электролита. Электролит свинцово-кислотного аккумулятора представляет собой водный раствор серной кислоты и непосредственно участвует в токообразующих реакциях. Из-за того, что при разряде расходуются молекулы серной кислоты и образуются молекулы воды, плотность электролита постепенно снижается.

Оценивая работоспособность аккумулятора при отрицательных температурах, необходимо учитывать не только номинальную (начальную) плотность его электролита, но и плотность в конце разряда при снятии расчетной емкости.

Начальная плотность электролита полностью заряженного аккумулятора зависит от его конструкции и технологии производства. Например, аккумуляторы со свободным электролитом в зависимости от модели могут иметь номинальную начальную плотность: 1,22; 1,24; 1,26 кг/л. Температуры замерзания электролита этих полностью заряженных батарей составляют: -32; -42 и -54°С, то есть аккумулятор с электролитом плотностью 1,24 кг/л нельзя разряжать при температуре ниже -40°С~-45°С из-за угрозы его замерзания. Поэтому эксплуатация батареи при температуре ниже точки замерзания электролита полностью заряженного аккумулятора недопустима.

Область замерзания электролита примерно одинакова для всех типов свинцово-кислотных аккумуляторных батарей. Усредненный график зависимости температуры замерзания электролита от плотности электролита представлен на рис. 2.

Кроме этого, в зависимости от температуры следует ограничивать глубину ее разряда. Чем ниже температура эксплуатации, тем меньше допустимая глубина разряда. Поэтому при отрицательной температуре приходится использовать аккумуляторы с повышенной номинальной емкостью.

Таким образом, если предполагается эксплуатировать свинцово-кислотные аккумуляторы при пониженной температуре, то при расчете и выборе батареи необходимо предусмотреть запас по емкости.

Ограничение отбора емкости батареи при отрицательной температуре — это принудительная остановка разряда или снятие с аккумуляторов определенного количества электричества. Более экономичное и технологичное решение — использование подогреваемых батарейных шкафов, особенно в регионах с холодным климатом. В идеальных условиях температура в них не должна опускаться ниже 5°С. Это предотвратило бы опасность замерзания электролита и ограничило коэффициент запаса номинальной емкости относительно разрядной. Но даже поддержание температуры в шкафу в пределах оптимальной существенно облегчит выбор батареи и сделает ее работу более предсказуемой.

Набор экспериментальных данных для смесей электролитов, содержащих фторэтиленкарбонат и бис(трифторметансульфонил)имид лития

Краткий обзор данных. 2019 апрель; 23: 103703.

Zhengqi Wang

^a Технологический институт Карлсруэ (KIT), Институт прикладных материалов — материалов и процессов (IAM-WK), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany — Материалы и процессы (IAM-WK), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

^b Фрайбургский университет, факультет микросистемной инженерии (IMTEK), Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg , Германия

Томас Ханеманн

^a Технологический институт Карлсруэ (KIT), Институт прикладных материалов – материалов и процессов (IAM-WK), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Le Опольдсхафен, Германия

^b Университет Фрайбурга, факультет микросистемной инженерии (IMTEK), Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Фрайбург, Германия

^a Технологический институт Карлсруэ (KIT), Институт прикладных материалов — Материалы и процессов (IAM-WK), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

^b Фрайбургский университет, факультет микросистемной инженерии (IMTEK), Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg, Германия

^⁎ Автор, ответственный за переписку: Технологический институт Карлсруэ (KIT), Институт прикладных материалов – материалов и процессов (IAM-WK), Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Германия[email protected]

Поступила в редакцию 24 декабря 2018 г.; Пересмотрено 16 января 2019 г .; Принято 21 января 2019 г.

Copyright © 2019 The Authors. Опубликовано Elsevier Inc.

Это статья в открытом доступе по лицензии CC BY (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

Abstract

Эти данные и анализ подтверждают исследовательскую статью «Трудновоспламеняющиеся электролиты со смесями растворителей на основе фторэтиленкарбоната и бис(трифторметансульфонил)имида лития (LiTFSI) для литий-ионных аккумуляторов» [1].Данные и анализы, представленные здесь, включают аппроксимированные данные для измерений плотности, температурную зависимость плотности и удельного объема смесей, подробные данные измерений вязкости и проводимости, графики плотности тока в зависимости от анодного растворения алюминия, способность смесей к скорости полуэлемента C с добавками, использованными в исследовательской статье, а также изображениями SEM и данными EDX полного элемента с выбранным и контролируемым электролитом.

Технические характеристики Таблица

Химия
	Электрохимия, энергетическое хранение
Тип данных	Таблица, текстовый файл, рисунок, уравнение
Как были получены данные	Измерения плотности, реологии и электропроводности, вольтамперные профили, измерения циклов ячеек, характеристики РЭМ, профиль элемента EDX
Экспериментальные факторы	Приготовление смесей органических карбонатов (соотношение 1:1 М) и LiTFSI внутри перчаточного бокса, заполненного аргоном
аппарат DMA 4500 M от Антона Паар.
	Проводимость измеряли прибором из RHD tools стандартным комплексным методом импеданса.
	Динамическую вязкость измеряли с помощью ротационного реометра (геометрия конус/пластина, 40/1°, зазор 30 мм, Malvern Gemini HR Nano, Вустершир, Великобритания) в диапазоне T = (15–80) °C (скорость сдвига 100 с -1 ).
	Анодное растворение алюминия измеряли в ячейках Swagelok.Ячейки были собраны в перчаточном боксе и циклированы в диапазоне 2,5-4,3 В (1 мВс -1 ) при 24-26°С.
	Испытания элементов проводились в конфигурации «таблетка» с литиевой фольгой, материалом NMC, анодным электродом из углерода и сепаратором из стекловолокна. Измерения проводились на амплификаторе собственного изготовления из КИТ.
	Анализы SEM/EDX были выполнены на Zeiss Supra 55 с EDX.
Источник источника данных	Eggenstein-Leopoldshafen, Германия
Data Accessibility	Данные с этой статьей
Статья Статья	Z.Ван, А. Хофманн, Томас Ханеманн; Трудновоспламеняющиеся электролиты со смесями растворителей на основе фторэтиленкарбоната и бис(трифторметансульфонил)имида лития для литий-ионных аккумуляторов ; Электрохим. Акта; в прессе. [1]

Значение данных

• • Предоставляются температурно-зависимые данные для значений плотности.
• • Данные плотности связаны с удельным объемом смесей.
• • Данные о вязкости и электропроводности, зависящие от температуры, дают подробное представление о растворителях электролитов, что важно для исследования аккумуляторов.
• • Диаграммы плотности тока поддерживают микроскопический анализ.
• • Данные испытаний ячейки демонстрируют пригодность добавок VC, LiBOB и LiDFOB.

1. Данные

В этой рукописи данных представлена ​​дополнительная информация о статье [1]. Подробно показаны следующие данные: (1) данные плотности и параметры по уравнению подгонки плотности, зависящей от температуры, (2) зависящий от температуры удельный объем и коэффициенты объемного расширения смесей, полученные из измерений плотности, ( 3) значения вязкости в зависимости от температуры, (4) данные удельной и молярной проводимости, (5) измерения плотности тока в зависимости от времени реакций анодного растворения алюминия, (6) данные полуэлементного цикла (Li||NMC и Li| C) электролита с различными выбранными добавками, (7) изображения SEM и данные анализа EDX для материалов анода после полных циклов ячейки.Все эти данные дополняют измерения и анализы, выполненные в рукописи [1].

1.1. Данные плотности всех электролитов в зависимости от температуры

Данные плотности подгоняются согласно уравнению. (1):

где a , b , T — плотность при 0 К, коэффициент объемного расширения (<0, г см ^-3 К ^-1 ) и температура ( К) соответственно. Экспериментальные значения плотности, подгоночных параметров и коэффициента корреляции показаны на .

Таблица 1

Температурно-зависимая плотность ρ данные и регулируемые параметры ее уравнения (ρ=a+b∙T) смеси электролитов.

3

Образец							EM-3	EM-4	EM-5	ЭМ-6
ρ , T = 293.15 K, [G CM -3 ]	1.30	1.59	1.52	1.44	1.39	1.33	1.24
ρ , T = 313.15 K, [G см — 3 ]	1.28	1.26	1.49	1.49	1.41	1.37	1.31	1.21
ρ , T = 333.15 K, [G CM -3 ]	1.26	1,53	1,47	1.39		1,35 1,29	1,19
ρ, Т = 353,15 К, [г см -3 ]		1,23 1,50	1,44	1,37	1,32	1,27	1.17
ρ , T = 298.15 K, [G CM -3 ] A	1.30	1.58	1.51	1.43	1.39	1.33	1.23
a , [г см -3 ]	1.64	1.99	1.99	1.89	1.79	1.63	1.63	1.57
B , [10 -3 г см -3 K -1 ]	-1.15	-1.15	-1.15	-1,36	-1,25	-1,20	-1,15	-1,00	-1,14
Кор. R 2 , b	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000	1.000

1.2. Температурная зависимость удельного объема смесей

Используя значения плотности (при 25 °C), полученные в , удельный объем ( В , см ³ г ^-1 ) отдельного компонента был рассчитан следующим образом . Относительно препарата обратное значение плотности LiTFSI и LiPF ₆ (1,334 и 1,50 г см ^-3 ) представляет собой удельный объем V _соли , равный 0.750 см ³ г ^-1 и 0,667 см ³ г ^-1 соответственно. Плотность эквимолярных смесей сокарбонатов можно получить, используя это соотношение: ρ12=ρ1ρ2(M1+M2)/(ρ1M2+ρ2M1), при условии, что изменением объема после смешения сокарбонатов пренебрегают. Поэтому удельный объем V _{растворителя} сокарбонатов также был рассчитан. Объемы 1 кг компонентов (соли и карбонатов) можно просто суммировать, чтобы получить общий объем: V _кал (см ³ ) = V _соль + V _{растворитель, 904 изменение объема после растворения не учитывается.Кроме того, реальный общий объем V exp (см ³ ) 1 кг смеси можно получить, используя измеренные значения плотности.}

Таблица 2

Сравнение экспериментальных данных удельного объема V _exp смесей электролитов и расчетного удельного объема V _кал солей лития и растворителей перед смешиванием.

862,510) / V

3 CAL

3 CAL

4, [%]

^{E C C}

Образец							EM-3	EM-4	EM-5	ЭМ-6
ρ , T = 298.15 к, [G CM -3 ] A	1.30	1.58	1.51	1.43	1.39	1.33	1.23
V EXP , T = 298.15 K , [см 3 кг -1 ] 771,37			632,80 662,17 697,82			720,35 752,54 812,74
V соль , Т = 298,15 К, [ см 3 ] за 1 кг соль+растворители	78.11	161.41	161.41	161.41	161.41	161.41	161.41	161.41
V V 3 Solvent 4, T = 298,15 K, [CM 3 ] Pro 1 кг Соль + растворители	738.46		521,73 554,52 585,49			606,60 640,56 701,10
V кал = V соль + V растворителя, Т = 298.15 K, [см 3 ] про 1 кг соли + растворителей		816,57 683,14 715,93			746,90 768,01 801,96
(V кал -V EXP EXP 4 ) / V	5.54	7.37	7.51	6.57	6.21	6.16	5.77
1 Дифференциал измеренного конкретного объема D В в температурном интервале d Т выражается соотношением (2): где В 0 , β , Т – удельный объем (см 7 7 90 80 90 8 90 ) при эталонной температуре (здесь комнатная температура), объемном коэффициенте теплового расширения (>0, K -1 ) и температуре (K) соответственно.Коэффициент объемного температурного расширения β , как показано на рисунке, показывает реакцию объема на изменения температуры и коррелирует с выделением тепла при сжатии/отделении молекул друг от друга и с изменениями координационных структур. При различном строении карбонатов в смесях электролитов наблюдается явное расхождение коэффициентов объемного расширения при данной температуре. β смесей с выбранными линейными карбонатами отличаются от смесей с циклическими карбонатами.Растворитель EM-5 содержит жесткие и сопряженные бензильные группы DBC, которые показали стабильность при термическом расширении, что приводит к более слабой реакции на тепло. EM-6 содержал гибкие пропильные цепи –CH 2 CH 2 CH 3 DPrC, был более «чувствительным» к повышению температуры и имел большее объемное расширение. Кроме того, коэффициент расширения β также продемонстрировал температурно-зависимое поведение. Таблица 3 Температурно-зависимый удельный объем В и среднеобъемный температурный коэффициент расширения β зависимости dV=V0∙β∙dT смесей электролитов. 0 β 3 12 , 293.15-313.15 K, [10 -4 K -1 ]1 1.3. Значения вязкости смесей электролитов от ЭМ-0 до ЭМ-6 См. . Таблица 4 Температурно-зависимая вязкость η данные и регулируемые параметры ее уравнения VFT (η=η0exp[B/(T−T0)]) смесей электролитов. Образец EM-3 EM-4 EM-5 EM-6 V 0 , 298,15 К, [см 3 кг -1 ] 771,37 632,80 662,17 697,82 720.35 752,54 812,74 V 1 , 293,15 К, [см 3 кг -1 ] 767,95 630,37 659,55 695,49 717,53 750,05 809,62 V 2 , 313,15 К, [см 3 кг -1 ] 781,82 641,43 670,65 707,40 729,63 761.55 824,85 V 3 , 333,15 К, [см 3 кг -1 ] 796,17 652,94 682,10 719,65 742,10 773,34 840,70 V 4 , 353,15 К, [см 3 кг -1 ] 811,06 664,62 693,90 732,29 754,94 785,48 857.23 β 8.99 8.74 8.38 8.53 8.40 7.64 9.37 β 3 23 , 313.15-333.15 K, [10 -4 K -1 ] 9.30 9.01 8.64 8.78 8.65 7.83 9.75 β 34 , 333.15-353.15 K, [10 -4 K -1 ] 9.65 9.31 9.31 9.92 9.92 9.92 8.07 10.17 3 0.0 9018,4 Данные электропроводности смесей электролитов См. . Таблица 5 Температурно-зависимая удельная проводимость κ , молярная проводимость Λ (Λ=κ∙M/ρ) данные и регулируемые параметры ее уравнения VFT (κ=κ0exp[C/(T−T1) ] и Λ=Λ0exp[C´/(T−T2)]) смесей электролитов. Образец EM-3 EM-4 EM-5 ЭМ-6 η , 288.15 K, [MPA S] 5.0 17.0 15.7 15.7 17.0 62,6 11.3 η , 293.15 K, [MPA S] 4,4 14.6 13,1 13,1 14,2 47,6 9,7 η , 298,15 К, [мПа · с] 3,9 12,3 11,1 11,2 12,0 37,1 8 .4 η , 303.15 K, [MPA S] 3.5 10.4 9.5 10.3 29.7 70057 η , 308.15 K, [MPA S] 3.2 9.0 9.4 8.5 9.5 9.0 24.0 6.5 η , 313.15 K, [MOPA S] 3.0 70058 7.4 7,5 7.9 20,2 5,8 η , 323,15 К, [мПа · с] 2,6 6,1 5,8 5,9 6,2 14,4 4,7 η , 333.15 K, [MPA S] 2.3 4.9 4.7 4.8 5.0 10.9 — η , 343.15 K, [MPA S] 2.0 3.5 3.3 3,5 3,6 7,5 2,9 η , 353,15 К, [мПа · с] 1,9 2,9 2,7 3,0 2,9 5,9 2,5 η η η η , [10 -2 MPA S] 47.97 19.41 22.9 22.9 34.44 29.3 33,1 18.9 β , [K ] 205.9 512,0 485,0 392,4 431,5 474,7 528,7 Т 0 , [K] 200,4 174,7 173,3 185,5 181,9 197.6 158.9 T G -T -T 3 0 , [K] 5.0 11.5 11.8 -5.7 -4.1 7.3 7.3 — D = B / T 453 0 1.0 2,9 2,8 2,1 2,4 2,4 2.4 3.3 Cor. R 2 , A 0.999 0.999 0.999 0.999 0.999 0.999 0.999 E E A, η , [KJ Mol -1 ] б 12.2 23,3 22,3 21,2 22,5 30,3 19,9 -401,6 A 2 2 C Ом CM 2 923 27 Mechanical г 9 23 000 C Образец EM-3 EM-4 EM-5 ЭМ-6 κ , 273.15 K, [MS CM -1 ] 7.1 1.4 2.0 1.8 1,4 0,1 1.4 κ , 293.15 K. [MS CM -1 ] 10.7 2.9 4.0 4.0 3.5 2.8 0,4 2,5 λ , 293.15 K. [S CM 2 MOL -1 ] 10.6 2,4 3,5 3.3 2.7 0,4 0,4 2.6 κ , 313.15 K. [MS CM -1 ] 15.0 5.1 6.8 5.9 4,8 0,9 3.8. λ , 313.15 K. [S CM 2 MOL -1 ] 15.2 4.3 6.0 5.6 4,7 0.9 4.1 κ , 333.15 K. [MS CM -1 ] 19.5 19.5 7.5 9.7 8.6 7.2 7.2 1,5 5.2 λ , 333.15 K. [S CM 2 MOL -1 ] -1 ] 20.1 6.5 8.5 8.3 7.1 1.6 5,8 κ , 353.15 K. [MS CM -1 ] 24.1 10,1 12,9 11.4 9.7 9.7 2.2 6.7 λ , 353.15 K. [S CM 2 Mol -1 ] 25.3 9.0 11.9 11.1 9.7 2.3 70058 70056 κ κ κ 0 , [S CM 2 MoL -1 ] 203.7 100.4 101.2 106.59 102.2 22,0 56.0 С, [К] -467,9 -393,3 -345,4 -391,6 -413,2 -335,0 Τ 1 , [K] 133.9 181.6 185,7 185,7 177.7 177.8 177.8 207.8 164.3 Cor. Р 2 . и 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 E E E , [KJ MOL -1 ] B 67,7 -401,9 12.2 19.8 18.8 18.6 19.6 27.8 27.8 15.6 λ λ 0 , [S CM 2 MOL -1 ] 217.3 88.1 106.0 105,0 105.2 24,8 С’, [K] -448,7 -377,4 -368,7 -381,0 -406,4 -345,3 τ τ τ 3 2 , [K] 144.4 187.9 187.9 184.6 183.3 182.4 208,0 168.2 Cor. Р 2 . с 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 1.000 E A, λ , [KJ MOL -1 ] B 12.5 18.7 17,4 17,6 18,5 24,2 15,2 1.5. Анодное растворение алюминия См. и . График зависимости плотности тока от времени для измерений растворения алюминия смесями ЭМ- n ( n = 0–6).Потенциал смещается между 2,5 и 4,3 В относительно Li/Li + со скоростью сканирования 1 мВ с -1 (соответствует , ссылка [1]). Независимость диаграммы плотности тока от времени для измерений растворения алюминия смесями ЭМ- n ( n = 1a–6a) с добавкой LiBOB. Потенциал смещается между 2,5 и 4,3 В относительно Li/Li + со скоростью сканирования 1 мВ с -1 (соответствует , ссылка [1]). 1.6. Ячейковые испытания ЭМ-4 с добавками См. и . Испытания полуэлементов Li//NMC-элементов при комнатной температуре (25 °C) в конфигурации «таблетка» при различных скоростях тока. Усредняли четыре отдельные клетки. Полуэлементные испытания литий/графитовых элементов при комнатной температуре (25 °C) в конфигурации плоских элементов при различных скоростях тока. Усредняли четыре отдельные клетки. 1.7. СЭМ-изображения анодных листов после циклирования ячейки См. . РЭМ-изображения анодов до (С) и после циклирования (200 циклов) электролитом ЭМ-0 и ЭМ-4б при разном увеличении (1.000× и 5.000×). 1.8. Данные EDX цикла клеток См. . : Состав поверхности анода до (C) и после (EM-0/EM-4b) циклирования ячейки (200 циклов при 25 °C). Анодные листы перед анализом несколько раз промывали диметилкарбонатом. Было обнаружено, что Al и Si присутствуют в различных количествах благодаря сепаратору Separion. Эти количества были вычтены для лучшего сравнения между ячейками. Кроме того, количество проводящей соли также вычитали на основе P (EM-0, LiPF 6 ) и S (EM-4b, LiTFSI).После этого % атомов повторно калибровали до 100%. 2. План эксперимента, материалы и методы Все химические вещества и сокращения перечислены в , а все смеси перечислены в . Таблица 6 1 Таблица 7 Состав электролитных смесей EM- N ( n = 0–6). Химическая Поставщик Аббревиатура Чистота литий бис (trifluoromethanesul-fonyl) имид Sigma-Aldrich LiTFSI> 99.95% Сушеный в вакууме на 120 ° C в течение 5 дней литий Бис (oxalato) борат Sigma-Aldrich libob сушеный в вакууме при 120 ° C в течение 5 дней Литий тетрафлуоробар ABCR Libf 99.997% Sigma-Aldrich Sigma-Aldrich LIDFOB Батареи производится в качестве полученного Ethylene Carnate Huntsman EC ULTRAPURE Используется в соответствии с полученными Пропиленовый карбонат ACROS PC безводный 99.5% , используемый в соответствии с полученным 1,2-бутилен карбонат TCI Europe 1,2-до н.э. > 98,0% 58,0% сушат при 120 ° C, нажав сухое воздух через растворитель дибензилкарбонат ABCR DBC 98% 98% 40058 BOCC DPRC 98,9% сушат с 3 Å молекулярным ситом и осветляются фильтрами фторэтиленкарбонат TCI europe FEC >98.0% Сушеный с 3 Å молекулярным ситом и осветленным фильтрами Aldrich VC 97% 97% сушили с 3 Å молекулярным ситом и осветленным фильтрами литиевые фольги ALFA AESAR 0,75 мм толщиной Используется как получил алюминиевые фольги Hohsen Corp. Japan проведение соли1 Подготовка электролитов проводили в заполненном аргоновой перчаще (MBRAUN GmbH) с кислородом и уровнями воды ниже 0,5 ч / млн. . Эталонный электролит EM-0 (этиленкарбонат, диметилкарбонат, LiPF 6 , Sigma-Aldrich, качество для аккумуляторов) использовали в готовом виде. Значения электропроводности измерены прибором из RHD tools и измерения выполнены в камере с регулируемой влажностью (SH-261, ThermoTec Espec; 0–80 °C) стандартным методом комплексного импеданса (электрохимическая рабочая станция Zahner Zennium IM6, г. Kronach, Германия; диапазон частот: от 1 кГц до 1 МГц; смещение по переменному току: 10 мВ; постоянная ячейки C получена путем измерения стандартного раствора 1.413 мСм см -1 при 25 °C, Hanna Instruments, HI 70031; u ( C ) = 0,01 C). Значения динамической вязкости определяли с помощью ротационного реометра (геометрия конус/пластина, 40/1°, зазор 30 мм, Malvern Gemini HR Nano, Вустершир, Великобритания) в диапазоне T = (15–80) ° C (скорость сдвига 100 с -1 ). Значения плотности были получены путем измерения смесей электролитов (около 1 мл) при температуре от 20 °C до 80 °C с помощью прибора DMA 4500 M от Anton Paar. Для исследования анодного растворения алюминия использовались ячейки Swagelok с алюминиевой фольгой ( Ø = 12 мм) в качестве рабочего электрода, литиевой фольгой ( Ø = 12 мм) в качестве электрода сравнения и сепаратором из стекловолокна (GF /A, Ø = 13 мм, объем электролита: 40 мкл) между ними. Ячейки собирали в перчаточном боксе и циклировали в диапазоне 2,5–4,3 В (1 мВ с -1 ) при 22–25 °C. Данные EDX были получены после вычитания количества проводящей соли на основе P (EM0) или C (EM4) и повторной калибровки до 100%.Это предполагало, что проводящая соль не является составной частью слоя SEI. Следует отметить, что это оценка только для иллюстрации содержания фтора на поверхности из-за растворителей и добавок. Благодарности Благодарим за поддержку Deutsche Forschungsgemeinschaft (Sachbeihilfe, HA 1924/18-1). Мы благодарим Николь Бон за выполнение измерений SEM/EDX. Прозрачный документ. Дополнительный материал жидких электролитов для высокоэнергетических фторидных ионов-клетки История подачи получил : 28 марта 2018 : 28 марта 2018 : 31 октября 2018 : 31 октября 2018 Опубликовано в Print : 7 декабря 2018 Благодарности Работа посвящена памяти Небойши Момчиловича. Финансирование: Исследования проводились в Лаборатории реактивного движения Калифорнийского технологического института по контракту с НАСА. В.К.Д. благодарит программу стипендий для выпускников NSF за поддержку в рамках гранта NSF-DGE-1650116. Т.Ф.М. признает NSF по награде DMREF NSF-CHE-1335486. M.A.W. признает Институт устойчивого развития Резника. В этом исследовании использовались вычислительные ресурсы вычислительного центра Oak Ridge Leadership Computing Facility в Окриджской национальной лаборатории, который поддерживается Управлением науки США.S. Министерство энергетики (DOE) по контракту DE-AC05-00OR22725. В этом исследовании также использовались ресурсы Национального научно-вычислительного центра исследований в области энергетики (NERSC), пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США, поддерживаемого Управлением науки Министерства энергетики США по контракту DE-AC02-05Ch21231. Работа STEM/EELS в Molecular Foundry поддерживалась Управлением науки Министерства энергетики США, Управлением фундаментальных энергетических наук по контракту DE-AC02-05Ch21231. Мы признательны Институту Бекмана Калифорнийского технологического института за поддержку Центра исследования молекулярных материалов. Вклад авторов: Концепция проекта была разработана S.C.J. и под наблюдением KO, CJB, RHG и SCJ; методики синтеза фторидных солей разработаны и выполняются В.К.Д., Ц.М.Б., Н.М., ИМД и Н.Г.Н.; характеристика солей, анализ и скрининг растворителей были выполнены VKD, CMB и NM; исследования ионной проводимости и окна напряжения выполнены В.К.Д. и К.Дж.Б.; Эксперименты и анализ ЯМР PFG-SE были выполнены W.J.W. и В.К.Д.; вычислительные исследования были выполнены Б.РС. и М.А.В. под наблюдением TFM; электрохимические ячейки были построены и испытаны QX, NHC и KO; катодные материалы синтезированы Р.К.М.; TEM, EDS и pXRD были выполнены Q.X.; EELS выполняли С.А., Д.Р. и М.А.; В.К.Д. и AH выполнили измерения XPS; В.К.Д. сделал все рисунки в основной статье и в приложении; а рукопись написана В.К.Д. при участии S.C.J. и всех авторов. Две патентные заявки были поданы Caltech и Honda Motor Co.Ltd.: US 15/228,876 (изобретатели: SCJ, VKD, CMB, NM, BMS, MAW, TFM, RHG, CJB и KO) и US 15/844,079 (изобретатели: NHC, KO, RKM, QX, CJB, SCJ). , IMD и Хунджин Тан). Конкурирующие интересы: Все авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов. Доступность данных и материалов: Параметры силового поля и примеры входных данных для выполненного моделирования МД доступны для загрузки (данные S1). Все остальные данные имеются в рукописи или дополнительных материалах. Технические целевые показатели Министерства энергетики США для компонентов топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной В этих таблицах перечислены технические целевые показатели Министерства энергетики США (DOE) для компонентов топливных элементов с полимерно-электролитной мембраной (PEM): мембранные электродные сборки, мембраны, электрокатализаторы и биполярные пластины. Эти цели были разработаны при участии партнерства U.S. DRIVE, в которое входят автомобильные и энергетические компании и, в частности, техническая группа по топливным элементам. Цели компонентов руководства разработаны, чтобы помочь разработчикам компонентов оценить прогресс без тестирования всей системы. Дополнительную информацию о целях можно найти в разделе «Топливные элементы» Многолетнего плана исследований, разработок и демонстраций Управления технологий топливных элементов. Технические цели: Мембранные электродные сбои для транспортировки Приложения G образец EM-0 EM-1 EM-1 EM-2 EM-3 EM-3 EM-4 EM-5 EM-6 Растворители (моляр -RATIO 1: 1) EC FEC FEC FEC FEC FEC FEC DMC EC PC 1,2-BC DBC DPrC LiPF 6 LiTFSI LiTFSI LiTFSI LiTFSI LiTFSI LiTFSI с (проведение соль) [моль кг -1 ] 0.771 0.75 0.75 0.75 0.75 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 2015 Статус 2020 Целей Стоимость A $ / KW NET 17 B 14 14 Долговечность с велосипедом часов 2500 C 5 000 D Прочность запуска / отключения E циклы — 5000 Производительность при 0.8 В F MA / CM 2 240 G 300 производительности @ Номинальная мощность H (150 KPA ABS ) MW / CM 2 810 I 1000 Уплотнение (холодная операция) J см. Сноску 1.09 K K 0.7 Устойчивость (горячая работа) L см. Сновидение 0.87 K 0.7 0,7 0.7 Уплотнение (холодные переходные) м см. Собрание сноска 0.84 K k 0.7 A Затраты на производство высокого объема (500 000 80- кВт нетто систем в год). b Затраты при производстве достаточного количества MEA для 500 000 систем в год. Отчет Министерства энергетики США по водороду и топливным элементам 15015, «Стоимость системы топливных элементов — 2015 г.». В стоимость входят все компоненты MEA, включая рамы и прокладки. c Время до снижения напряжения на 10 % при 1,0–1,5 А/см 2 для МЭА Gore с использованием катализатора 510 (загрузка анода/катода 0,2/0,4 мг PGM /см 2 ) протокол испытаний на долговечность в таблице P.7. Род Боруп и Рангачари Мукундан (LANL), личное общение и презентация Ежегодного обзора заслуг за 2013 год. В других источниках сообщалось о более высоких значениях долговечности (например, 3900 часов при дорожных испытаниях, таблица 3.4.3), но эти более высокие значения не были измерены с использованием ездового цикла, указанного в таблице P.7. d Необходимость соответствия или превышения при температурах от 80°C до пиковой температуры. На основе кривой поляризации и протоколов испытаний на долговечность в таблице P.6 и таблице P.7, с падением номинальной мощности <10% после испытаний. e Измерено в соответствии с протоколом, приведенным в таблице P.8, при снижении напряжения менее чем на 5 % при 1,2 А/см 2 . f Измерено с использованием протокола кривой поляризации в таблице P.6. г Kongkanand et al. (Дженерал Моторс), «Высокоактивные катализаторы на основе диаллоя», Годовой отчет о ходе работ за 2014 г. h Измерено с использованием протокола поляризационной кривой в таблице P.6, но может использоваться любая температура вплоть до максимальной рабочей температуры с максимальной относительной влажностью на входе 40 %. Рабочая точка номинальной мощности зависит от температуры МЭБ и определяется как напряжение, при котором V = 77,6 / (22,1 + T[°C]), исходя из целевого значения Q/ΔTi = 1,45 кВт/°C и определения Q/ΔTi из Таблица 3.4.4, с аппроксимацией температуры МЭБ равной температуре теплоносителя на выходе из дымовой трубы. .А. Штейнбах и др. (3M), «Высокопроизводительные, долговечные и недорогие сборки мембранных электродов для транспортных приложений», Ежегодный обзор заслуг, 2014 г. j Отношение напряжения при 30 °C к напряжению при 80 °C во время работы при 1,0 А/см 2 , измеренное с использованием протокола для поляризационной кривой, приведенного в таблице P.6. Точка росы 25°C используется только для работы при 30°C. k На основании испытаний, проведенных в LANL с использованием МЭА Gore с высокой катодной нагрузкой (0,1/0,4 мг PGM /см 2 анод/катод) и SGL GDL (25BC/25BC).Род Боруп, презентация группе специалистов по топливным элементам, 15 июля 2015 г. поляризационная кривая находится в таблице П.6. Точка росы 59°C используется как при 90°C, так и при 80°C. м Отношение напряжения при 30°C в переходном режиме к напряжению при 80°C в установившемся режиме при 1,0 А/см 2 , измеренное с использованием протокола для поляризационной кривой, приведенной в таблице P.6. Точка росы 25°C используется только при температуре 30°C. Переходный режим при 30°C составляет 1 А/см 2 в течение не менее 15 минут, затем снижается до 0,1 А/см 2 в течение 3 минут без изменения рабочих условий. Через 3 минуты плотность тока возвращается к 1 А/см 2 . Напряжение измеряется через 5 секунд после возврата к 1 А/см 2 . Технические цели: Мембраны для транспортировки Приложения Характеристики Unit 2015 Targets 2020 Targets Максимальный кислородный кросс-свыше A MA / CM 2 2.4 B 2 2 Максимальный кросс водорода более A 1,1 C 2 Телефонная зона Устойчивость к зону на: Максимальная рабочая температура и вода Частичное давление от 40-80 кПа Ом CM 2 0,072 (120 ° C, 40 кПа) C 0.02 80 ° C и водные частичные давления из 25-45 кПа Ом CM 2 0,027 (25 кПа) C 0,02 0,02 30 ° C и водное отделение до 4 KPA Ом CM 2 0,027 (4 кПа) C 0.03 -20 ° C Ом CM 2 0,1 B 0,2 Максимальная рабочая температура ° C ° C 120 C 120 120 120 > 5600 C 1000 Стоимость D $ / m 2 17 E 20 долговечность F циклов до> 15 мА / см 2 h 2 кроссовера г 20 000 Химический часов до> 15 мА / см 2 кроссовер или > 20% убыток в OCV 742 C > 500 > 500 Комбинированные химические / механические циклов до> 15 мА / см 2 кроссовер или> 20% убыток в ОКВ — 20 000 a Испытано в MEA на O 2 или H 2 , 80°C, полностью увлажненные газы, общее давление 1 атм.Методы испытаний H 2 см. в M. Inaba et. др. Electrochimica Acta, 51, 5746, 2006. О методах испытаний O 2 см. Zhang et. др. Journal of The Electrochemical Society, 160, F616-F622, 2013. b Мембрана PFIA 14 мкм с опорой из нановолокна. М. Яндрасиц (3М), частное сообщение, 1 февраля 2016 г. c Армированная и химически стабилизированная мембрана PFIA. М. Яндрасиц и соавт. (3M), Годовой отчет о ходе выполнения программы Министерства энергетики США по водороду и топливным элементам за 2015 год. d Затраты, прогнозируемые для крупносерийного производства (500 000 систем мощностью 80 кВт в год). e Стоимость при производстве достаточного количества мембраны для 500 000 систем в год. Отчет Министерства энергетики США по водороду и топливным элементам 15015, «Стоимость системы топливных элементов — 2015 г.». f Измерено в соответствии с протоколами в Таблице P.3, Таблице P.4 и Таблице P.5. g Для испытаний воздухом или азотом 2 в качестве альтернативы можно использовать эквивалентный переходный показатель 0,1 см3/см 2 при перепаде давления 50 кПа, температуре 80ºC и относительной влажности 100 %. Технические цели: Электроокатализаторы для транспортировки Приложения
Характеристики	УСТАНОВКИ	2015 Статус	2020 Targets
Platinum Group Metal Общее содержание (как электроды) A	г / KW (оценил, B Gross) @ 150 KPA (ABS)	0.16 C, D	0.125	0.125
Platinum Group Metal (PGM) Общая загрузка (как электроды) A	мг PGM / см 2 площадь электрода	0.13 C	0.125
Массовая активность E	A / MG PGM @ 900 мВ IR-Free	> 0.5 F	0.44
Потеря в начальной каталитической активности E	% потери массовой активности	66 C	<40
Убыток в производительности на 0,8 a / см 2 E	MV	13 C	<30
Стабильность носителя электрокатализатора г	% потери массы	41 ч	<40
Потеря производительности при .5 A / CM 2 G G	MV	65 H	<30	<30
PGM-бесплатная активность катализатора	A / CM 2 @ 0,9 V IR-Bree	0,016 i	>0,044 j

^a Содержание PGM и целевые показатели загрузки могут быть ниже для достижения целевых показателей стоимости системы.
^b Номинальная мощность в рабочей точке зависит от температуры МЭБ и определяется как напряжение, при котором V = 77.6 / (22,1 + T[°C]), исходя из целевого значения Q/ΔTi = 1,45 кВт/°C и определения Q/ΔTi из таблицы 3.4.4, с аппроксимацией температуры МЭБ равной температуре теплоносителя на выходе из дымовой трубы .
^c Steinbach et al. (3M), «Высокопроизводительные, долговечные и недорогие сборки мембранных электродов для транспортных приложений», Ежегодный обзор заслуг, 2014 г.
^d На основании полной мощности MEA при 150 кПа абс. Измерено при 0,692 В и 90°C, удовлетворяя Q/ΔT < 1,45 кВт/°C. При 250 кПа состояние абс. 0.12 г/кВт.
^e Измерено с использованием протокола в таблице P.1.
^f Kongkanand et al. (General Motors), «Высокоактивные катализаторы на основе диаллоя», 2014 Annual Merit Review.
^г Измерено с использованием протокола, приведенного в таблице P.2.
^h Б. Попов и др., «Разработка катодных катализаторов со сверхнизким содержанием легированной платины для топливных элементов PEM», Ежегодный обзор заслуг, 2015 г.
ⁱ П. Зеленай (LANL), «Катоды топливных элементов из недрагоценных металлов: разработка катализатора и конструкция электродной структуры», Ежегодный обзор заслуг, 2016 г.
^j Целевое значение эквивалентно целевой массе катализатора PGM 0,44 А/мг _PGM при 0,1 мг _PGM /см ² .

Технические цели: Биполярные тарелки для транспортировки Приложения

Характеристики Unit 2015 Targets 2020 Цели Стоимость ^A $ / KW _NET 7 ^b 3 Вес плиты кг/кВт _нетто <0.4 ^C 0.4 0.4 Тарелка H ₂ Коэффициент проникновения ^{D D} STD CM ³ / (SEC CM ² PA) @ 80 ° C, 3 атм, 100% RH 0 ^E <1.3x10 ^{-14 F} ROOSION, ANODE ^G мкА / см ² Нет активных пиков ^H <1 и без активного пика Коррозия, катод ⁱ мкА/см ² <0.1 ^C < < < S / CM S / CM> 100 ^J > 100 Специфическое сопротивление 50056 K Ом CM ² 0,006 ^H <0,01 Flexurural Simple ^L MPA> 34 (углеродная пластина) ^M > 25 формирования удлинения ^N % 20- 40 ^o 40

^a Прогнозируемые затраты на крупносерийное производство (500 000 систем мощностью 80 кВт в год), при условии, что MEA соответствует целевому показателю производительности 1 000 мВт/см

0 8 9 .

^b Стоимость при производстве достаточного количества пластин для 500 000 систем в год. Отчет Министерства энергетики США по водороду и топливным элементам 15015, «Стоимость системы топливных элементов — 2015 г.».
^c С.Х. Ван (Тредстоун), «Недорогие металлические биполярные пластины топливных элементов PEM», Годовой отчет о ходе работ за 2012 г.
^d В соответствии со стандартными испытаниями на транспортировку газа (ASTM D1434).
^и С.Х. Wang (Treadstone), частное сообщение, октябрь 2014 г.
^f Blunk, et al., J. Power Sources 159 (2006) 533–542.
^г pH 3 0,1 ppm HF, 80°C, пиковый активный ток <1x10 ^-6 А/см ² (потенциодинамический тест при 0,1 мВ/с, от -0,4 В до +0,6 В (Ag/AgCl) ), деаэрированный с продувкой Ar.
^h Кумар, М. Рикеттс и С. Хирано, «Оценка ex-situ золотого покрытия в нанометровом диапазоне на подложке из нержавеющей стали для биполярной пластины топливного элемента с мембраной из полимерного электролита в автомобиле», Journal of Power Sources 195 (2010): 1401 –1407, сентябрь 2009 г.
ⁱ pH 3 0,1 ppm HF, 80°C, пассивный ток <5x10 ^-8 А/см ² (потенциостатическое испытание при +0.6В (Ag/AgCl) в течение >24 часов, аэрированный раствор.
^j О. Адрианович (GrafTech), «Биполярные пластины следующего поколения для автомобильных топливных элементов PEM», Годовой отчет о ходе работ за 2009 г.
^k Включает межфазное контактное сопротивление (при получении и после потенциостатического испытания), измеренное с обеих сторон согласно Wang, et al. J. Power Sources 115 (2003) 243–251 при 200 фунтов на квадратный дюйм (138 Н/см ² ).
^l ASTM-D 790-10 Стандартный метод испытаний на изгиб неармированных и армированных пластиков и электроизоляционных материалов.
^м Д. Хаак и др. (Porvair), «Углерод-углеродные биполярные пластины», Годовой отчет о ходе работ за 2007 г.
ⁿ В соответствии со стандартными методами испытаний ASTM E8M-01 для испытаний на растяжение металлических материалов или продемонстрировать возможность штамповки общей конструкции канала с указанием ширины, глубины и радиуса.
^или M. Brady et al. (Национальная лаборатория Ок-Риджа), «Азотированные металлические биполярные пластины», Годовой отчет о ходе работ за 2010 г.

Как измерить плотность электролита

Если автомобильный аккумулятор начал слишком быстро разряжаться, рекомендуется проверить плотность электролита.Плотность электролита желательно измерять и «подгонять» также при резком изменении температуры.

Вам понадобится

спиртовой термометр и специальный измерительный прибор (рис. 1), состоящий из резиновой груши (поз. 1), одетой на стеклянную трубку (поз. 2). В противоположную сторону трубки вставлена ​​резиновая пробка (поз. 4) с впускным отверстием (поз. 5). Внутри стеклянной трубки находится ареометр (поз. 3).

Руководство по эксплуатации

1

Для измерения плотности заполните стеклянную трубку с резиновой грушей электролитом через входное отверстие примерно на половину высоты трубки.Ареометр должен свободно плавать в жидкости, не касаясь пробки, колбы и боковых стенок колбы. Только в этом случае измерение плотности будет правильным.

2

Считать значение плотности с цифрового значения на шкале, расположенной внутри верхней части ареометра, в месте контакта мениска электролита с трубкой ареометра. После измерения плотности и температуры отрегулируйте значения.

3

При температуре электролита, отличающейся от температуры 25°С более чем на 5°С, изменить полученное значение плотности электролита с учетом поправки на температуру: поправка на 0.На каждый градус Цельсия приходится 0007 граммов на кубический сантиметр. Если меньше, то вычитаем поправку, если больше – добавляем. Или по следующей таблице определить, соответствует ли плотность электролита требуемым параметрам.

4

Но если нужных параметров нет в этой таблице (например, если вам нужно измерить плотность электролита в аккумуляторе автомобиля зимой), используйте простую, но приблизительную зависимость: на каждые 15 градусов Цельсия плотность электролита изменяется на 0 .01 грамм на кубический сантиметр.

Полезный совет

Плотность электролита значительно меняется при повышении или понижении температуры, поэтому перед измерением плотности измерьте температуру электролита. Существуют ареометры со встроенными термометрами, что значительно упрощает процедуру измерения плотности и температуры электролита.

Учет ионной силы в модели плотности Лалиберте-Купера для растворов электролитов

Krumgalz, B.С., Погорельский Р., Питцер К.С.: Подход взаимодействия ионов к расчету объемных свойств водных растворов электролитов с несколькими растворенными веществами. J. Solution Chem. 24 , 1025–1038 (1995)

КАС Статья Google ученый

Лалибертэ М., Купер В.Э.: Модель для расчета плотности водных растворов электролитов. Дж. Хим. англ. Данные 49 , 1141–1151 (2004)

Артикул Google ученый

Лалиберте, М.: модель для расчета теплоемкости водных растворов с обновленными данными о плотности и вязкости. Дж. Хим. англ. Данные 54 , 1725–1760 (2009)

CAS Статья Google ученый

Рейнольдс, Дж. Г., Картер, Р.: Модель плотности Лалиберте – Купера: самосогласованность и новый метод параметризации. Равновесие жидкой фазы. 266 , 14–20 (2008)

КАС Статья Google ученый

Агню, С.F.: Перемасштабированная модель удельного объема для плотности раствора электролита. Дж. Хим. англ. Данные 57 , 60–65 (2012)

CAS Статья Google ученый

Янг, Т.Ф., Смит, М.Б.: Термодинамические свойства смесей электролитов в водных растворах. Дж. Физ. хим. 68 , 716–724 (1954)

Артикул Google ученый

Крумгальц, Б.С., Миллеро, Ф.Дж.: Физико-химическое исследование вод Мертвого моря II. Измерения плотности и уравнение состояния вод Мертвого моря при 1 атм. Мар. Хим. 11 , 477–492 (1982)

КАС Статья Google ученый

Saluja, PPS, Jobe, DJ, LeBlanc, JC, Lemire, RJ: Кажущаяся молярная теплоемкость и объем смешанных электролитов: [NaCl(водн.) + CaCl ₂ (водн.)], [NaCl(водн.) + MgCl ₂ (водн.)] и [CaCl ₂ (водн.) + MgCl ₂ (водн.)].Дж. Хим. англ. Данные 40 , 398–406 (1995)

CAS Статья Google ученый

Федяинов Н.В. Удельная теплоемкость двух- и трехкомпонентных водных растворов хлоридов металлов подгруппы бериллия при 25 °С. Русь. Дж. Физ. хим. 44 , 1817–1819 (1970)

КАС Google ученый

Ли, Дж., Престидж, К.А., Аддай-Менсах, Дж.: Вязкость, плотность и показатель преломления водных растворов алюмината натрия и калия.Дж. Хим. англ. Данные 45 , 665–671 (2000)

CAS Статья Google ученый

Sipos, P., Stanley, A., Bevis, S., Hefter, G., May, PM: Вязкость и плотность концентрированных водных смесей NaOH/NaAl(OH) ₄ при 25 °C. Дж. Хим. англ. Данные 46 , 657–661 (2001)

CAS Статья Google ученый

Кенигсбергер, Э., Бевис С., Хефтер Г., Мэй П.М.: Комплексная модель синтетических растворов Байера. Часть 2. Плотности растворов щелочных алюминатов до 90 °С. Дж. Хим. англ. Данные 50 , 1270–1276 (2005)

Артикул Google ученый

Помрой, Р., Киршман, Х.Д.: Растворимость йодида натрия в растворах гидроксида натрия при 20°. Варенье. хим. соц. 66 , 178–179 (1944)

КАС Статья Google ученый

Киршман, Х.Д., Померой Р.: Растворимость йодида калия в растворах едкого натра при 20°. Варенье. хим. соц. 66 , 1793–1794 (1944)

КАС Статья Google ученый

Salavera, D., Libotean, S., Patil, K.R., Esteve, X., Coronas, A.: Плотность и теплоемкость растворов аммиак + вода + NaOH и аммиак + вода + KOH. Дж. Хим. англ. Данные 51 , 1020–1025 (2006)

CAS Статья Google ученый

Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ

Что такое электропроводность?

Соли растворяются в воде с образованием аниона и катиона.Эти ионы составляют основу электропроводности воды.

Электропроводность — это мера способности воды пропускать электрический ток. Эта способность напрямую связана с концентрацией ионов в воде ¹ . Эти проводящие ионы поступают из растворенных солей и неорганических материалов, таких как щелочи, хлориды, сульфиды и карбонатные соединения ³ . Соединения, которые растворяются в ионы, также известны как электролиты ⁴⁰ . Чем больше ионов присутствует, тем выше электропроводность воды.Точно так же, чем меньше ионов в воде, тем меньше ее проводимость. Дистиллированная или деионизированная вода может действовать как изолятор из-за ее очень низкого (если не пренебрежимо малого) значения проводимости ² . Морская вода, с другой стороны, имеет очень высокую проводимость.

Ионы проводят электричество благодаря своим положительным и отрицательным зарядам ¹ . При растворении электролитов в воде они распадаются на положительно заряженные (катион) и отрицательно заряженные (анион) частицы. Поскольку растворенные вещества расщепляются в воде, концентрации каждого положительного и отрицательного заряда остаются равными.Это означает, что хотя проводимость воды увеличивается с добавлением ионов, она остается электрически нейтральной ² .

 

Единицы измерения проводимости

Проводимость обычно измеряется в микро- или миллисименсах на сантиметр (мкСм/см или мСм/см). Это также может быть выражено в микромах или миллимах на сантиметр (уммо на см или ммо на см), хотя эти единицы менее распространены. Один симен равен одному mho ¹ . Микросименс на сантиметр является стандартной единицей измерения пресной воды.В отчетах о проводимости морской воды используются микро-, милли-, а иногда даже просто симены/мхо на сантиметр, в зависимости от публикации.

 

Удельная электропроводность

Удельная электропроводность при 25°C используется в качестве эталона для сравнения различных источников воды, поскольку коэффициенты проводимости меняются в зависимости от температуры.

Удельная электропроводность – это измерение электропроводности, выполненное при температуре 25°C или скорректированное на нее ³ . Это стандартизированный метод определения электропроводности.Так как температура воды влияет на показания электропроводности, запись электропроводности при 25°C позволяет легко сравнивать данные ³ . Удельная проводимость обычно выражается в мкСм/см при 25°C ⁶ .

Если измерение электропроводности производится при 25°C, его можно указать просто как удельную электропроводность. Если измерение производится при другой температуре и с поправкой на 25°С, то необходимо учитывать температурный коэффициент. Удельный температурный коэффициент электропроводности может изменяться в зависимости от измеренной температуры и ионного состава воды ³² .Обычно используется коэффициент 0,0191-0,02 на основе стандартов KCl ^3,32 . Растворы на основе NaCl должны иметь температурный коэффициент 0,02-0,0214 ³³ .

 

Удельное сопротивление

Проводимость формально определяется как величина, обратная удельному сопротивлению, которое стоит уточнить на ³ . Удельное сопротивление — это измерение сопротивления воды потоку тока на расстоянии. Чистая вода имеет сопротивление 18,2 МОм*см ⁵ . Удельное сопротивление уменьшается по мере увеличения концентрации ионов в воде.Забавный способ запомнить, что удельное сопротивление и проводимость являются обратными величинами (1/измерение), заключается в названии единицы измерения: мОм и Ом — это одни и те же буквы, только наоборот.

 

Проводимость

Проводимость является частью проводимости, но не является отдельным измерением сама по себе. Электрическая проводимость зависит от длины проводника, так же как сопротивление равно ¹⁸ . Проводимость измеряется в МОм или сименс ¹⁹ . Проводимость — это проводимость (См), измеренная на определенном расстоянии (1 см), которая включена в единицы (См/см) ¹⁹ .Таким образом, проводимость воды будет меняться в зависимости от указанного расстояния. Но пока температура и состав остаются прежними, проводимость воды не изменится.

 

Что такое соленость?

Соленость — неоднозначный термин. Основное определение солености – это общая концентрация всех растворенных солей в воде ⁴ . Эти электролиты при растворении образуют ионные частицы, каждая из которых имеет положительный и отрицательный заряд. Таким образом, соленость сильно влияет на проводимость.Хотя соленость можно измерить с помощью полного химического анализа, этот метод сложен и требует много времени ¹³ . Морскую воду нельзя просто выпарить до массы сухой соли, так как в ходе процесса теряются хлориды ²⁶ .

Наиболее распространенные ионы в морской воде.

Чаще всего соленость не измеряется напрямую, а выводится из измерения электропроводности ⁶ . Это известно как практическая соленость. Эти выводы сравнивают удельную электропроводность образца со стандартом солености, таким как морская вода ⁶ .Измерения солености, основанные на значениях проводимости, не имеют единиц измерения, но часто за ними следует обозначение практических единиц солености (pse) ²⁵ .

Существует много различных растворенных солей, которые влияют на соленость воды. Основными ионами в морской воде (с практической соленостью 35) являются: хлорид, натрий, магний, сульфат, кальций, калий, бикарбонат и бром ²⁵ . Многие из этих ионов также присутствуют в источниках пресной воды, но в гораздо меньших количествах ⁴ .Ионный состав внутренних источников воды зависит от окружающей среды. Большинство озер и рек содержат соли щелочных и щелочноземельных металлов, причем кальций, магний, натрий, карбонаты и хлориды составляют высокий процент ионного состава ⁴ . Пресная вода обычно имеет более высокое соотношение бикарбонатов, в то время как морская вода имеет более высокие концентрации натрия и хлоридов ³⁹ .

 

Абсолютная соленость

Функция Гиббса является основой для расчета абсолютной солености.Он рассматривает всю систему в целом вместо того, чтобы полагаться исключительно на проводимость.

Хотя практическая шкала солености приемлема в большинстве ситуаций, в 2010 г. был принят новый метод измерения солености. Этот метод, названный TEOS-10, определяет абсолютную соленость, а не практическую соленость, полученную из проводимости. Абсолютная соленость обеспечивает точное и последовательное представление термодинамического состояния системы ²⁴ . Абсолютная соленость является более точной и более точной, чем практическая соленость, и может использоваться для оценки солености не только в океане, но и на больших глубинах и в температурных диапазонах ²⁴ .TEOS-10 получен из функции Гиббса, которая требует более сложных расчетов, но дает больше полезной информации ²⁴ .

 

Единицы измерения солености

Единицы, используемые для измерения солености, колеблются в зависимости от применения и процедуры отчетности. Части на тысячу или грамм/килограмм (1 ppt = 1 г/кг) раньше были стандартом ²² . В некоторых источниках пресной воды это указывается в мг/л ^{4, 37} . Теперь значения солености сообщаются на основе безразмерной Практической шкалы солености (иногда обозначаемой в практических единицах солености как psu) ²² .По состоянию на 2010 г. был разработан расчет абсолютной солености, но он не используется для архивов базы данных ²⁴ . Абсолютная соленость указывается в г/кг и обозначается символом S _A . TEOS-10 предлагает предварительно запрограммированные уравнения для расчета абсолютной солености.

Все различные методы и единицы измерения солености основаны на контрольной точке 35 для морской воды.

Единицы psu, ppt и S _A г/кг почти эквивалентны (и часто взаимозаменяемы) ⁶ .Все три метода основаны на приблизительном значении солености 35 в морской воде ²⁴ . Тем не менее, есть некоторые различия, которые необходимо сделать.

Практические единицы измерения солености безразмерны и основаны на исследованиях проводимости растворов хлорида калия и морской воды ¹³ . Эти исследования проводились с раствором KCL 32,4356 г/кг и «копенгагенской водой», которая имеет хлорность 19,374 частей на триллион ²⁵ . Этой морской воде Северной Атлантики была присвоена установленная практическая соленость 35 psu ²⁵ .Практическая шкала солености считается точной для значений от 2 до 42 psu ²⁶ . Это наиболее распространенные используемые единицы, и практическая соленость остается наиболее распространенным значением солености, хранящимся в архивах данных ²⁴ .

Историческое определение солености основывалось на концентрации хлоридов (которую можно было определить титрованием) ²⁸ . В этом расчете использовалось следующее уравнение:

Определение общей солености на основе концентрации хлоридов только в источниках воды с известным соотношением хлоридов и солености, таких как морская вода.

Этот метод приемлем только для морской воды, так как он ограничен в эстуариях, солоноватых и пресноводных источниках ²⁸ . В то время как соленость и хлорность пропорциональны в морской воде, основанные на этом уравнения не точны в пресной воде или при изменении соотношения хлора ²⁶ .

Абсолютная соленость в г/кг лучше всего подходит для исследований, требующих очень точных данных. Он согласуется с другими единицами СИ как истинная массовая доля и гарантирует, что все термодинамические отношения (плотность, звук, скорость и теплоемкость) остаются неизменными ²⁴ .Эти единицы также помогают определить вклад конкретных ионов в значения солености ³⁹ . Абсолютная соленость также предлагает более широкий диапазон и более точные значения, чем другие методы солености, когда известен ионный состав ²⁴ .

 

Что такое общее количество растворенных твердых веществ?

EPA, USPHS и AWWA рекомендуют верхний предел TDS в 500 мг/л, хотя в некоторых регионах он превышается с незначительным вредным эффектом ⁴¹ .

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) объединяет сумму всех ионных частиц размером менее 2 микрон (0.0002 см) ¹¹ . Это включает в себя все диссоциированные электролиты, которые составляют концентрацию солености, а также другие соединения, такие как растворенные органические вещества. В «чистой» воде TDS примерно равен солености ¹² . В сточных водах или загрязненных районах TDS может включать органические растворенные вещества (такие как углеводороды и мочевина) в дополнение к ионам солей ¹² .

Общие концентрации растворенных твердых веществ за пределами нормального диапазона могут вызвать набухание или сморщивание клетки.Это может негативно повлиять на водную жизнь, которая не может компенсировать изменение удержания воды.

В то время как измерения TDS основаны на проводимости, некоторые штаты, регионы и агентства часто устанавливают максимальное значение TDS вместо предела проводимости для качества воды ³⁷ . Максимальное количество растворенных твердых веществ в пресной воде может составлять 2000 мг/л, а в большинстве источников их должно быть намного меньше ¹³ . В зависимости от ионных свойств избыточное общее количество растворенных твердых веществ может оказывать токсическое воздействие на рыбу и рыбью икру.У лососевых, подвергшихся воздействию CaSO4 выше среднего уровня на различных этапах жизни, наблюдалось снижение выживаемости и темпов размножения ³⁷ . Когда общее содержание растворенных твердых веществ превышало 2200-3600 мг/л, лососевые, окунь и щука демонстрировали снижение коэффициента вылупления и выживаемости яиц ³⁷ .

Растворенные твердые вещества также важны для водных организмов, так как поддерживают баланс плотности клеток ¹¹ . В дистиллированной или деионизированной воде вода будет поступать в клетки организма, заставляя их набухать ¹¹ .В воде с очень высокой концентрацией TDS клетки сморщиваются. Эти изменения могут повлиять на способность организма двигаться в толще воды, заставляя его плавать или тонуть за пределами своего нормального диапазона ¹¹ .

TDS также может влиять на вкус воды и часто указывает на высокую щелочность или жесткость ¹² .

 

Единицы TDS

Общее количество растворенных твердых веществ указывается в мг/л. TDS можно измерить гравиметрически (с помощью чаши для испарения) или рассчитать путем умножения значения проводимости на эмпирический коэффициент ¹³ .Хотя определение TDS путем испарения требует больше времени, оно полезно, когда состав источника воды неизвестен. Определение TDS по проводимости выполняется быстрее и подходит как для полевых измерений, так и для непрерывного мониторинга ⁴² .

При расчете общего содержания растворенных твердых веществ на основе измерения электропроводности используется коэффициент TDS. Эта константа TDS зависит от типа твердых веществ, растворенных в воде, и может быть изменена в зависимости от источника воды. Большинство измерителей проводимости и других средств измерения используют общую приближенную постоянную около 0.65 ³² . Однако при измерении смешанной воды или соленой воды (со значением электропроводности более 5000 мкСм/см) константа TDS должна быть выше: около 0,735 и 0,8 соответственно ²⁰ . Точно так же пресная или почти чистая вода должна иметь более низкую константу TDS, близкую к 0,47–0,50 ³⁶ .

Стандартные методы исследования воды и сточных вод

принимают константу TDS 0,55–0,7, хотя, если известно, что источник воды содержит большое количество ионов кальция или сульфата, константа равна 0.8 можно использовать ¹³ . Некоторые кондуктометры принимают постоянную за пределами этого диапазона, но рекомендуется повторно проанализировать образец путем испарения, чтобы подтвердить это отношение ¹³ .

Как видно из приведенной ниже таблицы, растворы с одинаковым значением электропроводности, но разным ионным составом (KCl, NaCl и 442) будут иметь разные общие концентрации растворенных твердых веществ. Это связано с разницей в молекулярной массе ⁴⁰ . Кроме того, ионный состав изменит рекомендуемую константу TDS.

При одном и том же значении проводимости каждый раствор будет иметь разную концентрацию растворенных твердых веществ и, следовательно, разный показатель TDS.

Все три стандарта подходят для калибровки электропроводности. Однако при расчете общего количества растворенных твердых веществ следует учитывать ионный состав. Если проект позволяет это, константа TDS должна быть определена для каждого конкретного участка на основе известных ионных составляющих в воде ⁶ .

 

Почему важна проводимость?

Факторы, влияющие на объем воды (например, сильный дождь или испарение), влияют на проводимость.Сток или затопление почв с высоким содержанием солей или минералов может вызвать всплеск проводимости, несмотря на увеличение потока воды.

Проводимость, в частности удельная проводимость, является одним из наиболее полезных и часто измеряемых параметров качества воды ³ . Помимо того, что проводимость является основой большинства расчетов солености и общего содержания растворенных твердых веществ, она является ранним индикатором изменений в водной системе. Большинство водоемов имеют довольно постоянную проводимость, которую можно использовать в качестве отправной точки для будущих измерений ¹ .Значительные изменения, будь то из-за естественных наводнений, испарения или антропогенного загрязнения, могут быть очень пагубными для качества воды.

Морская вода не может содержать столько растворенного кислорода, как пресная вода, из-за ее высокой солености.

Проводимость и соленость имеют сильную корреляцию ³ . Поскольку проводимость легче измерить, она используется в алгоритмах оценки солености и TDS, которые влияют на качество воды и водную жизнь.

Соленость особенно важна, поскольку она влияет на растворимость растворенного кислорода ³ .Чем выше уровень солености, тем ниже концентрация растворенного кислорода. Кислород примерно на 20% менее растворим в морской воде, чем в пресной воде при той же температуре ³ . Это означает, что в среднем морская вода имеет более низкую концентрацию растворенного кислорода, чем пресноводные источники. Влияние солености на растворимость растворенных газов обусловлено законом Генри; используемая константа будет изменяться в зависимости от концентрации ионов соли ³⁹ .

 

Устойчивость к водным организмам

Эвригалинные виды имеют самый широкий диапазон устойчивости к солености, поскольку они перемещаются как между соленой, так и пресной водой.

Большинство водных организмов могут переносить только определенный диапазон солености ¹⁴ . Физиологическая адаптация каждого вида определяется соленостью окружающей его среды. Большинство видов рыб стеногалинные, либо исключительно пресноводные, либо исключительно морские ⁴³ . Однако есть несколько организмов, которые могут адаптироваться к разным соленостям. Эти эвригалинные организмы могут быть анадромными, катадромными или настоящими эвригалинными. Анадромные организмы живут в соленой воде, но нерестятся в пресной.Катадромные виды, наоборот, живут в пресной воде, а на нерест мигрируют в соленую ⁴³ . Настоящие эвригалинные виды можно найти в соленой или пресной воде в любой момент их жизненного цикла ⁴³ . Эстуарные организмы являются настоящими эвригалинными.

Эвригалинные виды обитают в эстуариях или перемещаются по ним, где очевидна соленая зональность. Уровни солености в эстуарии могут варьироваться от пресной воды до морской воды на небольшом расстоянии ²¹ . В то время как эвригалинные виды могут с комфортом путешествовать по этим зонам, стеногалинные организмы не могут и будут встречаться только на одном или другом конце эстуария.Такие виды, как морские звезды и морские огурцы, не переносят низкие уровни солености, и, хотя они находятся в прибрежной зоне, их нельзя найти во многих эстуариях ²¹ . Некоторые водные организмы могут быть чувствительны даже к ионному составу воды. Приток определенной соли может негативно повлиять на вид, независимо от того, остается ли уровень солености в допустимых пределах ¹⁴ .

Устойчивость к солености зависит от осмотических процессов в организме. Рыбы и другие водные организмы, обитающие в пресной воде (с низкой проводимостью), являются гиперосмотическими ¹⁵ .Гиперосмотический определяет способность клетки удалять воду и удерживать ионы. Таким образом, эти организмы поддерживают более высокие внутренние ионные концентрации, чем окружающая вода ¹⁶ . С другой стороны спектра, организмы соленой воды (с высокой проводимостью) являются гипоосмотическими и поддерживают более низкую внутреннюю ионную концентрацию, чем морская вода. Эвригалинные организмы способны приспосабливаться к изменению уровня соли. Каждая группа организмов адаптировалась к концентрации ионов в соответствующей среде и будет поглощать или выделять соли по мере необходимости ¹⁶ .Изменение проводимости окружающей среды за счет увеличения или уменьшения уровня солей негативно повлияет на метаболические способности организмов. Даже изменение типа иона (например, калий на натрий) может быть вредным для водных организмов, если их биологические процессы не могут справиться с другим ионом ¹⁴ .

Большинство водных организмов предпочитают либо пресную, либо соленую воду. Немногие виды пересекают градиенты солености, и еще меньшее их число все еще переносит суточные колебания солености.

 

Изменение проводимости может указывать на загрязнение

Масло или углеводороды могут снижать проводимость воды. (фото предоставлено Ламиотом через Wikimedia Commons)

Внезапное увеличение или уменьшение проводимости в водоеме может указывать на загрязнение. Сельскохозяйственный сток или утечка сточных вод увеличат электропроводность из-за дополнительных ионов хлорида, фосфата и нитрата ¹ . Разлив нефти или добавление других органических соединений уменьшит проводимость, поскольку эти элементы не распадаются на ионы ³⁴ .В обоих случаях дополнительные растворенные твердые вещества окажут негативное влияние на качество воды.

 

Соленость способствует конвекции океана

Влияние солености на плотность воды является одной из движущих сил конвекции океана.

Соленость влияет на плотность воды. Чем выше концентрация растворенных солей, тем выше плотность воды ⁴ . Увеличение плотности с уровнем соли является одной из движущих сил циркуляции океана ²² .Когда морской лед образуется вблизи полярных регионов, он не включает ионы соли. Вместо этого молекулы воды замерзают, выталкивая соль в карманы с соленой водой ²² . Этот рассол в конечном итоге вытекает изо льда, оставляя воздушный карман и увеличивая соленость воды, окружающей лед. Поскольку эта соленая вода более плотная, чем окружающая вода, она тонет, создавая схему конвекции, которая может влиять на циркуляцию океана на сотни километров ²² .

 

Откуда берутся TDS и соленость?

Проводимость и соленость сильно различаются в разных водоемах.Большинство пресноводных водотоков и озер имеют низкие значения солености и проводимости. Океаны имеют высокую проводимость и соленость из-за большого количества присутствующих растворенных солей.

 

Источники проводимости пресной воды

Многие различные источники могут влиять на общий уровень растворенных твердых веществ в воде.

В ручьях и реках нормальный уровень электропроводности зависит от окружающей геологии ¹ . Глинистые почвы будут способствовать проводимости, в то время как гранитная порода не будет ¹ .Минералы в глине ионизируются по мере растворения, а гранит остается инертным. Точно так же приток подземных вод будет способствовать проводимости ручья или реки в зависимости от геологии, через которую проходят подземные воды. Подземные воды, сильно ионизированные растворенными минералами, увеличивают электропроводность воды, в которую они впадают.

 

Источники проводимости соленой воды

Большая часть соли в океане поступает из стоков, отложений и тектонической активности ¹⁷ .Дождь содержит углекислоту, которая может способствовать эрозии горных пород. По мере того, как дождь течет по камням и почве, минералы и соли распадаются на ионы и уносятся с собой, в конечном итоге достигая океана ¹⁷ . Гидротермальные жерла на дне океана также содержат растворенные минералы ¹⁷ . Когда горячая вода просачивается из вентиляционных отверстий, она выделяет с собой минералы. Подводные вулканы могут извергать растворенные минералы и углекислый газ в океан ¹⁷ . Растворенный углекислый газ может стать угольной кислотой, которая может разъедать породы на окружающем морском дне и повышать соленость.Когда вода испаряется с поверхности океана, соли из этих источников накапливаются в течение миллионов лет ²⁷ .

Сбросы, такие как загрязнение, также могут способствовать засолению и TDS, поскольку сточные воды увеличивают содержание ионов солей, а разливы нефти увеличивают общее количество растворенных твердых веществ ¹ .

 

Когда электропроводность колеблется?

Электропроводность зависит от температуры и солености воды/TDS ³⁸ . Изменения водного потока и уровня воды также могут влиять на проводимость из-за их влияния на соленость.Температура воды может привести к ежедневным колебаниям уровня проводимости. Помимо прямого влияния на электропроводность, температура также влияет на плотность воды, что приводит к ее расслоению. Стратифицированная вода может иметь разные значения проводимости на разных глубинах.

Поток воды, будь то родник, грунтовые воды, дождь, слияние или другие источники, может влиять на соленость и проводимость воды. Аналогичным образом, уменьшение стока из-за плотин или отводов рек также может изменить уровни проводимости ²⁹ .Изменения уровня воды, такие как приливы и испарение, также вызывают колебания уровней солености и проводимости.

 

Проводимость и температура

Проводимость зависит от температуры.

При повышении температуры воды увеличивается и проводимость ³ . На каждый 1°C увеличение значений проводимости может увеличиться на 2-4% ³ . Температура влияет на проводимость, увеличивая подвижность ионов, а также на растворимость многих солей и минералов ³⁰ .Это можно увидеть в дневных вариациях, когда водоем нагревается из-за солнечного света (и проводимость увеличивается), а затем остывает ночью (уменьшается проводимость).

Из-за прямого влияния температуры электропроводность измеряется или корректируется до стандартной температуры (обычно 25°C) для сопоставимости. Этот стандартизированный метод отчетности называется удельной проводимостью ¹ .

Сезонные колебания электропроводности, хотя и зависят от средних температур, также зависят от стока воды.В некоторых реках, поскольку весна часто имеет наибольший объем стока, проводимость в это время может быть ниже, чем зимой, несмотря на разницу температур ²³ . В воде с небольшим притоком или без него средние сезонные значения больше зависят от температуры и испарения.

 

Электропроводность и расход воды

Влияние расхода воды на значения проводимости и солености весьма существенно. Если приток является источником пресной воды, он уменьшит значения солености и проводимости ²⁹ .Источники пресной воды включают родники, талые воды, прозрачные чистые ручьи и пресные подземные воды ²¹ . С другой стороны спектра, приток высокоминерализованных подземных вод увеличит электропроводность и соленость ¹ . Сельскохозяйственный сток, помимо того, что он содержит большое количество питательных веществ, часто имеет более высокую концентрацию растворенных твердых веществ, что может влиять на электропроводность ²³ . Как для пресной, так и для минерализованной воды, чем выше объемный расход, тем больше он будет влиять на соленость и электропроводность ²⁹ .

Дождь сам по себе может иметь более высокую проводимость, чем чистая вода из-за включения газов и частиц пыли ²³ . Однако проливные дожди могут уменьшить электропроводность водоема, так как он разбавляет текущую концентрацию солености ²⁹ .

Наводнение может увеличить электропроводность, когда соли и минералы вымываются из почвы в источник воды.

Если проливные дожди или другое серьезное погодное явление способствует наводнению, влияние на электропроводность зависит от водоема и окружающей почвы.В районах с сухим и влажным сезонами проводимость обычно падает в целом в сезон дождей из-за разбавления источника воды ⁴⁴ . Хотя общая проводимость ниже в течение сезона, часто бывают скачки проводимости, когда вода первоначально попадает в пойму. Если пойма содержит богатую питательными веществами или минерализованную почву, ранее сухие ионы соли могут попасть в раствор по мере ее затопления, повышая электропроводность воды ⁴⁴ .

При затоплении прибрежных вод возможен обратный эффект.Хотя мутность будет увеличиваться, проводимость воды часто снижается во время прибрежного паводка ⁴⁵ . Морская вода поглощает взвешенные вещества и питательные вещества из почвы, но также может откладывать свои соли на суше, снижая электропроводность воды ⁴⁵ .

Плотины и отводы рек влияют на проводимость, уменьшая естественный объем воды, поступающей на территорию. Когда этот поток отклоняется, эффект дополнительной пресной воды (снижение электропроводности) сводится к минимуму ²³ .Участки ниже по течению от плотины или отвода реки будут иметь измененное значение проводимости из-за уменьшения притока ²³ .

 

Проводимость и уровень воды

Поскольку поток воды в эстуарии колеблется, меняется и уровень солености.

Проводимость воды из-за колебаний уровня воды часто напрямую связана с расходом воды. Колебания проводимости и солености из-за изменения уровня воды наиболее заметны в эстуариях. По мере подъема приливов соленая вода из океана выталкивается в эстуарий, повышая значения солености и проводимости ²⁹ .Когда отлив спадает, соленая вода тянется обратно к океану, снижая электропроводность и соленость ²⁹ .

Испарение может привести к повышению концентрации соли. По мере снижения уровня воды присутствующие ионы концентрируются, способствуя повышению уровня проводимости ³⁴ . Вот почему значения проводимости и солености летом часто увеличиваются из-за меньшего объема стока и испарения ²¹ . С другой стороны, дождь может увеличивать объем и уровень воды, снижая электропроводность ²⁹ .

 

Соленость и стратификация

Уровни температуры и солености изменяют плотность воды и, таким образом, способствуют стратификации водной толщи ²¹ . Точно так же, как понижение температуры увеличивает плотность воды, увеличение солености приведет к тому же результату. Фактически, изменение плотности воды из-за увеличения солености на 1 PSU эквивалентно изменению плотности воды из-за снижения температуры на 4°C ²⁸ .

Вертикальная стратификация из-за солености.Более глубокие воды имеют большую плотность и более высокую соленость, чем поверхностные воды.

Стратификация может быть вертикальной в толще воды (наблюдается в озерах и океанах) или горизонтальной, как это наблюдается в некоторых эстуариях ⁸ . Эти пласты разделены границей, известной как галоклин ⁹ . Галоклин разделяет слои воды с разным уровнем солености ⁹ . При большом различии уровней солености (часто из-за особенно пресного или соленого притока) развивается галоклин ²⁸ .Галоклин часто совпадает с термоклином (температурная граница) и пикноклином (плотностная граница) ( ²⁸ . Эти клины отмечают глубину, на которой резко изменяются свойства воды (такие как соленость, температура и плотность).

Эстуарии уникальны тем, что они могут иметь горизонтальные или вертикальные галоклины.Вертикальные галоклины появляются, когда уровни солености уменьшаются по мере того, как вода поступает в эстуарий из открытого океана ⁸ . Вертикальные галоклины часто возникают, когда приливы достаточно сильны, чтобы перемешивать толщу воды вертикально для одинаковая соленость, но уровни различаются между пресноводной и океанической сторонами эстуария ⁸ .

Эстуарии могут располагаться горизонтально между источником пресной воды и соленым океаном.

Горизонтальная стратификация присутствует в эстуариях со слабыми приливами. Пресная вода, поступающая из рек, может затем плавать над более плотной морской водой, при этом происходит незначительное перемешивание ²³ . Горизонтальная стратификация также существует в открытом океане из-за градиентов солености и температуры.

Соленость притока может способствовать расслоению. Пресная вода, впадающая в соленую, будет всплывать, а соленая вода, впадающая в пресную, будет тонуть.

Галоклины развиваются в озерах, не испытывающих полного оборота. Эти озера называются меромиктическими озерами и не смешиваются полностью сверху вниз ⁴ . Вместо этого у них есть нижние слои, известные как монимолимнион. Монимолимнион остается изолированным от остальной части водной толщи (миксолимнион) за счет галоклина ⁴ . Меромиктические озера могут образовываться, когда соленый приток (естественный или искусственный) поступает в пресноводное озеро или если в соленое озеро поступает пресноводный приток ⁴ .(стратификация)

Поскольку соленая вода не может содержать столько же растворенного кислорода, сколько пресная вода, расслоение из-за галоклинов может способствовать возникновению гипоксических и бескислородных условий на дне водоема ²¹ .

 

Типичные уровни электропроводности и солености

В то время как источники пресной воды имеют низкую электропроводность, а морская вода имеет высокую электропроводность, не существует установленного стандарта электропроводности воды. Вместо этого некоторые организации и регионы установили предельные значения общего количества растворенных твердых веществ для водоемов ^14,37 .Это связано с тем, что проводимость и соленость могут различаться не только между океанами и пресной водой, но даже между соседними потоками. Если окружающая геология достаточно различна или если один источник имеет отдельный приток, значения проводимости соседних водоемов не будут одинаковыми.

Несмотря на отсутствие стандартов и влияние окружающей среды на электропроводность, существуют приблизительные значения, которые можно ожидать на основе источника ^13,14 :

Пресная вода имеет широкий диапазон электропроводности из-за влияния геологии.Пресная вода, протекающая через гранитную породу, будет иметь очень низкое значение проводимости ³⁴ . Глинистые и известняковые почвы могут способствовать более высоким значениям проводимости в пресной воде ³⁴ . Некоторые соленые озера существуют из-за ограниченного оттока ⁴ . Проводимость этих озер зависит от конкретного присутствующего ионного состава ⁴ .

Электропроводность эстуариев, как правило, наиболее изменчива, поскольку на них постоянно влияют потоки пресной и соленой воды.Проводимость морской воды зависит от солености и температуры воды ³⁸ . Измерения будут различаться между экватором и полюсами, а также в зависимости от глубины из-за зависимости проводимости от температуры ³⁸ .

Как и в случае с проводимостью, ожидаемую соленость водоема можно только оценить. Значения солености океана могут варьироваться от 30 до 37 PSU ²² . Несмотря на различия в солености, ионный состав морской воды остается удивительно постоянным по всему земному шару ³ .Соленость поверхности океана зависит от количества осадков. В районах вокруг экватора и побережья, где выпадает много осадков, значения поверхностной солености ниже среднего ²⁸ . Эти различные значения солености способствуют циркуляции океана и глобальным климатическим циклам ³¹ .

В следующей таблице представлены приблизительные значения солености в ppt (частях на тысячу) ²⁷ :

После того, как были проведены измерения электропроводности, легко увидеть установленный диапазон для конкретного водоема ¹ .Этот диапазон можно использовать в качестве базовой линии для оценки измерений как ожидаемых (и неожиданных) значений ¹ .

 

Деионизированная вода

Важно отметить, что только потому, что деионизированная вода или сверхчистая вода не содержит посторонних ионов, это не означает, что ее проводимость равна 0 мкСм/см ⁴⁵ . Значение проводимости будет очень низким и в большинстве случаев незначительным, но даже в деионизированной воде присутствуют ионы H+ и OH-. При комнатной температуре концентрация как ионов H+, так и ионов OH- составляет 10⁻⁷ M (представьте, что pH – деионизированная вода будет иметь нейтральный pH 7 без контакта с атмосферой), создавая очень маленькое значение проводимости ⁴⁶ .Несмотря на это низкое значение проводимости, деионизированная вода по-прежнему будет иметь нулевую соленость; в ней нет ионов соли, только H+ и OH-, которые естественным образом присутствуют в чистой воде.

Деионизированная вода должна иметь проводимость 0,055 мкСм/см или удельное сопротивление 18 МОм при 25 °C, если она не контактировала с воздухом (особенно с CO2) ^5,47 . Если деионизированная вода уравновешивается воздухом, проводимость будет ближе к 1 мкСм/см (1 МОм) при 25 °C (и будет иметь pH 5.56). Большинство стандартов допускают диапазон проводимости 0,5-3 мкСм/см при 25 °C для дистиллированной воды, в зависимости от времени, в течение которого вода находилась на воздухе ^13,14 .

Изменения температуры окажут большее влияние на проводимость деионизированной воды (или любой почти чистой воды) из-за молярной эквивалентной проводимости H+ и OH- в отсутствие других ионов ³ . Вместо увеличения проводимости на 2-3% на градус Цельсия, она может увеличиться примерно на 5% на градус Цельсия ³ .

 

Последствия необычных уровней

Необычные уровни проводимости и солености обычно указывают на загрязнение ¹ . В некоторых случаях, таких как чрезмерное количество осадков или засуха, они могут быть связаны с экстремальными естественными причинами. Независимо от того, был ли результат вызван искусственными или естественными источниками, изменения проводимости, солености и TDS могут оказывать влияние на водную жизнь и качество воды.

Большинство водных видов приспособились к определенным уровням солености ⁴ .Значения солености за пределами нормального диапазона могут привести к гибели рыбы из-за изменений концентрации растворенного кислорода, регуляции осмоса и токсичности TDS ^4,21,37 .

Когда значения проводимости и солености выходят за пределы их обычного диапазона, это может нанести ущерб водным обитателям водоема. Вот почему меньше, но, возможно, более выносливых видов приспособились к жизни в эстуариях, где соленость постоянно меняется. Эстуарная жизнь может переносить быстро меняющиеся уровни солености лучше, чем ее пресноводные и морские собратья ⁴ .Но даже эти виды, обитающие в солоноватой воде, могут пострадать, если изменения солености станут слишком резкими.

Процитировать эту работу

Fondriest Environmental, Inc. «Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ». Основы экологических измерений. 3 марта 2014 г. Интернет. < https://www.fondriest.com/environmental-measurements/parameters/water-quality/conductivity-salinity-tds/ >.

Дополнительная информация

Плотность воды | Геологическая служба США

•  Школа наук о воде ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА  •  Темы, посвященные свойствам воды  •

Плотность воды

Если вы еще учитесь в школе, вы, вероятно, слышали это утверждение на уроках естествознания: » Плотность — это масса вещества на единицу объема». На Земле можно предположить, что масса равна весу, если это упрощает задачу.

Если вы еще не в школе, то вы, вероятно, забыли, что вообще когда-либо слышали это. Определение плотности имеет гораздо больше смысла с небольшим объяснением. Пока объект состоит из молекул и, следовательно, имеет размер или массу, он имеет плотность. Плотность — это просто вес выбранного количества (объема) материала. Общепринятой единицей измерения плотности воды является грамм на миллилитр (1 г/мл) или 1 грамм на кубический сантиметр (1 г/см ³ ).

На самом деле, точная плотность воды на самом деле не 1 г/мл, а немного меньше (очень, очень немного меньше), 0,9998395 г/мл при 4,0° по Цельсию (39,2° по Фаренгейту). Однако чаще всего вы будете видеть округленное значение 1 г/мл.

 

Плотность воды зависит от температуры

Расти со старшим братом было трудно, особенно когда к нему приходили его друзья, потому что их любимым занятием было думать о том, как насолить мне. Однако однажды я смог использовать плотность воды, чтобы, по крайней мере, подшутить над ними.В один из жарких летних дней они забрались на огромный холм рядом с нашим домом, чтобы выкопать яму, чтобы спрятать свою коллекцию бутылочных крышек. Им захотелось пить, и они заставили меня вернуться домой и принести им галлон воды. Этот галлон водопроводной воды при температуре 70 ° F весил 8,329 фунта, что было много для 70-фунтового ребенка, чтобы подняться на огромный холм.

Итак, когда они потребовали еще галлон воды, я заглянул в «Интернет» того дня — энциклопедию — и узнал, что галлон воды с температурой кипения весит всего 7.996 фунтов! Я взбежал на холм, неся свой галлон воды, который весил на 0,333 фунта меньше; и побежали вниз еще быстрее, их сердитые голоса затихли позади меня.

 

Температура (°F/°C)	Плотность (грамм/см 3	Вес (фунт/фут 3
32°F/0°C	0,99987	62.416
39,2°F/4,0°C	1.00000	62.424
40°F/4,4°C	0,99999	62.423
50°F/10°C	0,99975	62.408
60°F/15,6°C	0,99907	62,366
70°F/21°C	0,99802	62.300
80°F/26,7°C	0,99669	62,217
90°F/32,2°C	0,99510	62,118
100°F/37.8°С	0,99318	61,998
120°F/48,9°C	0,98870	61,719
140°F/60°C	0,98338	61,386
160°F/71,1°C	0,97729	61.006
180°F/82,2°C	0,97056	60,586
200°F/93,3°C	0,96333	60,135
212°F/100°C	0.95865	59.843

Источник: Министерство внутренних дел США, Бюро мелиорации, 1977 г., Руководство по грунтовым водам , из
Водная энциклопедия, третье издание, гидрологические данные и интернет-ресурсы, под редакцией Педро Фиерро-младшего
и Эвана К. Найлер, 2007

Лед менее плотный, чем вода

Если вы посмотрите на это изображение, то увидите, что часть айсберга находится ниже уровня воды. Это не удивительно, но на самом деле почти весь объем айсберга находится ниже ватерлинии, а не над ней.Это связано с тем, что плотность льда меньше плотности жидкой воды. При замерзании плотность льда уменьшается примерно на 9 процентов.

Большая часть айсберга находится ниже поверхности воды.

Лучший способ представить себе, как вода может иметь разную плотность, — это посмотреть на замерзшую воду. Лед на самом деле имеет совсем другую структуру, чем жидкая вода, в которой молекулы выстраиваются в правильную решетку, а не более беспорядочно, как в жидкой форме. Бывает, что решетчатое устройство позволяет молекулам воды быть более разбросанными, чем в жидкости, и, таким образом, лед менее плотен, чем вода.Опять же, к счастью для нас, так как мы не услышали бы восхитительного звона кубиков льда о стенку стакана, если бы лед в нашем чае со льдом опустился на дно. Плотность льда составляет около 90 процентов от плотности воды, но она может варьироваться, поскольку лед также может содержать воздух. Это означает, что около 10 процентов ледяного куба (или айсберга) будет находиться над ватерлинией.

Это свойство воды имеет решающее значение для всего живого на Земле. Поскольку вода при температуре около 39 ° F (4 ° C) более плотная, чем вода при 32 ° F (0 ° C), в озерах и других водоемах более плотная вода опускается ниже менее плотной воды.Если бы вода была наиболее плотной в точке замерзания, то зимой очень холодная вода на поверхности озер опускалась бы, озеро могло бы замерзнуть снизу вверх. А так как вода является таким хорошим изолятором (из-за ее теплоемкости ), некоторые замерзшие озера могут не полностью оттаять летом.

Реальное объяснение плотности воды на самом деле более сложное, поскольку плотность воды также зависит от количества растворенного в ней вещества. Вода в природе содержит минералы, газы, соли и даже пестициды и бактерии, некоторые из которых растворены.Чем больше вещества растворяется в галлоне воды, тем больше этот галлон будет весить и быть более плотным — океанская вода плотнее чистой воды.

 

Тяжелые кубики льда опускаются на дно стакана с водой, а обычные плавают.

Авторы и права: Майк Уокер

Мы говорили, что лед плавает на воде, но как насчет «тяжелого льда»?

Мы уже говорили, что лед плавает на воде, потому что он менее плотный, но лед особого вида может быть более плотным, чем обычная вода. «Тяжелый лед» — 10.На 6 процентов плотнее обычной воды, потому что лед состоит из «тяжелой воды». Тяжелая вода, D ₂ O вместо H ₂ O, представляет собой воду, в которой оба атома водорода заменены дейтерием, изотопом водорода, содержащим один протон и один нейтрон. Тяжелая вода действительно тяжелее обычной воды (которая естественным образом содержит небольшое количество молекул тяжелой воды), и лед из тяжелой воды тонет в обычной воде.

 

Измерение плотности

Ареометр используется для измерения плотности жидкости.

Прибор для измерения плотности жидкости называется ареометром. Это одно из самых простых научно-измерительных устройств, и вы даже можете сделать его сами из пластиковой соломинки (см. ссылки ниже). Однако чаще он сделан из стекла и очень похож на термометр. Он состоит из цилиндрического стержня и утяжеленной груши на дне, чтобы держать его в вертикальном положении. Ареометр осторожно опускают в измеряемую жидкость до тех пор, пока ареометр не начнет свободно плавать. На устройстве есть выгравированные или отмеченные линии, чтобы пользователь мог видеть, насколько высоко или низко плавает ареометр.В менее плотных жидкостях ареометр будет плавать ниже, а в более плотных — выше. Поскольку вода является «стандартом», по которому измеряются другие жидкости, отметка для воды, вероятно, обозначена как «1.000»; следовательно, удельный вес воды при температуре около 4°C равен 1.000.

Ареометры имеют множество применений, не последним из которых является измерение солености воды на уроках естествознания в школах. Они также используются в молочной промышленности для оценки содержания жира в молоке, поскольку молоко с более высоким содержанием жира будет менее плотным, чем молоко с меньшим содержанием жира.Ареометры часто используются людьми, которые делают пиво и вино дома, поскольку они показывают, сколько сахара находится в жидкости, и позволяют пивовару узнать, как далеко зашел процесс брожения.

Сделайте свой собственный ареометр:

 

 

Вы думаете, что много знаете о свойствах воды?
Пройдите наш интерактивный тест о свойствах воды, верно/неверно, и проверьте свои знания о воде.

.