Поднять плотность аккумулятора: Как повысить плотность электролита в аккумуляторе. Самостоятельно, зарядным устройством и без него. Простые шаги

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе

Плотность электролита в аккумуляторе является одной из важнейших характеристик работоспособности портативного источника электроэнергии. Если по тем или иным причинам этот показатель не будет соответствовать норме, то работоспособность автомобильной батареи будет под большим вопросом.

На что влияет плотность электролита

Плотность электролита напрямую влияет на способность АКБ накапливать энергию во время заряда. Если этот показатель значительно ниже нормы, то батарея не будет выдавать максимального стартерного тока. Кроме этого, продолжительность работы аккумулятора резко снизится.

Высокая плотность электролита также негативно влияет на работоспособность источника питания, существенно снижая его срок службы. Связано это, прежде всего, с увеличенным образованием сульфатов на поверхности свинцовых пластин.

Такой «налёт» плохо проводит электроэнергию, что способствует значительному снижению ёмкости АКБ. Со временем сильно сульфатированные батареи полностью перестают «держать» заряд и их приходится утилизировать.

Опасность физического разрушения батареи может наступить в случае, когда батарея, в которой находится электролит с низким содержанием серной кислоты, оставляется зимой в неотапливаемом помещении. В таких случаях, даже при медленном оттаивании, источники электроэнергии могут быть полностью непригодны для дальнейшего использования.

Сульфатация пластин

Какая должна быть плотность в зависимости от сезона

Плотность электролита в зимнее время и летом может быть неодинаковой. В холодное время года рекомендуется увеличить этот показатель, чтобы даже в сильный мороз предохранить батарею от разрушения. В среднем, плотность аккумуляторной жидкости в зависимости от сезона выглядит следующим образом:

• Зима: 1,30 г/см3.
• Лето: 1,26 г/см3.

Перечисленные значения являются самыми крайними для очень суровой зимы и жаркого лета. В субтропическом климате вполне возможна эксплуатация батареи круглый год при значении плотности электролита 1,27 г/см3.

Как проверить плотность

Определить плотность в аккумуляторах, не оборудованных специальным «глазком», практически невозможно, но даже при наличии в АКБ подобного элемента о концентрации серной кислоты можно судить лишь условно. Точно определить этот параметр можно с помощью специального прибора.

Ареометр

Ареометр представляет собой устройство, в котором имеется «поплавок» со шкалой. По степени погружения этой детали в электролит можно точно узнать плотность электропроводящей жидкости. Замер осуществляется очень просто:

• Открыть пробки.
• Установить прибор в отверстие.
• Сжать «грушу».
• Отпустить резиновый элемент.
• Определить на шкале плотность жидкости.

Таким образом производится замер во всех банках аккумулятора.

При отсутствии ареометра, плотность можно измерить с помощью электронных весов и мерной ёмкости, объёмом 100 мл. Для выполнения процедуры достаточно набрать электролита из одной банки, после чего, установить резервуар на измерительный прибор.

Значения веса Нетто в граммах будет равно плотности электролит со смещением запятой влево на 2 знака. Например: 127 грамм будут равны плотности 1,27 г/см3. Измеряется только вес Нетто, то есть, перед выполнением процедуры следует не забыть взвесить пустую ёмкость, и вычесть это значение из общей массы.

Из-за чего падает плотность

Основная причина существенного падения плотности электролита – это постоянное разбавление жидкости внутри банок дистиллированной водой, при частых утечках. Истечение может происходить при наличии трещин в корпусе либо недостаточно плотно закрытых пробках.

Если причиной изменения состава токопроводящей жидкости является негерметичность корпуса, то место протечки необходимо выявить как можно скорее. Плохо закрытые пробки необходимо как следует завинтить либо установить на силиконовый герметик.

Незначительное отклонение концентрации серной кислоты всегда обнаруживается при сильном разряде батареи. Такое состояние очень вредно для свинцовой АКБ. Если батарея «на нуле», то следует незамедлительно подключить источник питания к зарядному устройству.

Как повысить плотность в аккумуляторе

Повысить плотность в аккумуляторе совсем несложно. Для выполнения этой операции можно использовать корректирующий или обычный электролит либо зарядное устройство.

Корректирующий электролит

С помощью корректирующего электролита

Воспользоваться этим методом восстановления плотности электролита можно только в том случае, если батарея является обслуживаемой, а концентрация серной кислоты в  электропроводящей жидкости не снизилась ниже критического уровня.

Корректирующий электролит представляет собой раствор серной кислоты (формула h3SO4) в дистиллированной воде со значительно большей концентрацией основного вещества. Корректировка заключается в удалении из банок сильно разбавленного электролита.

Сделать это можно с помощью груши или ареометра. Затем вместо отобранной жидкости заливается корректирующий состав. При выполнении этой операции следует постоянно контролировать плотность электролита в банках с помощью ареометра.

Повышаем с помощью зарядного устройства

С помощью зарядного устройства можно поднять плотность электропроводящей жидкости как в батареях с наличием пробок, так и в необслуживаемых моделях.

Для того чтобы выровнять значение плотности достаточно подключить прибор к аккумулятору соблюдая полярность, а затем подключить устройство к сети 220 В. При возможности выбора силы тока, для более плавного повышения плотности, рекомендуется установить значение этого параметра в 10% от ёмкости АКБ.

Полная замена электролита

Полная замена электролита понадобится, если плотность электролита невозможно восстановить зарядкой или с помощью корректирующего раствора. Для замены токопроводящей жидкости потребуется приготовить новый электролит, пластмассовую воронку, резиновую грушу, ареометр, а также ёмкость для слива старой жидкости.

Производится такая операция по следующей инструкции:

• Удалить пробки из банок.
• Выкачать электролит из аккумулятора используя грушу (для того чтобы достать жидкость со дна рекомендуется надеть на резиновое приспособление тонкую силиконовую трубочку).
• Залить новый электролит, используя воронку (эту процедуру следует выполнять очень медленно, чтобы не расплескать едкую жидкость).

После того, как во всех банках уровень токопроводящей жидкости будет доведён до оптимального значения, пробки устанавливаются на место, а аккумуляторная батарея подключается к сетевому зарядному устройству.

Следует отметить, что таким образом можно откорректировать плотность только в обслуживаемых моделях АКБ.

Меры предосторожности при работе

Доливать электролит в банки либо полностью заменять жидкость аккумулятора следует только с соблюдением мер предосторожности. Раствор серной кислоты является очень активной жидкостью, которая вступает в реакцию с органическими и неорганическими веществами.

Попадание электролита в глаза во время работы может привести к необратимым изменением функционирования органов зрения, поэтому использование специальных защитных очков является обязательным.

При разливе токопроводящей жидкости на кожные покровы поверхность тела покроется сильнейшими химическими ожогами. По этой причине также следует использовать резиновые перчатки и фартук, который поможет защитить одежду от сквозных отверстий.

Негативное воздействие кислоты на металлические поверхности проявляется в разъедании изделий из этого материала. Химической реакции подвержены даже очень прочные сплавы, поэтому если необходимо добавить электролит, следует снять батарею с машины.

При восстановлении плотности АКБ от сетевого зарядного устройства, необходимо следить за наличием достаточного движения воздуха в помещении. При отсутствии проветривания возможно возгорание газа, который образуется при зарядке. Кроме этого, вдыхание подобных смесей может вызвать сильное отравление.

Если все меры предосторожности будут предприняты до начала работ по восстановлению плотности аккумуляторного электролита, то эта процедура будет выполнена без каких-либо осложнений.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Как поднять плотность в аккумуляторе автомобиля?

Машина в очередной раз не может завестись. Какая же причина? Нередко такое бывает при разрядке аккумулятора. Каким же образом выяснить степень его зарядки? Это определяется проверкой насыщенности электролита в батарее. Этот процесс проводится с помощью специального измерительного механизма – кислотомера. Он представляет собой стеклянную колбу с содержащимся в ней ареометром. На одном конце имеет резиновую грушу, которую используют для выкачивания электролита. 

Кислотомер погружается в ячейку аккумулятора. Шкала ареометра показывает величину плотности электролита, которую сравнивают с табличными данными, разработанными специалистами. В норме насыщенность аккумулятора, в зависимости от южной или северной климатической зоны, варьирует от 1,25 до 1,29 кг на литр. 

При этом различие в показаниях двух банок не должно превышать 0,01. При выявлении плотности аккумулятора ниже нормы, ее необходимо поднять. Существуют разные методы повышения плотности в зависимости от полученных значений при измерении. Если насыщенность аккумулятора составляет от 1,18 до 1,20 кг на литр, необходимо долить электролит плотностью 1,27. Вначале поднимается плотность одной банки. Грушей кислотомера откачивается как можно большая часть имеющегося электролита, а новый доливается в количестве, составляющем половину объема откачанного. Таким образом, следует довести показатель плотности до нормы. Остаток дополняется дистиллированной водой. Когда насыщенность аккумулятора составляет меньше 1,18, применяется аккумуляторная кислота, так как ее плотность больше, чем у электролита. Процедура осуществляется таким же образом, как и ранее. Но она может повторяться, и столько раз, пока плотность не поднимется до нормы. 

Для повышения насыщенности аккумулятора применяют и третий способ — полностью заменяется старый электролит. Грушей откачивается по возможности наибольшее количество имеющегося электролита. Потом закручиваются заглушки исключительно от данного автоаккумулятора, иначе нарушается герметичность. На днище аккумулятора, который лежит на боковой стороне, сверлом (3-3,5) просверливаются дырочки по одной в банке. Электролит в данном случае сливается. Далее внутренняя часть аккумулятора основательно промывается дистиллированной водой. Проделанные дырочки закрываются заглушками побочного аккумулятора или кислостойкой пластмассой. 

Теперь необходимо приготовить электролит, который заменит старый. Для этого в дистиллированную воду добавляется аккумуляторная кислота (не в обратном порядке!). В целях безопасности при проведении этой процедуры надевают очки и обязательно применение резиновых перчаток. Вновь изготовленный электролит должен иметь плотность больше, чем положено для данного климатического пояса. И последний момент – заливание в аккумулятор свежеприготовленного электролита.

Как поднять плотность электролита в аккумуляторе? | Автобрюзгач

Источник: https://youtu.be/AvDJwc_JMGs

Источник: https://youtu.be/AvDJwc_JMGs

В каждом транспортном средстве установлены специальные аккумуляторные батареи, которые способствуют запуску двигателя и работе электрических приборов в момент выключенного зажигания. Однако часто встречаются обстоятельства, когда аккумулятор садится. Произойти это может из-за того, что автовладелец не выключил фары, магнитолу или по другим подобным причинам.

После этого большинство владельцев знакомится с таким термином, как плотность аккумулятора. Однако реальное его значение обозначает плотность электролита в аккумуляторной батарее. От этого показателя зависит возможность производить перезарядку и сохранять накопленную в этот момент энергию.

Чтобы аккумулятор работал исправно необходимо следить за плотностью электролита после проезда 15-20 тысяч километров. Делается это при помощи специального прибора — денсиметра. Однако при замерах требуется учитывать, в каком климате эксплуатируется транспортное средство.

Чтобы повысить данный показатель можно использовать зарядное устройство или произвести самостоятельный долив определённых жидкостей.

В первом случае зарядка аккумуляторной батареи должна происходить на слабом токе длительное время. Когда она зарядится полностью, из-за кипения электролита произойдет испарение воды. Таким образом, соотношение будет изменено и количество кислоты станет больше. Однако такой способ считается долгим. Чтобы достичь повышения на минимально допустимый уровень понадобится несколько суток.

Второй способ считается более быстрым. Однако произвести увеличение можно путем добавлением кислоты или концентрированного электролита.

До этого понадобится следующий инструменты: вода, дистиллированная типа; кислота или корректирующий электролит; груша; тара для разведения жидкости; ареометр и стакан для измерений.

Сама процедура предполагает несколько шагов:

1. Из каждой банки, находящийся в аккумуляторе, отбирается определенный объем электролита.

2. Взамен, в таком же количестве заливается выбранная жидкость.

3. После этого требуется установить аккумуляторную батарею на зарядку. За счёт этого произойдет смешивание всех жидкостей.

4. После отключения от зарядки КПП необходимо оставить для выравнивания плотности во всех банках.

После этого происходят повторные замеры, и при необходимости процедуру повторяют до тех пор, пока показатель не придёт в норму.

Если вам понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на канал. Каждый день мы публикуем новые интересные статьи.

Как поднять плотность в аккумуляторе автомобиля?

Довольно часто повторяемая ситуация – это когда после какого-то времени простоя машины становится очень трудным завести заново двигатель. Стартер просто отказывается крутиться. За это небольшое время аккумулятор успевает почти полностью разрядиться. При этом долговременная зарядка аккумулятора уже может не помогать справиться с проблемой. Причина в том, что плотность электролитической среды в аккумуляторе резко уменьшилась. Это происходит в разных типах аккумуляторов по-разному и вследствие различных причин, например, в случае перезарядки, испарения раствора или из-за потерь при наличии трещин в корпусе. Для того, чтобы уровень наполненности жидкостью в аккумуляторе сохранялся стабильным, в старые варианты аккумуляторов можно было доливать воду. Однако, делать это бесконтрольно нельзя, следует обязательно проверять достигнутую плотность раствора. Постепенное выкипание приводит не только к испарению воды из раствора кислоты, но и к тому, что часть кислоты также связывается в новые соединения, которые либо оседают в банке батареи, либо улетучиваются.

Восстановить работоспособность батареи достаточно просто, при этом следует повторять простой алгоритм. Например, плотность среды в аккумуляторе нужно измерить при температуре до 22°С, чтобы знать его начальную величину. Работать с аккумуляторной жидкостью можно только при полных средствах защиты – перчатках, очках и защите для органов дыхания. Перед тем как разводить электролит, нужно вспомнить, что вливается исключительно кислота в воду, наоборот — запрещено, потому что это может вызвать взрыв. Батареи даже при опустошении запрещено переворачивать дном вверх – при этом активная поверхность на пластинах может осыпаться, и это в будущем приведёт к короткому замыканию и разрушению батареи. Нужно заранее готовить ёмкости для слива старого электролита и в которой нужно будет разводить свежий. Плотность аккумулятора, который зарядили, повышается. Если нужно запаивать отверстия в батарее, то для этого следует применять исключительно стойкую к электролиту пластмассу. Описанная процедура применяется только с кислотными, но не со щелочными аккумуляторами.

Параметры электролитической среды нужно проверять на каждой из банок отдельно. Затем удалять старый электролит из банки также нужно по одной. Из банки выкачивается как можно больше старого наполнения при помощи груши. Затем доливается новый электролит, примерно в половину выкачанного объёма. Батарею нужно покачать либо потрясти для того, чтобы жидкость аккуратно размешалась по всему объёму. Снова замеряется плотность среды в банке, если оно не достигло среднего идеального показателя, нужно добавить ещё половину оставшегося объёма. Данные действия следует повторять, пока не будет получена должная плотность. Остаток добавляется уже дистиллированной водой.

19.03.2016

Как поднять плотность электролита

Плотность электролита снижается при разрядке аккумулятора, куда он заливается. Чтобы поднять его плотность, попытайтесь зарядить аккумулятор до кипения в банках. Если после этого плотность электролита не поднялась до нужного показателя, освободите в нем место и долейте серную кислоту.Вам понадобится

Поднятие плотности электролита без доливания кислотыПервым признаком падения плотности электролита является разрядка аккумулятора. Для того чтобы определить плотность, используйте ареометр. Для этого с его помощью оттяните некоторое количество электролита и по всплывающим поплавкам определите его плотность. Она должна составлять 1,27 г/см3, зимой она может быть чуть выше. Если плотность электролита меньше нормы, подсоедините аккумулятор к зарядному устройству и заряжайте его до тех пор, пока электролит в банках не закипит. Затем разрядите его с помощью лампочки, за это время измерьте ток разрядки и ее время. Перемножив эти значения, узнайте емкость аккумулятора и сравните ее с паспортной. Если она более чем на 30% меньше, то перезарядка не поможет. В обратном случае снова зарядите аккумулятор и замерьте плотность электролита. Она должна прийти в норму.

Поднятие плотности электролита доливанием кислотыВ том случае, если первый метод не помог, и плотность электролита остается менее 1,27 г/см3, долейте кислоту. Для этого ареометром оттяните некоторое количество электролита и залейте серную кислоту. Учтите, что ее плотность составляет 1,83 г/см3, и это очень едкое вещество. В автомагазинах продается концентрат электролита плотностью 1,4 г/см3 — он более безопасен, поэтому лучше используйте его. Доливайте концентрат, пока плотность не увеличится до нужного значения. После этого поставьте аккумулятор на зарядку с небольшим током (не более 2 А) на полчаса. За это время электролит полностью перемешается. Снова проверьте плотность во всех банках. Она должна быть одинаковой и соответствовать нормам. Если плотность все еще мала, повторите операцию снова.

Особую осторожность соблюдайте при работе с серной кислотой. Не допускайте ее попадания на кожу или одежду. Если это произошло, смойте электролит большим количеством воды и обработайте это место раствором соды, которая нейтрализует кислоту. При оттягивании раствора ни в коем случае не переворачивайте аккумулятор, потому что шлам от пластин может закоротить батарею, и она испортится.

Лучший ответ: Как поднять плотность в аккумуляторной батареи?

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе?

Как повысить плотность

Осмотрите аккумулятор: на нем не должно быть дефектов и повреждений, особое внимание уделите токовыводам. Если уровень в норме (от 1,18) долейте электролит с нормальной плотностью до 1,25. Выполняйте долив в каждой банке, используя клизму-грушу.

Что делать при низкой плотности электролита?

Если плотность в аккумуляторе снижена до 1.18, тогда нужно доливать не электролит, а аккумуляторную кислоту. Плотность такой кислоты намного выше. В случаях, когда сразу поднять плотность не удалось, процесс повторяется до тех пор, пока не удается получить нужное значение.

Как довести плотность электролита в аккумуляторе до нормы?

К примеру, рекомендуется залить в батарею раствор воды с содой и оставить его там на 4 часа. После этого также рекомендуется заливать на час в аккумулятор раствор поваренной соли. Очистив банки аккумулятора от старого электролита, необходимо залить в него новый.

Как приготовить электролит для аккумуляторной батареи?

Электролит приготовляется путем разведения аккумуляторной серной кислоты плотностью 1,83… 1,84 (ГОСТ667—73) в дистиллированной воде с допустимыми примесями. Химическая чистота электролита оказывает существенное влияние на работоспособность и срок службы батарей.

Как можно проверить плотность аккумулятора?

Проверка плотности проводится ареометром. Для этого трубку помещают в заливное отверстие и откачивают часть жидкости. Электролит нужно проверять в каждой банке. Рекомендуем проводить проверку при температуре 20-30 °C., тогда стандартными показателями будут 1.27 – 1.29.

Что будет если плотность электролита низкая?

Впрочем, зачастую подзарядки требует и находящаяся в эксплуатации батарея. Плотность полностью заряженной батареи составляет 1.27- 1.28 г/см3, напряжение — 12.5 В. О степени разряженности батареи судят по плотности электролита. Чем ниже плотность электролита, тем сильнее батарея разряжена.

Как правильно измерить плотность аккумулятора в домашних условиях?

Измерение ареометром производят при температуре электролита +20 … +30°C. Если температура иная, то необходимо применять корректировочные поправки к показанию ареометра. Пользование ареометром настолько простое, что даже можно проверить плотность электролита в домашних условиях.

Как изменяется плотность электролита при разряде аккумулятора?

По мере разряда аккумулятора плотность электролита снижается от 1,28 г/см3 до 1,09 г/см3, что приводит к снижению его электропроводности почти в 2,5 раза. В результате омическое сопротивление аккумулятора по мере разряда увеличивается.

Какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе летом?

К примеру, при умеренном климате плотность электролита должна находиться на уровне 1,25-1,27 г/см3 ±0,01 г/см3. В холодной зоне, с зимами до -30 градусов на 0,01 г/см3 больше, а в жаркой субтропической — на 0,01 г/см3 меньше.

Почему в аккумуляторе падает плотность электролита?

Неопытные автолюбители нередко доливают в АКБ большие объемы дистиллированной воды. Ошибочный подход! Если уровень дистиллята будет слишком высоким, то электролит выкипит. Это основная причина, почему падает плотность.

Как правильно корректировать плотность электролита?

Аккуратно покачайте аккумулятор в разные стороны, затем замерьте плотность снова. Если плотность не достигла требуемого значения, долейте еще ¼ от выкачанного ранее объема электролитом. Таким образом, следует доливать электролит, каждый раз уменьшая его количество в два раза.

Как правильно приготовить электролит?

для его изготовления вам нужно смешать компоненты в пропорции 0,36 л серной кислоты на 1 л дистиллированной воды. 5. В теплых районах плотность электролита должна составлять 1,26 г/см, для подготовки берут 0,33 л серной кислоты и 1 литр дистиллированной воды.

Как правильно разбавлять электролит?

Пропорции воды и серной кислоты.

1. В ёмкость, устойчивую к едким веществам, налейте нужный объем воды.
2. Разбавлять воду кислотой следует постепенно.
3. По окончании процесса вливания замеряйте плотность получившегося электролита с помощью ареометра.
4. Дайте составу отстояться около 12 часов.

Узнаем как поднять плотность электролита в аккумуляторе?

Иногда даже после одного дня простоя автомобиль отказывается заводиться. Оказывается, даже за столь короткое время плотность электролита в аккумуляторе может снизиться до крайней отметки. Конечно, случается это не каждый день, но риск опоздать на работу или важную встречу всё же есть. Поэтому каждую неделю нужно следить за состоянием аккумуляторной батареи и в случае необходимости заряжать ее. Но что делать, если даже этот процесс не помогает восстановить прежние характеристики батареи? Давайте разберёмся в этом вопросе.

Почему так случается?

Когда даже после длительной зарядки машина всё равно не заводится, это говорит о том, что плотность электролита в аккумуляторе снизилась до крайней точки. В таком случае спешить никуда не надо, поскольку процесс по восстановлению данной детали очень длительный. А случается низкая плотность электролита в аккумуляторе из-за его частых перезарядок. Такие действия нередко приводят к испарению раствора и закипанию данной детали. Поэтому если поле 20-часовой зарядки уровень батареи остался на минимуме, то плотность электролита в аккумуляторе существенно снижена.

Как выйти из такой ситуации?

Для того чтобы вернуть прежнюю плотность батареи, следует добавить в неё свежий электролит. Благодаря такой жидкости проблемная деталь сразу поднимет свою консистенцию.

Инструкция по восстановлению

Ниже вы сможете увидеть процесс, благодаря которому низкая плотность электролита в аккумуляторе будет повышена.

Прежде всего измерьте показания проблемной детали при помощи ареометра. Если показания плотности равны отметке ниже, чем 1.20, знайте – батарея нуждается в вашем внимании. Осуществляется процесс «спасения» аккумулятора путем доливания электролита плотностью 1.28. Для начала это делаем с одной банкой. Чтобы увеличить плотность, следует откачать как можно больше старого раствора. Делается это при помощи такого инструмента, как клизма-груша. После того как жидкость откачана, следует замерить её объём. Далее в аккумулятор нужно поместить новый электролит. Но это ещё не весь процесс.

Чтобы плотность электролита в аккумуляторе зимой повысилась до нормы, нужно хорошо перемешать обе жидкости. Для этого надо хорошо потрясти либо покачать батарею. Затем, после того как оба электролита стали одним целым, замеряем их плотность. В случае, когда результаты показали неудовлетворительную отметку, заливаем в банку ещё несколько миллилитров свежего электролита. Данный процесс повторяется до тех пор, пока значение измерительных приборов не покажет отметку выше 1.25. Оставшийся объём банок следует заполнить дистиллированной водой. Но ни в коем случае не стоит заливать ею всю емкость, поскольку в таком случае плотность электролита в аккумуляторе ещё больше упадёт, и ничем хорошим это не кончится.

Полезный совет

Перед началом работ следует помнить, что ареометр должен показывать неодинаковые результаты при измерениях. Оптимальный диапазон должен находиться в пределах от 1.25 до 1.29. Если вы пребываете в северных широтах, данные результаты должны быть несколько выше южных, но не больше, чем на 0.02.

Шесть новых способов повысить плотность энергии аккумуляторов – журнал pv International

Британские ученые разработали модель, объясняющую одну из проблем использования окислительно-восстановительной реакции в некоторых катодных материалах для литий-ионных аккумуляторов. Основываясь на своем улучшенном понимании реакции, они предлагают несколько возможных путей дальнейших исследований, чтобы избежать нежелательных реакций и разработать обратимые катодные материалы с высокой плотностью энергии.

8 марта 2021 г. Марк Хатчинс

Синкротрон с алмазным источником света в Великобритании, который помог ученым расшифровать кислородно-окислительно-восстановительный механизм, сдерживающий появление новых катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов.

Изображение: Протез головы/Викимедиа

Катодные материалы с высоким содержанием лития вызывают интерес у ученых, работающих в области накопления энергии, с начала 2000-х годов. Было показано, что в этих материалах кислородно-окислительно-восстановительная реакция накапливает дополнительный заряд в оксидных ионах, а также в ионах переходных металлов, что потенциально повышает емкость материала.

Однако при включении в батарею такие катодные материалы претерпевают необратимые структурные изменения при первой зарядке, немедленно снижая их последующее напряжение.И механизмы, лежащие в основе этих структурных изменений, озадачили ученых и сдерживали дальнейшее развитие материалов. Имея это в виду, британский Институт Фарадея решил наблюдать за структурными изменениями этих катодов в действии.

«В постоянно усложняющемся поиске постепенного улучшения плотности энергии литий-ионных аккумуляторов возможность использовать потенциал кислородно-окислительно-восстановительных катодов и более значительные улучшения, которые они предлагают, по сравнению с катодами с высоким содержанием никеля, используемыми сегодня в коммерческих целях, потенциально значительно», — сказал Питер Брюс, главный научный сотрудник Института Фарадея.«Более глубокое понимание фундаментальных механизмов окислительно-восстановительного потенциала кислорода является важным шагом в информировании о стратегиях смягчения текущих ограничений таких материалов, приближая их потенциальное коммерческое использование на шаг к реальности».

Окисление кислорода

Используя методы рентгеновской визуализации на объекте Diamond Light Source в Великобритании, группа смогла подтвердить изменения в кислороде, которые приводят к потере напряжения после первой зарядки, а также разработать модель, объясняющую весь процесс.

В катодах с высоким содержанием лития молекулярный кислород может увеличивать аккумулирующую способность материала, накапливая заряд в оксидных ионах, а также в ионах переходных металлов.

Изображение: Faraday Institution

«Вычислительное моделирование показало, что выделение молекулярного кислорода объясняет как наблюдаемую электрохимическую реакцию — снижение напряжения при первом разряде — так и наблюдаемые структурные изменения — объясняемые аккомодацией молекулярного кислорода внутри большая часть материала», — сказал профессор Сайфул Ислам из Университета Бата и главный исследователь CATMAT.«Эта единая унифицированная модель, связывающая воедино молекулярный кислород и потерю напряжения, позволяет исследователям предлагать практические стратегии для предотвращения нестабильности, вызванной окислительно-восстановительным потенциалом кислорода, предлагая потенциальные пути к более обратимым литий-ионным катодам с высокой плотностью энергии».

Модель описана в статье Роль O ₂ в окислительно-восстановительных катодах для литий-ионных аккумуляторов, опубликованной в Nature Energy. Исследователи продолжают предлагать шесть различных стратегий разработки высокоэнергетических катодных материалов, основанных на этом понимании кислородно-окислительно-восстановительной реакции, и все они должны быть изучены Институтом Фарадея в последующей работе.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, обращайтесь по адресу: [email protected].

Три аккумуляторные технологии, которые могут обеспечить энергией будущее | Сафт

Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме. Наши стратегии хранения энергии в настоящее время формируются за счет литий-ионных аккумуляторов, являющихся передовыми технологиями, но на что мы можем рассчитывать в ближайшие годы?

Давайте начнем с некоторых основ батареи.Батарея представляет собой набор из одного или нескольких элементов, каждый из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит. Использование для них различных химикатов и материалов влияет на свойства батареи — сколько энергии она может хранить и выдавать, сколько энергии она может обеспечить или сколько раз ее можно разряжать и перезаряжать (также называемая циклической емкостью).

Аккумуляторные компании постоянно экспериментируют, чтобы найти более дешевые, плотные, легкие и более мощные химические вещества.Мы поговорили с Патриком Бернардом, директором по исследованиям Saft, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях с трансформационным потенциалом.

 

ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Что это?

В литий-ионных (литий-ионных) аккумуляторах накопление и высвобождение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного электрода к отрицательному туда и обратно через электролит. В этой технологии положительный электрод действует как первоначальный источник лития, а отрицательный электрод — как носитель лития.Несколько химических элементов собраны под названием литий-ионных аккумуляторов в результате десятилетий отбора и оптимизации, близких к совершенству положительных и отрицательных активных материалов. Литированные оксиды металлов или фосфаты являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве материалов для положительных положительных результатов. Графит, а также графит/кремний или литированные оксиды титана используются в качестве негативных материалов.

Ожидается, что в ближайшие годы литий-ионная технология с использованием реальных материалов и конструкций элементов достигнет предела энергопотребления.Тем не менее, недавние открытия новых семейств прорывных активных материалов должны разблокировать нынешние ограничения. Эти инновационные соединения могут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность. Кроме того, с этими новыми соединениями также учитываются дефицит и критичность сырья.

Каковы его преимущества?

Сегодня среди всех современных технологий хранения данных технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает самый высокий уровень плотности энергии.Такие характеристики, как быстрая зарядка или рабочий температурный диапазон (от -50°C до 125°C), могут быть точно настроены благодаря большому выбору конструкций элементов и химических составов. Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд и очень долгий срок службы, а также цикличность, обычно тысячи циклов зарядки/разрядки.

Когда его ожидать?

Ожидается, что новое поколение передовых литий-ионных аккумуляторов будет развернуто до первого поколения твердотельных аккумуляторов.Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии для возобновляемых источников энергии и транспорта (морского, железнодорожного, авиационного и внедорожного), где требуется высокая энергия, высокая мощность и безопасность.

 

ЛИТИЙ-СЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Что это?

В литий-ионных батареях ионы лития накапливаются в активных материалах, действующих как стабильные структуры-хозяева во время заряда и разряда. В литий-серных (Li-S) батареях нет структур-хозяев.При разрядке литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения; при зарядке происходит обратный процесс.

Каковы его преимущества?

В Li-S аккумуляторе используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода. Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза больше, чем у литий-иона. Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.

Компания Saft выбрала и одобрила наиболее многообещающую технологию Li-S на основе твердотельного электролита. Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и устраняет основные недостатки жидкого Li-S (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. д.).

Кроме того, эта технология дополняет твердотельные литий-ионные аккумуляторы благодаря превосходной гравиметрической плотности энергии (+30% на кону в Втч/кг).

Когда его ожидать?

Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к полномасштабным прототипам.

Ожидается, что для приложений, требующих длительного срока службы батареи, эта технология выйдет на рынок сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

 

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ

Что это?

Твердотельные батареи представляют собой смену парадигмы с точки зрения технологии. В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому через жидкий электролит (это также называется ионной проводимостью). В полностью твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития мигрировать внутри него.Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет — благодаря интенсивным исследованиям во всем мире — были обнаружены новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, подобной жидкому электролиту, что позволило преодолеть этот особый технологический барьер.

Сегодня усилия компании Saft Research & Development сосредоточены на двух основных типах материалов: полимерах и неорганических соединениях с целью синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…

Каковы его преимущества?

Первым огромным преимуществом является заметное повышение безопасности на уровне элемента и батареи: твердые электролиты негорючи при нагревании, в отличие от их жидких аналогов.Во-вторых, он позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с высокой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с более длительным сроком хранения в результате снижения саморазряда. Более того, на системном уровне это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощенная механика, а также управление температурой и безопасностью.

Поскольку батареи могут демонстрировать высокое отношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.

Когда его ожидать?

Несколько видов полностью твердотельных аккумуляторов, вероятно, появятся на рынке по мере дальнейшего технического прогресса.Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность. Со временем более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.

Достигнута одна из самых высоких плотностей энергии в мире — ScienceDaily

NIMS и Softbank Corp. разработали литий-воздушную батарею с плотностью энергии более 500 Втч/кг, что значительно выше, чем у нынешних ионно-литиевых батарей.Затем исследовательская группа подтвердила, что эту батарею можно заряжать и разряжать при комнатной температуре. Кроме того, команда обнаружила, что батарея, разработанная командой, демонстрирует самую высокую плотность энергии и лучшие характеристики жизненного цикла из когда-либо достигнутых. Эти результаты означают важный шаг к практическому использованию литий-воздушных батарей.

Воздушно-литиевые батареи

потенциально могут стать лучшими перезаряжаемыми батареями: они легкие и имеют большую емкость, а их теоретическая плотность энергии в несколько раз выше, чем у доступных в настоящее время ионно-литиевых батарей.Из-за этих потенциальных преимуществ они могут найти применение в широком спектре технологий, таких как дроны, электромобили и бытовые системы хранения электроэнергии. NIMS проводит фундаментальные исследования литий-воздушных аккумуляторов при поддержке программы ALCA-SPRING (ALCA: Advanced Low Carbon Technology Research and Development Program, SPRING: Specially Promoted Research for Innovative Next Generation Batteries). Эта программа финансируется Японским агентством по науке и технологиям (JST) с целью ускорения исследований и разработок аккумуляторных батарей большой емкости.В 2018 году NIMS и Softbank стали соучредителями Центра разработки передовых технологий для проведения исследований с целью практического использования литий-воздушных аккумуляторов в базовых станциях мобильных телефонов, Интернете вещей (IoT), HAPS (высотных платформенных станциях). и другие технологии. Несмотря на их очень высокую теоретическую плотность энергии, фактически было изготовлено и испытано лишь небольшое количество литий-воздушных батарей с высокой плотностью энергии. Этот ограниченный успех объясняется тем, что большая часть литий-воздушной батареи по весу содержит тяжелые неактивные компоненты (например,г., сепараторы и электролиты), которые не участвуют непосредственно в реальных реакциях батареи.

Эта исследовательская группа ранее разработала оригинальные материалы для батарей, которые значительно повышают производительность литий-воздушных батарей в исследованиях, поддерживаемых ALCA-SPRING. Затем команда разработала метод изготовления литий-воздушных элементов с высокой плотностью энергии в Центре разработки передовых технологий NIMS-SoftBank. Наконец, команда создала новую литий-воздушную батарею, объединив эти новые материалы и технологии изготовления.Разработанная батарея показала плотность энергии более 500 Втч/кг, что значительно выше, чем у современных литий-ионных батарей. Примечательно, что повторная реакция разряда и заряда протекает при комнатной температуре. Плотность энергии и срок службы этой батареи являются одними из самых высоких из когда-либо достигнутых.*

* По данным опросов, проведенных NIMS (по состоянию на 14 декабря 2021 г.)

В настоящее время команда разрабатывает материалы для аккумуляторов с более высокими характеристиками и планирует интегрировать их в недавно разработанную литий-воздушную батарею с целью значительного увеличения срока службы батареи.Затем команда планирует ускорить усилия по практическому использованию батареи в Центре разработки передовых технологий NIMS-SoftBank.

Этот проект выполнялся исследовательской группой под руководством Шоити Мацуда (старший научный сотрудник, NIMS), Манаи Оно (постдокторский научный сотрудник, NIMS), Сёдзи Ямагути (специалист, NIMS) и Кохеи Уосаки (научный сотрудник, NIMS; также директор, Центр развития передовых технологий НИМС-SoftBank). Эта работа была в основном поддержана программой JST ALCA-SPRING и Центром развития передовых технологий NIMS-SoftBank.

Источник истории:

Материалы предоставлены Национальным институтом материаловедения, Япония . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Ученые совершили прорыв в плотности натрий-ионных аккумуляторов

Исследователи из Токийского научного университета сделали еще один шаг в продолжающемся стремлении вывести на рынок натрий-ионные аккумуляторы следующего поколения. Они достигли более высокой плотности энергии в натрий-ионных батареях, чем в литий-ионных батареях.

Литий-ионный по сравнению с натрий-ионным

Пока литий-ионные аккумуляторы занимают первое место среди перезаряжаемых аккумуляторов. Литий-ионные батареи отдают предпочтение плотности энергии, которая помогает автомобилям путешествовать дальше, а не долговечности или стабильности. Они также имеют конкурентоспособную цену и быстрое время зарядки. Но литий и другие второстепенные и дорогостоящие металлы, такие как кобальт и медь, не входят в число самых распространенных материалов на Земле, и постоянно растущий спрос на них может привести к проблемам с поставками.

Джеймс Куинн, генеральный директор Faradion Ltd., разработчик натрий-ионных аккумуляторов в Шеффилде, Англия, сказал Bloomberg в сентябре:

Натрий — шестой по распространенности элемент на Земле, он практически неограничен и устойчив. Вы собираете его — вы не добываете его так много.

Ионно-натриевые батареи становятся более дешевой альтернативой. В ряде стран проводятся многочисленные исследования о том, как сделать натрий-ионные батареи коммерчески жизнеспособными.

Прорыв команды в области ионов натрия

В недавнем исследовании, опубликованном в Angewandte Chemie International Edition , , ученые обнаружили энергоэффективный метод производства нового углеродсодержащего материала для натрий-ионных аккумуляторов с очень высокой емкостью хранения натрия.

Исследование было сосредоточено на синтезе твердого углерода, высокопористого материала, который служит отрицательным электродом перезаряжаемых батарей, путем использования оксида магния (MgO) в качестве неорганического шаблона наноразмерных пор внутри твердого углерода.

Версия Токийского университета науки гласит:

Исследователи изучили другой метод смешивания ингредиентов шаблона MgO, чтобы точно настроить наноструктуру полученного твердого углеродного электрода.После многочисленных экспериментальных и теоретических анализов они выяснили оптимальные условия изготовления и ингредиенты для производства твердого углерода с емкостью 478 мАч/г, что является самой высокой из когда-либо зарегистрированных материалов этого типа.

Емкость этого нового твердого углеродного электродного материала превосходит емкость графита (372 мАч/г), который в настоящее время используется в качестве материала отрицательного электрода в литий-ионных батареях.

Графит не работает в натрий-ионных батареях, и Faradion уже использует твердый угольный анод, но этот последний прорыв делает углерод еще более твердым.

Несмотря на то, что натрий-ионная батарея с отрицательным электродом из твердого углерода теоретически будет работать при разнице напряжений на 0,3 В ниже, чем стандартная литий-ионная батарея, более высокая емкость первой приведет к гораздо большей плотности энергии. по весу (1600 Втч/кг против 1430 Втч/кг), что приводит к увеличению плотности энергии на 19%.

Профессор Шиничи Комаба из исследовательской группы сказал:

Наше исследование доказывает, что можно создать высокоэнергетические натрий-ионные батареи, опровергая распространенное мнение о том, что литий-ионные батареи имеют более высокую плотность энергии.Разработанный нами твердый углерод с чрезвычайно высокой емкостью открыл двери для разработки новых материалов, сохраняющих натрий.

Потребуются дальнейшие исследования, чтобы убедиться, что предлагаемый материал действительно обеспечивает превосходный срок службы, входные-выходные характеристики и низкотемпературную работу в натрий-ионных батареях.

Фото: Хилари Холливелл/Pexels.com

FTC: Мы используем автоматические партнерские ссылки, приносящие доход. Еще.

---

Подпишитесь на Electrek на YouTube, чтобы получать эксклюзивные видео и подписывайтесь на подкасты.

Увеличение плотности энергии | Энергия

Основной исследовательский интерес профессора Чанга находится в области многофункциональных материалов и интеллектуальных структур с особым акцентом на мониторинге состояния конструкции, интеллектуальной самодиагностике и многофункциональных композитных материалах для хранения энергии для транспортных средств, а также критически важных для безопасности активов и медицинских устройств. .

Положительные электроды из многослойного оксида переходного металла с высоким содержанием лития обеспечивают доступ к окислительно-восстановительному потенциалу анионов при высоких потенциалах, тем самым обещая высокую плотность энергии для литий-ионных аккумуляторов. Однако окислительно-восстановительный потенциал аниона также связан с несколькими неблагоприятными электрохимическими свойствами, такими как гистерезис напряжения холостого хода. Здесь мы показываем, что в Li1,17–x Ni0,21Co0,08Mn0,54O2 эти свойства возникают из-за сильной связи между окислительно-восстановительным потенциалом анионов и миграцией катионов.

Твердотельные литиевые (Li) металлические батареи занимают видное место среди технологий хранения энергии следующего поколения из-за их значительно высокой плотности энергии и снижения рисков для безопасности.Ранее интенсивно изучались твердые электролиты и было идентифицировано несколько материалов с высокой ионной проводимостью. Тем не менее, есть еще по крайней мере три препятствия, прежде чем сделать твердотельные системы на основе металлической фольги лития жизнеспособными, а именно: высокое межфазное сопротивление на границе раздела Li/электролит, малая емкость и низкая выходная мощность.

Обратимая окислительно-восстановительная химия высокого напряжения является важным компонентом многих электрохимических технологий, от (электро)катализаторов до литий-ионных аккумуляторов.Окислительно-восстановительный потенциал аниона кислорода вызвал большой интерес для таких приложений, особенно литий-ионных аккумуляторов, поскольку он обеспечивает значительную окислительно-восстановительную способность при > 4 В по сравнению с Li/Li+ в различных оксидных материалах. Однако окисление кислорода почти повсеместно связано с необратимыми локальными структурными превращениями, гистерезисом напряжения и исчезновением напряжения, что в настоящее время препятствует его широкому использованию.

Cui изучает основы и области применения наноматериалов и разрабатывает инструменты для их понимания.Научные интересы: нанотехнологии, аккумуляторы, электрокатализ, носимые устройства, 2D-материалы, экологические технологии (вода, воздух, почва), криогенная электронная микроскопия.

Наличие дешевой, но прерывистой возобновляемой электроэнергии (например, получаемой от солнца и ветра) подчеркивает серьезную проблему хранения и распределения энергии, чтобы она была доступна, когда и где она необходима. Окислительно-восстановительные материалы обещают эффективное преобразование электрической, химической и тепловой энергии и лежат в основе углеродно-нейтральных энергетических циклов.Понимание правил проектирования, регулирующих химию материалов и архитектуру, является ключом к рациональной оптимизации таких технологий, как батареи, топливные элементы, электролизеры и новые термодинамические циклы.

Женан Бао поступила в Стэнфордский университет в 2004 году. Ли, профессор химического машиностроения, а также с любезными назначениями в области химии, материаловедения и инженерии. С 2018 года заведующая кафедрой химического машиностроения.Она является членом Национальной инженерной академии, Американской академии искусств и наук и Национальной академии изобретателей. Она основала Стэнфордскую инициативу по носимой электронике (eWEAR) и в настоящее время является директором факультета.

Металлический литий (Li) долгое время считался «Святым Граалем» в области химии анодов аккумуляторов, но его эффективность и безопасность невысоки из-за его высокой химической активности и больших колебаний объема, соответственно. Здесь мы представляем новый набор морщинистых графеновых клеток (WGC) для металлического лития.В отличие от недавно зарегистрированных аморфных углеродных сфер, WGC демонстрируют значительно улучшенную механическую стабильность, лучшую проводимость ионов лития и превосходную межфазную границу твердого электролита (SEI) для постоянной надежной защиты металлического лития.

NanoGraf разрабатывает химический материал для батарей со значительным увеличением плотности энергии – журнал pv USA

Материал анода из оксида кремния компании может увеличить емкость батареи в форм-факторе 18650 на начальные 12% по потенциально коммерчески конкурентоспособной цене.

11 июня 2021 г. Тим Сильвия

После более чем года исследований и разработок компания NanoGraf, производящая передовые материалы для аккумуляторов, заявила, что нашла химический рецепт, который обеспечивает недостижимые ранее уровни плотности энергии в цилиндрическом литий-ионном аккумуляторе 18650. ионная ячейка.

Ячейка 18650 представляет собой стандартизированный форм-фактор батареи, используемый в разных секторах, например, Tesla и в армии США. По словам Курта «Чипа» Брейтенкампа, вице-президента по развитию бизнеса, достижение плотности энергии стало возможным благодаря разработке запатентованного анодного материала на основе оксида кремния, который может быть введен в тот же форм-фактор батареи с плотностью, превышающей ту, что была достигнута ранее.

По словам Брейтенкампа, этот материал позволил NanoGraf увеличить емкость батареи в форм-факторе 18650 на 12%. Для перспективы плотность энергии в этом форм-факторе увеличилась примерно на 8% за последнее десятилетие, до работы NanoGraf.

Исследования NanoGraf проводились при финансовой поддержке Министерства обороны США с целью разработки более долговечной и потенциально более легкой литий-ионной батареи на элемент, предназначенной для обеспечения США.военнослужащие с лучшей переносной мощностью для оборудования, на которое они полагаются. Однако новая химия может использоваться не только в военной портативной электронике, и NanoGraf отмечает, что самые большие возможности для более энергоемких батарей связаны с электромобилями EV, поскольку технология ячеек может обеспечить немедленное увеличение запаса хода автомобиля.

«Беспокойство по поводу дальности» было серьезным препятствием на пути массового внедрения электромобилей. Согласно NanoGraf, новая технология ячеек может увеличить запас хода Tesla Model S до 28% на одной зарядке.

По словам Брайтенкампа, этот последний прорыв — это только начало, и вскоре компания может увидеть еще большее увеличение плотности.

«Мы считаем, что можем использовать еще больше этого кремниевого материала в батареях, и я думаю, что мы можем удвоить это количество», — сказал Брайтенкамп. «Я думаю, что в ближайшем будущем мы можем выйти на 20%».

Достижение емкости не ограничивается только форм-фактором 18650, но может быть применено к другим элементам батареи. Брейтенкамп сказал, что форм-фактор 18650 был выбран из-за его коммерческой актуальности и широкого распространения.

В ближайшей перспективе самая большая цель NanoGraf — довести свою технологию до коммерческого масштаба. Брейтенкамп сказал, что компания специально искала недорогой производственный маршрут с недорогими материалами, чтобы достичь паритета затрат с аккумуляторными технологиями, которые в настоящее время доминируют на рынке.

Этот контент защищен авторским правом и не может быть использован повторно. Если вы хотите сотрудничать с нами и хотели бы повторно использовать часть нашего контента, обращайтесь по адресу: [email protected].

ViPER — Исследования

Литий-ионный | литий-сера | Ион натрия | Калий-ион | Твердотельные батареи | Низкотемпературные батареи

Литий-ионный аккумулятор

Обычные литий-ионные аккумуляторы состоят из графитового анода и катода из оксида литий-переходного металла.Во время фазы заряда ионы лития внедряются между отдельными графеновыми слоями графита с образованием гексакарбида лития (LiC ₆ ). Во время фазы разряда ионы лития вводятся в катод. Перезаряжаемые литий-ионные батареи сегодня широко используются в области электрохимического накопления энергии из-за их высокой плотности энергии и широкого спектра применений в портативных электронных устройствах, имплантируемых медицинских устройствах и электромобилях. Несмотря на эти преимущества, литий-ионным батареям не хватает высокой удельной мощности (т.т. е., производительность скорости) критична для многих коммерческих приложений. Одной из основных задач является получение превосходных характеристик производительности при сохранении длительного срока службы и безопасности. Электронная и ионная проводимости большинства электродных материалов недостаточны для достижения высоких скоростей. Использование графитовых анодов с теоретической емкостью 372 мАч/г является одним из критических факторов, ограничивающих производительность и безопасность литий-ионных аккумуляторов текущего поколения. Другой проблемой безопасности является использование легковоспламеняющихся растворов органических электролитов.

Цели данного исследования включают:

• Разработка новых методов синтеза наноструктурированных электродных материалов высокой емкости
• Повышение безопасности и срока службы за счет изготовления новых архитектур электродов и электролитов
• Синтез органо-неорганических гибридных электродов с превосходными электрохимическими характеристиками

Нашей общей целью при исследовании литий-ионных аккумуляторов является преодоление упомянутых выше недостатков за счет создания наноструктурированных электродных материалов и гибридных электролитов.

Литий-серная батарея

В последние годы возрос интерес к вторичной литий-серной (Li-S) батарее, поскольку присутствие серы в качестве активного материала позволяет катоду удерживать большее количество энергии на массу активного материала. Это приводит к тому, что Li-S предлагает максимальную теоретическую емкость 1675 мАч/г и высокую теоретическую плотность энергии 2600 Втч/кг, самые высокие расчетные значения среди твердофазных элементов. Для сравнения, коммерческие литий-ионные батареи демонстрируют теоретическую плотность энергии 570 Втч/кг для систем на основе оксида лития-кобальта и 180 Втч/кг для систем на основе оксида лития-марганца.Li-S также предлагает различные преимущества в плане безопасности, доступности и финансовых преимуществ. Однако основной проблемой Li-S аккумуляторов является полисульфидный челночный эффект, при котором самопроизвольное образование полисульфидов снижает производительность Li-S. Во время первого разрядного цикла частицы серы принимают электроны и реагируют со свободными ионами лития в электролите с образованием полисульфидов лития, которые растворяются в большинстве органических электролитов, крадут пригодный для использования литий из системы, что наблюдается при электрохимических испытаниях в виде быстрого снижения емкости и непрерывного саморазряд элемента при хранении.Наиболее широко изученный и, возможно, самый многообещающий подход к Li-S заключается в реализации новой трехмерной композитной архитектуры углерод-сера на катоде. Этот подход лучше всего улучшает разрядную емкость, способность к циклированию и эффективность Колумба за счет значительного уменьшения эффекта челнока и увеличения чистой проводящей способности. Основное внимание в нашей работе уделяется разработке масштабируемых, экологически безопасных и эффективных методов синтеза, а также пористых углеродно-серных композитов, соответствующих практическим литий-серным батареям.Эта работа также включает оптимизацию методов синтеза, а также совместимых электролитных систем.

Натрий-ионная батарея

По оценкам, к 2040 году мировое производство энергии вырастет примерно до 49 триллионов киловатт-часов; беспрецедентный рост почти вдвое по сравнению с текущим размером. Этот прогноз ставит впечатляющую задачу по сбору и хранению этого огромного ресурса как эффективно, так и действенно. Крупномасштабные системы накопления энергии (ESS), включая насосные гидроаккумуляторы, сжатый воздух, маховики и электрохимические батареи, являются многообещающими кандидатами для удовлетворения таких экстремальных требований.В частности, электрохимические батареи завоевывают популярность благодаря своей гибкости при выравнивании нагрузки, высокой эффективности преобразования энергии и простоте обслуживания. В настоящее время доступны три коммерчески доступных электрохимических ЭЭС: свинцово-кислотный, натрий-серный (Na-S) и литий-ионный (Li-ion), но каждая система демонстрирует определенный уровень инвалидности. Свинцово-кислотная химия страдает от низкой плотности энергии и короткого срока службы. Химия Na-S требует чрезмерно высоких рабочих температур около 300°C и легко подвержена коррозии.Литий-ионная химия требует высоких затрат на внедрение и чувствительна к колебаниям температуры. Таким образом, улучшение существующих конструкций ESS может обеспечить превосходную функциональность сети, снизить эксплуатационные расходы, сократить инвестиции в инфраструктуру и повысить уровень надежности.

Популярным решением для ESS следующего поколения является система с ионами натрия (Na-ion). Химия ионов Na привлекательна по следующим причинам:

• Натрий является четвертым наиболее встречающимся в природе элементом, содержание которого в 1000 раз превышает содержание лития
• Восстановительный потенциал металлического натрия (-2.7109 В) примерно равно металлическому литию (-3,045 В)
• Прекурсор металлического натрия (трона: 165 долларов США за тонну) в 30 раз дешевле литиевого аналога (карбонат лития: 5000 долларов США за тонну)
• Диапазон рабочих температур для химии ионов натрия близок к температуре окружающей среды

Несмотря на эти практические преимущества, химия ионов натрия сопряжена с рядом проблем:

• Ионы натрия испытывают кинетику медленной диффузии
• Большинство анодных материалов большой емкости подвергаются значительному объемному расширению и структурному измельчению при циклировании
• В химии ионов Na в настоящее время отсутствует подходящая оптимизированная система электролитов, которая создает стабильную промежуточную прослойку вторичного электролита (SEI)

Эти проблемы могут быть связаны с большим размером катиона натрия, радиус которого равен 0.на 26 Å больше, чем у катиона лития с радиусом 0,76 Å. Это эквивалентно увеличению размера катиона на 140 %.

Наша цель при разработке натрий-ионной батареи состоит в том, чтобы разработать эффективные, высокоэффективные электродные материалы, отличающиеся долговечностью; высокая безопасность; и простые, экономичные процессы синтеза. Дальнейшее развитие анодных материалов с ионами натрия включает композиционные материалы с оксидами и сплавами металлов; твердые угли; а также микро- и нанокомпозиты с уникальной морфологией.

Калий-ионная батарея

Из-за высокой стоимости и дефицита лития поиск альтернативных металло-ионных аккумуляторных систем для более дешевого хранения энергии становится все более важным. Недавно было показано, что ионы калия обратимо интеркалируют в графит, стандартный анод для литий-ионных аккумуляторов, несмотря на неспособность ионов натрия сделать это. Высокая теоретическая емкость 279 мАч/г и плато напряжения при 0,2 В являются многообещающими, но объемные ионы калия ограничивают характеристики при высоких токах.Наша лаборатория заинтересована в изучении новых электродных материалов и наноструктур для K-ионных аккумуляторов. В частности, мы экспериментируем с углеродными структурами, такими как графен, нанотрубки, нановолокна и аморфный углерод, полученный из биомассы, которые могут приспособиться к большому изменению объема (50%) введения калия. Кроме того, уменьшенные диффузионные расстояния и улучшенный контакт с электролитом обеспечивают более высокие характеристики производительности и циклируемости по сравнению со стандартным графитовым материалом. Помимо углеродистых материалов, мы изучаем новые 2D-структуры, такие как Mxenes и MoS ₂ , для электрохимических характеристик и понимания механизмов в системе K-ion.Мы также изучаем безопасность K-ion батарей с точки зрения экзотермических реакций и теплового разгона. Исследуется неизвестная природа образования межфазной фазы твердого электролита в системе K-ion и ее роль в безопасности аккумуляторов, а также состав электролита.

Твердотельные батареи

Твердотельные аккумуляторы

(SSB) считаются ключевым решением для технологий хранения энергии следующего поколения. Замена легковоспламеняющегося жидкого электролита твердотельными ионными проводниками также делает его подходящим для достижения повышенной плотности энергии за счет сопряжения с литий-металлическим анодом.Однако значительно высокий импеданс на границе твердое тело-твердое из-за плохого контакта между электродом и частицами электролита приводит к плохой работе при комнатной температуре и высокой скорости заряда-разряда. Это гарантирует адаптированный интерфейс, подходящий для благоприятных механизмов переноса заряда, что позволяет использовать SSB с высокой плотностью энергии. Следовательно, в центре внимания нашей группы ViPER находится минимизация межфазного импеданса в SSB для повышения производительности.

Литий-ионные проводники на основе граната

будут выбраны в качестве базовой модельной системы из-за их высокой литий-ионной проводимости (~10 ^-4 — 10 ^-3 См/см), термической и электрохимической стабильности с литий-металлическим анодом и катоды высокого напряжения.Легированный танталом LLZO (Li _6,4 La ₃ Zr _1,4 Ta _0,6 O ₁₂ ) имеет самую высокую литий-ионную проводимость ~ 10 ^-3 См/см при комнатной температуре LZO системы. Разработка гибридного электролита LLZO, легированного Ta, с ионно-литиевыми проводящими полимерами считается новой стратегией улучшения межфазных контактов. Синергетический эффект высокой ионной проводимости LLZO и гибкости полимеров делает гибридные электролиты многообещающей стратегией улучшения характеристик SSB.Группа ViPER занимается разработкой SSB, состоящих из химически адаптированного металлического литий-анодного электрода с минимальным межфазным сопротивлением и литий-интеркаляционного катода (Li-NMC) с улучшенными адгезионными свойствами с гранатом, которые могут обеспечивать удельную энергию >350 Втч кг ^-1 с 80 % сохранение емкости после 1000 циклов заряда-разряда при скорости C/3.

Низкотемпературные батареи

Одной из наиболее важных и нерешенных проблем в области литий-ионных аккумуляторов (LIB) является ограниченный диапазон рабочих температур, при которых они могут эффективно работать.Это ограничение создает серьезную проблему для современных приложений, поскольку растет спрос на батареи, которые могут работать при температуре ниже -40 ° C в космических приложениях, автономных подводных аппаратах (AUV), разведке недр в поисках нефти / газа, высотных беспилотных летательных аппаратах, электромобилях. и портативные устройства. Пример этого можно найти в цилиндрических элементах Panasonic 18650, которые дают плотность энергии 100 Втч/л при 25°C, а при -40°C дают только 5 Втч/л.

Чтобы обойти это ограничение, необходимо решить четыре основные проблемы, связанные с работой LIB при экстремальных температурах!

1. Малая длина диффузии ионов лития внутри электродов
2. Пониженная проводимость ионов лития в электролите
3. Литиевое покрытие из-за поляризации анода
4. Повышенное сопротивление переносу заряда на границе электрод-электролит

Из четырех текущих проблем три могут быть напрямую связаны с электролитом, 2-4, причем последняя проблема связана со стадией ограничения скорости при отрицательных температурах.