Сколько входит электролита в 60 аккумулятор: Сколько электролита в аккумуляторе? Разберем объемы вариантов от 55 до 190 Ампер-часов

объем АКБ 55 и 60

Аккумулятор — это один из двух источников тока, которые питают энергией каждый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Для его зарядки на машине установлен генератор. Эти элементы работают поочерёдно. Чтобы генератор надёжно работал, необходим электролит. В инструкции точно указано, сколько электролита в аккумуляторе. 60 а/ч — это показатель ёмкости. Автомобильная батарея с такой характеристикой может давать ток силой в три ампера в течение 20 часов. Полная маркировка этой батареи — 6 ст-60.

Накопитель электричества в автомобиле

Современные машины с бензиновым и дизельным двигателем комплектуются свинцово-кислотной аккумуляторной батареей, которая состоит из свинцовых электродов и электролита. Как правило, АКБ, предназначенная для легковых автомобилей, состоит из 6 элементов, соединённых последовательно. Каждое из звеньев имеет электродвижущую силу порядка 2,1 вольта.

Легко посчитать, что номинальное напряжение батареи составляет 12,6 вольта, количество электролита в аккумуляторе 60 составляет около трёх литров, АКБ 132 около десяти литров.

Основным параметром аккумулятора является его ёмкость, выраженная в ампер-часах (Ah) и пусковой ток амперах (А). Ёмкость зависит от режима разряда, в связи с этим внесена норма для расчёта 10 часов, т. е. батарея 55 Ah разрядится в течение 10 часов, при расходе тока 5,5 ампер, а объем электролита в аккумуляторе 55 примерно 2,5 литра.

Источник тока в машине обеспечивает электроэнергией электрические приборы, датчики, светильники во время стоянки (когда двигатель не работает) или при слишком малой частоте вращения коленчатого вала. Таким образом, понятно, что, когда заводится машина, стартер и система зажигания используют ток только от стационарного источника питания. Более того, именно он позволяет, например, прослушивать радио во время стоянки автомобиля. Во время езды её роль заканчивается, единственным источником тока является генератор.

Об аккумуляторах часто вспоминают во время зимы с наступлением сильных морозов, ибо он разочаровывает многих водителей, когда температура падает до нескольких градусов ниже нуля. Это происходит потому, что при морозах ёмкость накопителя резко уменьшается, вызывая проблемы с запуском двигателя. В экстремальных условиях может произойти замерзание кислотного раствора, что необратимо повредит аккумулятор.

Когда-то существовал обычай, что во время морозов и низких температур, водитель снимал с автомобиля аккумулятор во время стоянки и забирал его на ночь в тёплое помещение, а устанавливал только непосредственно перед поездкой.

В наше время, некоторые производители не рекомендуют самостоятельное вмешательство в батарею, ибо отключение может привести к повреждению электроники и стиранию памяти драйверов.

Функции электролита

Аккумуляторная батарея заполняется на 37% электролитом. Без сомнения, можно сделать вывод, что он необходим для нормального функционирования источника питания автомобиля. Поэтому у свинцово-кислотного раствора необходимо постоянно контролировать:

• плотность;
• уровень;
• чистоту.

При падении уровня электролита может произойти открытие пластин, а это чревато сульфатацией, при этом они значительно потеряют свои свойства. Особенно это опасно при проблеме с зажиганием, продолжительном периоде простоя автомобиля, эксплуатации в зимний период. В долгосрочной перспективе это приведёт к рассыпанию пластин и необратимому повреждению аккумулятора.

Если есть доступ к специальным отверстиям, через которые можно долить дистиллированную воду, необходимо их открыть и проверить состояние пластин и уровень раствора. Если возникли проблемы необходимо привести в норму показатели электролита. Просто долить немного дистиллированной воды, чтобы слегка покрыть пластины.

Следует иметь в виду, что доступ к ним затруднён и возможен только через длинное и узкое отверстие. Теоретически можно приобрести шприц и попытаться восполнить недостаток, но лучше обратиться в специализированную мастерскую и провести полное обслуживание батареи.

Поддержка специалистов

Отсутствие доступа к банкам не означает, что аккумулятор нельзя обслужить. Мастера сервисного центра его протестируют и в случае надобности попытаются восстановить. Это не сложная операция, но, без сомнения, требует много времени и практики.

Не стоит недооценивать низкий уровень электролита в аккумуляторе, даже когда кажется, что он незначительно ниже нормы. Однако это в значительной степени влияет на работу аккумулятора, только профессионалы знают сколько нужно электролита в 60 аккумулятор, поэтому им можно доверить этот капризный узел автомобиля, какой часто приносит сюрпризы.

Каковы действия автовладельца, когда выяснилось, что аккумулятор требует зарядки. Для этого необходимо помнить о некоторых правилах:

1. Во-первых, сначала отсоединить отрицательный, а затем положительный полюсы.
2. Во-вторых, при демонтаже не наклонять батарею, чтобы уменьшить риск утечки электролита.
3. Подключив аккумулятор к зарядному устройству, рекомендуется заряжать его в помещении с хорошей вентиляцией, потому что в процессе зарядки выделяется водород и кислород.

Как правило, он заряжается несколько часов, чтобы не было перезарядки лучше использовать выпрямитель, который автоматически отрегулирует процесс и время зарядки.

В автомагазинах продаются аккумуляторы, которые не требуют обслуживания. Выражение «отсутствие необходимости в обслуживании» означает, что в этом приборе меньше убыли электролита по сравнению с традиционным кислотным аккумулятором.

Но это не освобождает пользователя от ухода за ним и соблюдения основных правил его эксплуатации.

Часто неопытные владельцы легковых машин устанавливают на них аккумулятор ёмкостью выше, чем рекомендует производитель. Например, вместо рекомендованного 6 ст-55 устанавливают 6 ст-75, зная, сколько электролита в аккумуляторе 75, но не понимают, что он слишком большой и будет заведомо не полностью заряженный, поэтому износится быстрее, чем его меньший аналог.

Как обращаться с аккумулятором

Для того чтобы накопитель электрического тока служил долго необходимо соблюдать некоторые рекомендации от специалистов:

1. Зимой, перед запуском двигателя выключить все ненужные электрические приборы (радио, свет, вентилятор).
2. Не нагружать источник тока длительным вращением стартёра. Производить короткие, до пяти секунд интервалы и между отдельными пробами дать ему отдохнуть около половины минуты.
3. Помнить о нажатии на сцепление во время этого действия, это существенным образом облегчит вращение коленчатого вала двигателя.
4. При эксплуатации автомобиля в городском режиме, иногда стоит выполнить более длинную поездку, чтобы аккумулятор имел возможность полностью зарядиться.

Правильная зарядка

Это ненормально, когда машину невозможно запустить без помощи извне. Энергетический баланс транспортного средства должен быть постоянным. Зарядка батареи во время работы двигателя должна проводиться исправно, а генератор вырабатывать столько тока, сколько потребляет авто.

Однако на практике это не всегда так. Поэтому один и тот же аккумулятор на одной машине, работает без проблем даже 8 лет, а на другой уже второй зимний сезон часто подводит водителя. Это потому что аккумулятор, во-первых, не терпит постоянной неполной зарядки, а во-вторых, неэкономно используется ток, например, музыка, свет во время стоянки.

Ничто так не вредит батарее, как частые и длительные разрядки, заниженный заряд или перезаряд. Во всех этих случаях причиной может быть слишком слабый или слишком сильный ток зарядки. Это легко проверить в мастерской, и просто исправить. Берегите свой аккумулятор, для этого выполняйте рекомендации профессионалов:

• Не приближаться с огнём во время зарядки, есть опасность вспышки выделяемого водорода.
• Нельзя соединять полюса куском металла.
• Оставлять автомобиль без подзарядки накопителя на период более двух месяцев рискованно.
• Надёжно крепить батарею к кузову автомобиля.
• Перегружать прибор, заряжая слишком большим током или напряжением запрещено.
• Эксплуатировать слишком большим потреблением тока стартёром.

Нельзя надевать клемы на аккумулятор, ударяя сверху. Необходимо раскрутить винт, разогнуть отвёрткой посадочное место на кабеле, аккуратно надеть на электрод.

Выбор аккумуляторной батареи

Если источник энергии в машине разочаровывает все чаще и чаще, скорее всего, единственным выходом из ситуации является покупка нового. Консультанты сервиса по ремонту авто рекомендуют выбрать продукцию известных, авторитетных производителей, которые обеспечивают качество и простота в использовании, например, аккумулятор 6 ст-62, у него ёмкость 62 а/ч, а пусковой ток 550 а/ч, сколько электролита в аккумуляторе 62 указано в инструкции по эксплуатации от производителя.

Чаще всего на легковой автомобиль устанавливают накопительный прибор 6 ст-60, у него ёмкость 60 а/ч, сколько литров электролита в аккумуляторе 60, можно найти в паспорте изделия.

Первым этапом выбора является определение правильной технологии. В настоящее время на рынке существует три основных типа аккумуляторов. Батарея с жидким электролитом. Это традиционная конструкция, которая устанавливается на машины, водителями, совершающими поездки на длинные расстояния. Аккумуляторные батареи AGM. Эти батареи отлично служат водителям автомобилей с гибридным приводом, которые эксплуатируются интенсивно.

Гелевые источники постоянного тока отличаются применением силикагеля, который уплотняет электролит. Они находят применение там, где требуется длительное питание — например, в домах-фургонах, но не подходят для применения в качестве стартерных аккумуляторов.

Страница не найдена — Энциклопедия аккумуляторов

Щелочные

Работоспособность любых аккумуляторных батарей со временем начинает ухудшаться, и они приходят к полному состоянию

Автомобильные

Недавно российские производители зарядных устройств для автомобилей начали изготавливать аккумуляторы по новой технологии efb.

Автомобильные

У многих начинающих автомобилистов возникает вопрос, как в аккумулятор долить дистиллированную воду, если он

Для ноутбуков

Если автономная работа ноутбука уменьшилась — вместо 10 часов он работает 5-6 и отключается

Автомобильные

Стартерные аккумуляторные батареи (АКБ) обеспечивает запуск двигателя и являются основным источником питания бортовых систем

Автомобильные

Аккумулятор Varta silver dynamic для автомобилей является важным элементом их системы энергоснабжения. Основное функциональное

Страница не найдена — Энциклопедия аккумуляторов

Автомобильные

Новые автомобильные АКБ имеют довольно высокую стоимость, а выйти из строя они могут из-за

Автомобильные

Аккумулятор — это предмет, который часто не получает должного внимания со стороны водителей. Уход

Автомобильные

Вопрос о замене аккумуляторной батареи с наступлением холодов встает перед каждым автовладельцем. Если летом

Автомобильные

Автомобиль Хендай Солярис относительно недавно появился на российском рынке. Однако эта модель довольно быстро

Автомобильные

Каждому автомобилисту знакома ситуация, когда при повороте ключа в замке зажигания ничего не происходит.

Гелевые

В настоящее время практически во всех сферах человеческой деятельности встречаются различные виды аккумуляторных батарей.

Сколько электролита должно быть в аккумуляторе?

Как показывает практика далеко не каждый, кто интересуется вопросом, сколько электролита в аккумуляторе, знает, что вообще такое электролит и зачем он нужен, поэтому сейчас вы получите ответы на все озвученные вопросы. Итак, обо всем по порядку.

Что такое электролит и зачем он вообще нужен?

Если вы уже успели прочитать на нашем портале статью: «Какая кислота в аккумуляторе автомобиля», то общее представление об электролите вы уже имеете. Если нет – разъясняем.

Электролит – это раствор серной кислоты и простой дистиллированной воды. Им в нужной концентрации и объеме заполняют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи для того, чтобы те благодаря химическим процессам происходящим с этим раствором могли хранить энергию. Отсюда, если концентрация или количество электролита в АКБ уменьшается, она перестает справляться в полной мере со своими обязанности и начинает нуждаться в замене или восстановлении. В последнем случае перед автомобилистами как раз и встает вопрос: сколько электролита должно быть в аккумуляторе.

Итак, сколько электролита должно быть в АКБ?

То, сколько электролита должна содержать аккумуляторная батарея автомобиля для максимально эффективной своей работы, напрямую определяется ее емкостью. Конечно, в зависимости от производителя возможна некоторая разбежка, но в целом объем электролита для аккумуляторов разной емкости будет следующим:

• 55 А·ч – 2,5 л +/- 100 г;
• 60 А·ч – 2,7-3 л;
• 62 А·ч – около 3 л;
• 65 А·ч – около 3,5 л;
• 75 А·ч – 3,7-4 л;
• 90 А·ч – 4,4-4,8 л;
• 190 А·ч – порядка 10 л.

Но это лишь примерный литраж, он нужен больше для справки перед походом в магазин. В процессе же восстановления аккумулятора нужно ориентироваться не на него, а на особые метки, присутствующие на корпусе последнего. Теперь подробнее.

Какой должен быть уровень электролита в аккумуляторе?

Если в вашем аккумуляторе присутствует шкала с минимумом и максимумом, то вопрос, до какого уровня следует заливать электролит, решается очень просто – по верхнюю черту, то есть до отметки «MAX»,

Если же такой шкалы нет, возможно, в отверстиях вашего аккумулятора есть «язычки», тогда электролита в АКБ нужно заливать столько, чтобы они покрылись 5 мм слоем раствора (полностью в него погрузились).

Ну, а если нет ни того, ни другого, залейте в АКБ электролит в рекомендуемом выше объеме (его должно быть не под завязку, а чуть меньше), а затем для самоконтроля возьмите стеклянную трубочку, диаметром до 5 мм и опустите ее внутрь АКБ, пока она не упрется в предохранительный щиток. Закройте верхнее отверстие трубочки пальцем и выньте ее наружу. Если уровень оставшегося в ней электролита находится в пределах 10-15 мм вы все сделали правильно – уровень электролита в АКБ оптимален.

Важно!

Если вы заметили, что уровень электролита в автомобильном аккумуляторе со временем стал меньше необходимого, его восполнение следует осуществлять лишь дистиллированной водой с небольшой плюсовой температурой – 15-25˚С, подробнее в статье – «Как поднять плотность электролита в аккумуляторе». Электролит может использоваться лишь в отношении абсолютно пустых АКБ.

Видео.

Рекомендую прочитать:

Вес акб 60 с электролитом

Сколько весит аккумулятор. Разберем автомобильные варианты от 55, 60 до 190 Ам*ч.

Наверное, многие задумывались — а сколько весит мой аккумулятор под капотом автомобиля? Обычно такие мысли приходят, когда его нужно сдать перекупам, то есть АКБ совсем уже вышел из строя и не может запускать двигатель. Вы покупаете новый, а вот старый логично продать, где-то вы слышали, что свинец это достаточно дорогой материал, узнав его стоимость можно легко перемножить на вес батареи и тем самым получить хоть какие то деньги обратно. Вот только не все производители, далеко не все, указывают массу своих моделей …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

Для начала вам нужно понять, что масса заправленной аккумуляторной батареи складывается из нескольких составляющих:

• Это пластиковый корпус
• Жидкий электролит
• Свинцовая составляющая

Так что многие кто взвешивает свой аккумулятор в сборе, немного не правы — ведь там есть вес тех компонентов, которые просто не покупаются перекупщиками. Поэтому цены скажем на чистый свинец, уже отчищенный выше примерно на 20%, чем в аккумуляторе в сборе.

Про разные строения

Конечно, мы сейчас разговариваем про автомобильные батареи, то есть стартерные. Но стоит отметить, что на данный промежуток времени существуют еще и тяговые аккумуляторы, это совершенно другое направление. Они не обладают высокими пусковыми токами, однако могут очень долго отдавать заданный ресурс энергии. Причем не бояться глубоких разрядов. Так вот весить они могут в 2 – 3 раза больше, чем стартерные варианты. Про это стоит запомнить.

Хотя их применение в рядовых авто, практически сведено на нет! Устанавливаются они в электромобилях, гибридах, и спецтехники (погрузчики, краны и т.д.).

Пластиковая часть в строении

Если говорить о том, сколько весит пластиковая составляющая – стоит вспомнить, сколько вообще весит пластик. ДА практически ничего! Вот и корпус со всеми перемычками между пластинами весят всего около 5 – 7% от общего веса. Для примера, батарея в 55 Ампер*часов, имеет корпус весом около – 750 грамм.

Поэтому сейчас многие скупщики не требуют разбирать аккумулятор, зачем ведь пластика в весе, не так много! А вот электролита уже существеннее.

Без электролита или его часть в строении АКБ

Без электрохимической жидкости АКБ работать не будет, именно она является как бы активатором всего процесса заряда и разряда. Напомню, состоит она из серный кислоты + дистиллированная вода. А так как это жидкость и ее достаточно много – весит она не мало.

Примерно – 16 – 20% от общей массы аккумулятора, что уже существенно. Однако не один перекупщик не попросит вас, его сливать, просто это небезопасно, для окружающей среды. А также многие батареи банально неразборные (хотя разобрать можно все сто угодно).

Таким образом, 20 – 25%, то есть четверть занимает пластик + электролит.

Свинцовая составляющая

Как уже стало понятно это 75 – 80% веса. Хотя здесь свинец применяется не только чистый, но и в соединениях.

Так плюсовые пластины состоят из – диоксида свинца. Обычно это так называемые пористые пластины.

Минусовые состоят из чистого свинца – эти пластины монолитные.

Из этих пластин собирают пакеты, которые и способствуют накоплению заряда.

Что же сейчас открою интригу, давайте разберем по мощности, сколько весят те или иные модели АКБ.

55 Ампер – час

Это самая легкая модель из всех, в 70% случаев ее можно встретить на машинах. Конечно, есть и более компактные, например в 35 — 40А*ч, но про них чenm позже в таблице.

ИТАК, вес – от 13 до 16 килограмм.

60 Ампер – час

С повышением емкости, растет и масса АКБ, каждые 5Ам*ч, дают около 10% к весу. То есть этот вариант уже весит – 17 – 18 килограмм.

75 Ампер – час

Здесь прибавка сразу 15А, что дает значимое прибавление к массе, ведь свинца и электролита потрачено больше – 22 – 24 килограмма.

90 Ампер – час

Еще прибавляем, такие батареи одни из самых мощных, устанавливаются часто на грузовую технику, трактора, бульдозеры, да и просто тягачи и самосвалы. Вес – 27 – 30 килограмм.

190 Ампер – час

Это очень тяжелые и мощные АКБ, их даже на двигателях кораблей применяют. В общем можно поставить и на обычный грузовик, только движок должен быть просто огромного объема. Масса, примерно 43 – 45 килограмм.

Таблица с электролитом и без

Вес аккумулятора в зависимости от емкости и марки
Емксоть	Средний вес АКБ с электролитом	Средний вес АКБ без электролита
35 А/ч	10,2 кг	8,7 кг
40 А/ч	10,6 кг	8,8 кг
42 А/ч	10,7 кг	9,1 кг
45 А/ч	12,1 кг	9,9 кг
50 А/ч	12,9 кг	11,2 кг
55 А/ч	14,6 кг	12,1 кг
60 А/ч	15,4 кг	13,2 кг
62 А/ч	15,6 кг	13,7 кг
65 А/ч	16,7 кг	14,1 кг
66 А/ч	16,9 кг	14,3 кг
70 А/ч	18,2 кг	14,8 кг
75 А/ч	19,0 кг	15,5 кг
77 А/ч	19,1 кг	16,2 кг
90 А/ч	23,1 кг	20,5 кг
95 А/ч	23,5 кг	20,7 кг
100 А/ч	24,4 кг	21,8 кг
110 А/ч	25,9 кг	25,6 кг
135 А/ч	37,5 кг	33,6 кг
190 А/ч	49,1 кг	47,9 кг
225 А/ч	61,8 кг	51,2 кг

Ограничение технологий

В общем, то на этом заканчиваю, хочется в заключении сказать, что аккумулятор автомобиля не менялся вот уже добрых 100 лет! Именно вес мешает развиваться электромобилям. Ведь если нагрузить в машину много батарей, он будет весить просто нереально. Когда батареи уменьшат, да хотя бы облегчат – электромобили начнут покупать охотнее, потому как пробег намного увеличиться. Сейчас, к сожалению, он не радует в среднем 150 километров, по идеальным, теплым условиям, без холода и снега.

НА этом все, читайте наш АВТОБЛОГ, будет еще много интересного.

(16 голосов, средний: 5,00 из 5)

Таблицы веса аккумуляторных батарей | Прием аккумуляторов в Санкт-Петербурге по лучшим ценам

 

Таблицы весовых характеристик служат для определения приблизительного веса отработанных аккумуляторов, предназначенных для последующей утилизации и переработки.   Автомобильные аккумуляторы:Стартерные, или автомобильные аккумуляторные батареи используются для запуска двигателя и питания различных электрических устройств автомобиля. В таблице представлены весовые характеристики автомобильных аккумуляторов с учетом массы электролита. Масса аккумулятора без электролита меньше приблизительно на 10%.               Точные весовые характеристики аккумуляторов определяются только после взвешивания! 

Наименование	Масса без учеты электролита,кг
Аккумулятор 6 ст-55	12,1
Аккумулятор 6 ст-60	13,2
Аккумулятор 6 ст-66	14,3
Аккумулятор 6 ст-74	15,4
Аккумулятор 6 ст-77	16,2
Аккумулятор 6 ст-90	20,5
Аккумулятор 6 ст-100	19,8
Аккумулятор 6 ст-110	25,6
Аккумулятор 6 ст-132	31,4
Аккумулятор 6 ст-140	36,9
Аккумулятор 6 ст-190	47,9
Аккумулятор 6 ст-215	27,3

    

Аккумулятор 3 ст-150 эм	23,2
Аккумулятор 3 ст-155 эм	25
Аккумулятор 3 ст-215 эм	35,8
Аккумулятор 6 ст-50 эм	17,5
Аккумулятор 6-ст 55 эм	19,2
Аккумулятор 6 ст-60 эм	21,1
Аккумулятор 6 ст-75 эм	25,6
Аккумулятор 6 ст-75 тм	23,9
Аккумулятор 6 ст-90 эм	30,4
Аккумулятор 6 ст-132 эм	43,1
Аккумулятор 6 ст-182 эм	60,4
Аккумулятор 6 ст-190 тм	61,7

Весовые характеристики стационарных аккумуляторных батарей, представленные в таблице, являются приблизительными. Наша компания осуществляет взвешивание аккумуляторов перед их демонтажем и сбором для последующей утилизации. 

Наименование	Масса без учета электролита, кг
Аккумулятор ПСК, СК-1
Аккумулятор ПСК, СК-2
Аккумулятор ПСК, СК-3
Аккумулятор ПСК, СК-4
Аккумулятор ПСК, СК-5
Аккумулятор ПСК, СК-6
Аккумулятор ПСК, СК-8
Аккумулятор ПСК, СК-10
Аккумулятор ПСК, СК-12
Аккумулятор ПСК, СК-14
Аккумулятор ПСК, СК-16
Аккумулятор ПСК, СК-18
Аккумулятор ПСК, СК-20
Аккумулятор ПСК, СК-24
Аккумулятор ПСК, СК-28
Аккумулятор ПСК, СК-32
Аккумулятор ПСК, СК-36
Аккумулятор ПСК, СК-40
Аккумулятор ПСК, СК-44
Аккумулятор ПСК, СК-48
Аккумулятор ПСК, СК-52
Аккумулятор ПСК, СК-56
Аккумулятор ПСК, СК-60
Аккумулятор ПСК, СК-64
Аккумулятор ПСК, СК-68
Аккумулятор ПСК, СК-72
Аккумулятор ПСК, СК-76
Аккумулятор ПСК, СК-80
Аккумулятор ПСК, СК-84
Аккумулятор ПСК, СК-88
Аккумулятор ПСК, СК-92
Аккумулятор ПСК, СК-96
Аккумулятор ПСК, СК-104
Аккумулятор ПСК, СК-108
Аккумулятор ПСК, СК-112
Аккумулятор ПСК, СК-116
Аккумулятор ПСК, СК-120
Аккумулятор ПСК, СК-124
Аккумулятор ПСК, СК-128
Аккумулятор ПСК, СК-132
Аккумулятор ПСК, СК-136
Аккумулятор ПСК, СК-140

 

Наименование	Масса без учета электролита, кг
Аккумулятор СКЭ-16	69
Аккумулятор СКЭ-18	75
Аккумулятор СКЭ-20	85
Аккумулятор СКЭ-24	105
Аккумулятор СКЭ-28	120
Аккумулятор СКЭ-32	144
Аккумулятор СКЭ-36	159
Аккумулятор СКЭ-40	176
Аккумулятор СКЭ-44	191
Аккумулятор СКЭ-48	208
Аккумулятор СКЭ-52	223
Аккумулятор СКЭ-56	240
Аккумулятор СКЭ-60	255
Аккумулятор СКЭ-64	271
Аккумулятор СКЭ-68	287
Аккумулятор СКЭ-72	303
Аккумулятор СКЭ-76	319

   

Наименование	Масса без учета элеткролита, кг
Аккумулятор 3 СН-36	13,2Â
Аккумулятор СН-72	7,5
Аккумулятор СН-108	9,5
Аккумулятор СН-144	12,4
Аккумулятор СН-180	14,5
Аккумулятор СН-216	18,9
Аккумулятор СН-228	23,3
Аккумулятор СН-360	28,8
Аккумулятор СН-432	34,5
Аккумулятор СН-504	37,8
Аккумулятор СН-576	45,4
Аккумулятор СН-648	48,6
Аккумулятор СН-720	54,4
Аккумулятор СН-864	64,5
Аккумулятор СН-1008	74,2
Аккумулятор СН-1152	84

Page 2

Наши услуги:

— Дорого! покупаем старые, отработанные аккумуляторы — Продаем новые аккумуляторы по выгодным ценам — Покупаем лом черных и цветных металлов и сплавов

Выгодные преимущества для вас, при обращении в нашу компанию:

— Мы приедем и сами заберем у Вас аккумулятор (или другой материал), даже если у Вас всего один аккумулятор — Выгодные цены  — Возможность получить скидку при покупке нового аккумулятора, сдав в зачет старый — Работаем с любыми объемами (от 1 аккумулятора) — Представляем продукцию как малоизвестных так и ведущих мировых брэндов

Гарантии:

— Предоставляем гарантийные обязательства на всю реализуемую нами продукцию  — Работаем с проверенными поставщиками. — Вся наша продукция имеет необходимые сертификаты

Если вы занимаетесь покупкой аккумуляторов и у вас есть своя приемка или магазин:

Тогда для вас есть выгодное предложение, позвоните по контактному номеру телефона чтобы обсудить детали.

Page 3

Вы хотите сдать отработанный старый аккумулятор в Санкт-Петербурге? 

Мы купим его у Вас! 

Наша компания специализируется на покупке и переработке любых свинцовых аккумуляторов в любом виде  (разбитый, без корпуса и т.д.). Электролит из аккумуляторов сливать не надо

Мы работаем с любыми объемами материала от одного аккумулятора до оптовых закупок !

Мы располагаем пунктами приема аккумуляторов во всех районах города,

но если у вас нет возможности самим привезти аккумултор в наш пункт приема — просто позвоните в любое время по номеру +7 (812) 986-45-54.

и мы заберем материал у вас.

Выгодные преимущества для вас, при обращении в нашу компанию:

— Мы приедем и сами заберем у Вас аккумулятор (или другой материал), даже если у Вас всего один аккумулятор — Не нужно сливать электролит из аккумулятора!!! Просто привезите его нам и получите деньги! — Принимаем аккумуляторы в любом виде! Даже разбитые аккумуляторы, аккумуляторы с поврежденным корпусом или просто в виде лома! — Выгодные цены  — Возможность получить скидку при покупке нового аккумулятора, сдав в зачет старый — Работаем с любыми объемами (от 1 аккумулятора) — Представляем продукцию как малоизвестных так и ведущих мировых брэндов

Наш мобильный пункт приема аккумуляторов всегда на связи 7 дней в неделю без обедов и выходных +7 (812) 986-45-54

Деньги за аккумулятор вы получаете СРАЗУ!!!!  

Наша компания принимает отходы на утилизацию: Свинцовые отработанные аккумуляторы, которые не были повреждены, и с которых не сливали электролит. Свинцовые аккумуляторы, которые не были разобраны, но электролит слили. Несортированный свинцовый лом. Незагрязненный свинцовый лом в кусковой форме. Несортированные отходы, в состав которых входит свинец. Отходы, в состав которых входит свинец, в форме кусков. Незагрязненные свинцовые опилки. Незагрязненную свинцовую пыль. Незагрязненный свинцовый скрап. Незагрязненную свинцовую стружку. Свинцовые пластины из б/у аккумуляторов. Лом цветных металлов (Медь, Латунь, Алюминий, Титан и др.)

Сколько весит автомобильный аккумулятор

Так ли важно, сколько весит кг аккумулятор автомобиля, когда он стоит на своем месте и исправно несет службу? Но если нужно снять, установить аккуратно в гнездо или донести прибор до мастерской – вопрос становится актуальным. Вес кислотных свинцовых аккумуляторов и литиевых отличаются разительно, как и их обслуживание. Но даже один тип батарей отличается количеством банок в корпусе, следовательно, весом. От этого показателя косвенно зависят и другие характеристики источника энергии.

Вес автомобильного аккумулятора с электролитом

Вспомним устройство батареи. Масса ее зависит от размера корпуса, суммарного веса тяжелых свинцовых пластин различной толщины, залитого в банки электролита, активного вещества.

Пластик – материал легкий, но корпус может иметь разный геометрический размер, а значит емкость. Чем больше корпус, тем больше в него вмещается электролита и свинцовых пластин. Однако вес его составляет 5-7 %.

Электролит – важнейшая часть аккумулятора, представляет раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Масса электролита составляет пятую часть общего веса. Остальной вес приходится на свинцовые пластины и активную замазку на угольной решетке.

Емкость аккумулятора зависит вместимости активных элементов – пластин свинца и объема электролита. Поэтому средний вес аккумулятора автомобильного с электролитом будет:

• 55 А*ч – 13 -16 кг;
• 60 А*ч – 17 — 18 кг;
• 75 А*ч – 22 — 24 кг;
• 90 А*ч – 27 — 30 кг.

Обратите внимание – вес в диапазоне. Это значит, производитель может устанавливать более толстые свинцовые пластины, что удлиняет срок службы модели, но делает ее дороже.

Сколько весит аккумулятор легкового автомобиля

Легковые автомобили поставляются со стартерными аккумуляторами. И хотя АКБ имеет меньший срок службы, по сравнению с авто, он рассчитан на работу в паре с генератором. При замене лучше приобретать идентичный по размерам и емкости АКБ.

Знать какие аккумуляторы может предложить промышленность, сколько весит автомобильный аккумулятор 55 А*ч, и почему вместо него нельзя ставить АКБ 75 А*ч, полезно. А причина простая. Поставив аккумулятор большей емкости и не сменив генератор, вы будете всегда пользоваться недозаряженным источником энергии. Это быстро приведет к потере излишней емкости, произойдет сульфатация пластин. Вдобавок получите нагрузку в виде лишнего бесполезного веса аккумулятора, придется переделывать место установки.

Узнать, вес можно, найдя информацию на этикетке автомобильного аккумулятора. Но необходимо учесть, что представлено значение без учета электролита. Воспользовавшись таблицей, можно определить фактический вес автомобильного аккумулятора, не имея под рукой весов и таблицы.

Все аккумуляторы различаются в конфигурации по сборке. Она может быть «европейской» и «азиатской» и «американской». Они отличаются размерами, формой и способом крепления. В них по-разному расположены клеммы. Поэтому, при замене нужно ориентироваться на тип батареи, менять на подобную.

Таблица: Вес автомобильных аккумуляторов разной емкости

Емкость А*ч	Тип батареи	Сухой вес кг	Электролит кг	Заправл. кг
55	6СТ-55	12,1	2,5	14,6
60	6СТ-60	13,2	2,2	15,4
66	6СТ-66	14,3	2,6	16,9
75	6СТ-75	15,5	3,5	19,0
90	6СТ-90	20,5	2,6	23,1
100	6СТ-100	21,8	2,6	24,4
190	6СТ-190	47,9	1,2	49,1

Из таблицы видно, сколько весит самый распространенный аккумулятор для легкового автомобиля на 55А*ч — около 15 килограммов. Его может установить на место даже малосильный автолюбитель.

Сколько весит аккумулятор автомобильный 60

Для автомобилей используются стартовые авто, которые в 2-3 раза легче, чем тяговые. Они работают по-разному. Стартовый АКБ отдаст залпом энергию на запуск мотора, а потом получит подзарядку. Тяговые батареи работают на одном заряде, равномерно теряя емкость, до следующей подзарядки от сети.

Сколько весит автомобильный аккумулятор на 60 ампер, зависит от производителя. Часто случается, заявленный вес не совпадает с фактическим. Это означает, производитель внес изменение в толщину пластин из свинца. Возьмем типоразмер автомобильных аккумуляторов емкостью 60 А*ч. Средний вес аккумулятора с электролитом должен быть 15,4 кг, сухого – 13,3. В них входит одинаковое количество жидкости – 2,2 литра, а вес моделей от разных производителей:

• Tilan- 15,2 кг;
• Тюменский Медведь – 15,0 кг;
• Forse – 15,5 кг;
• Banner – 16,5 кг;
• Bost – 16,2 кг.

За емкость аккумулятора отвечает количество активной массы на решетке и объем электролита. За прочность и способность к восстановлению емкости – толщина свинцовых пластин. Какой аккумулятор выбрать из рассмотренных – решайте сами.

Видео

Предлагаем насколько советов видео от специалиста по приобретению нового аккумулятора.

Аккумулятор на 60 А/ч 12v

Для нормальной работы электроприборов в автомобиле необходим подходящий аккумулятор, ёмкость которого позволит без проблем поддерживать работу устройств и при этом запускать двигатель. Чтобы иметь достаточный запас электричества многие автолюбители стремятся установить батареи большей ёмкости. Оптимальным вариантом для легкового автомобиля среднего класса является аккумулятор 60 ah.

Сколько весит аккумулятор 60 ач

Стандартная 12 вольтова батарея 6СТ-60 состоит из шести одинаковых по объёму банок, в которых находятся свинцовые пластины, сепараторы и электролит. Аккумулятор всегда весит достаточно много. Основной вес приходится на свинцовые пластины, но, кроме этого, внутри изделия заливается достаточно большое количество раствора кислоты, который значительно тяжелее воды. Корпус изделия состоит из плотного пластика, масса которого относительно невелика, но тоже вносит свою лепту в общий вес аккумуляторной батареи.

Полная масса заправленного электролитом аккумулятора ёмкостью 60 А/ч может незначительно колебаться в зависимости от технологии и производителя, но средний показатель будет составлять от 13 до 16 кг.

Габариты АКБ и варианты клемм

Чтобы аккумулятор поместился в подкапотном пространстве на специальной площадке необходимо знать точные размеры. При чем не только длину и ширину, но и высоту. Все дело в том, что АКБ на 60 ампер час выпускаются в трех модификациях:

ТипДлинна, ммШирина, ммВысота, мм

Стандатрный	242	175	190
Низкий	242	175	175
Азиатский	232	173	225

Владельцам машин следует также знать, под какой вариант расположения клемм необходимо приобретать автомобильный элемент питания. На прилавках магазинов можно встретить АКБ ёмкостью 60 ампер часов со следующими вариантами клемм:

• Стандартные. Такие клеммы на всех европейских и российских автомобилях. У плюсовой клеммы диаметр 19,5 мм, а минусовой 17,9
• ASIA. Эти клеммы встречаются на азиатских автомобилях, в отличие от стандартных они уже и торчат над АКБ. Плюсовая клемма 12,7 мм, а минусовая 11,1 мм.
• Американские. Винтовые клеммы, расположены на торце батареи, встречаются на пригнанных машинах из США.

Читайте также:  Как правильно поменять электролит в аккумуляторе

Все батареи выпускаются, как с прямой [+ -], так и обратной [- +] полярностью.

Сколько электролита в аккумуляторе 60 ач

В свинцовых аккумуляторах имеется прямая зависимость ёмкости изделия и количества электролита заливаемого в банки. Для батареи 60 ач объём раствора серной кислоты составит около 3-4 литра. Такой разброс из-за различных технологий. В современных дорогих батареях больше свинца и меньше электролита, в бюджетных моделях наоборот.

Приобрести электролит можно практически в любом магазине автозапчастей. Реализация осуществляется в бутылках объёмом 1 и 5 литров. Чтобы сэкономить деньги рекомендуется приобретать 5 – литровую канистру.

Каким током заряжать аккумулятор 60 ач

Величина тока напрямую зависит от емкости АКБ и равна 10% от нее. В нашем случае емкость ровна 60, значит сила тока должна быть до 6 ампер. Напряжение 14,4 вольта. Ориентировочно за 10 часов она должна зарядиться.

Наиболее безопасным способом является использование автоматических зарядных устройств, которые самостоятельно регулируют интенсивность заряда батареи. При включении таких устройств в сеть полностью отпадает необходимость следить за процессом зарядки батареи.

Для каких автомобилей подходит АКБ 60 ач

Аккумуляторы напряжением 12 вольт и ёмкостью 60 а/ч подходят для установки на легковые автомобили, объём двигателя которых не превышает 2 литров. Как правило, без каких-либо серьёзных последствий можно заменить стандартные батареи ёмкостью 55 А/ч, устанавливаемые на отечественные легковушки. При условии, что батарея подходит по габаритам и расположению клемм, повышение накопительной возможности тока бортовой системы автомобиля приведёт к более уверенной эксплуатации, особенно в условиях городских пробок и в зимнее время года.

Если автомобиль оснащен системой Start-Stop, то нужно выбирать батарею изготовленную по технологиям AGM, GEL или EFB. Так же они прекрасно выдерживают глубокие разряда и их можно использовать в качестве тяговых, но обычным ЗУ их зарядить не получится, нужно специальное.

Читайте также:  Гелевые аккумуляторы GEL

Какой аккумулятор 60 ач выбрать и на что обратить внимание

Для того чтобы аккумулятор прослужил как можно дольше важно не допускать глубоких разрядов, предохранять изделие от механических повреждений, заносить изделие в тёплое помещение при длительной стоянке автомобиля на улице в зимнее время. Кроме этого, необходимо во время покупки отдать предпочтение проверенной марке. Среди отечественных и импортных брендов наиболее популярные:

Перечисленные марки обладают всеми необходимыми достоинствами для обеспечения электрическим током современных автомобилей, который оснащаются двигателями внутреннего сгорания объёмом до 2 литров.

У Вас был или есть аккумулятор емкостью 60 ач? Тогда расскажите в комментариях какой и о своих впечатлениях о нем, это очень поможет остальным автолюбителям и сделает материал более полным и точным.

Отзывы

Николай. г. Мурманск. Приобрёл для своей лады новый аккумулятор Вosch s4 silver ёмкостью 60 А/ч. Батарейка прекрасно крутит стартер в любую погоду, а во время полярной ночи обеспечивает хорошую видимость на дороге, даже при небольших оборотах двигателя.

Григорий. г. Ставрополь. Очень хороший аккумулятор для машины – это Titan 6 ст 60 А/ч. Часто приходится ездить на своей мазде ночью, поэтому повышенная ёмкость АКБ необходима как воздух.

Александр. г. Керчь. Уже более 10 лет покупаю для своего уазика аккумуляторы Forse. Изделия отличного качества, в том числе и модели повышенной ёмкости.



Сколько электролита в аккумуляторе 60 ампер часов

АВТОМОБИЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Тип батареи

Номинальное напряжение, В

Номинальная емкость при 20 часовом режиме разряда, А-ч

Разрядный ток, А

Габаритные размеры, мм

Масса, кг

Количество электролита на 1 батарею, л

длина

ширина

высота

с электролитом

без электролита

В обозначении буквы и цифры означают:

Аккумуляторные батареи отличаются емкостными характеристиками: 55ah, 60ah, 70ah, 44ah и технологией производства. Индикация ампер-часов (Ah) измеряет емкость аккумулятора – количество тока, которое принято при постоянной температуре 27° C в течение 20 часов до напряжения 1,75 вольт на ячейку батареи. Какие технологии используют в АКБ, содержимое батарей – об этом узнаете ниже.

Характеристики аккумуляторной батареи зависят от материала пластины

Кальций (CA + / Ca-). Преимущества:

• низкое потребление воды,
• безопасность при авариях,
• низкий уровень саморазряда.

Кальциевые батареи рекомендуют, если батарея установлена ​​в моторном отсеке и поэтому подвержена воздействию высоких температур или установлена ​​в труднодоступном месте. В новых автомобилях производители теперь используют 90% этого типа батареи.

Гибрид (сурьма + / CA-). Высокое потребление воды по сравнению с чистыми батареями кальция. Время от времени дистиллированную воду пополняют. Таким образом, этот тип аккумулятора распознают по наличию пробки для долива воды. Для дорогих брендовых АКБ потребление воды практически сводится к 0.

Узнай время зарядки своего аккумулятора

Пластины сурьма (сурьма + / сурьма) Редко используется как стартерная батарея. Высокая прочность цикла, но ограниченный ток холодного пуска. Необходимо частое наполнение водой.

АКБ обслуживаемого типа

Из перечисленных выше, рассмотрим АКБ обслуживаемого типа – (сурьма + / Cа- ) и (сурьма + / сурьма – ) свинцово-кислотные батареи, где за счет химической реакции серной кислоты, воды, свинца на электродах батареи образуются электрические заряды. При этом часть химических веществ теряют массу. В большей степени это касается воды.

Снижение уровня электролита в банках аккумулятора происходит за счет уменьшения объема воды. Концентрация серной кислоты при этом не снижается, а может увеличится. Вот почему при отсутствии утечек электролита в банки аккумулятора добавляют дистиллированную воду, чтобы закрыть верхний край пластин на 3-5 мм или до контрольной отметки.

Значение заряда АКБ и плотности электролита

Поскольку уровень заряда батареи будет зависеть от количественного состава химических элементов, участвующих в электролизе, логично предположить, что размеры пластин, вместимость банок – будут отличаться. Если сравнить 45Ah и 75Ah аккумуляторы, то геометрические размеры и вес последнего будут больше.

Свинцово-кислотные обслуживаемые батареи лучше хранятся в сухом виде, не заправленные электролитом. Так будет происходить окисление пластин, но это гораздо меньше, чем потеря массы пластин во время химической реакции. Электролит, если готовить самостоятельно, смешивают в рекомендованных пропорциях.

О заправке АКБ электролитом

Аккумуляторные заводы дают инструкцию по заправке АКБ. В автомагазинах продают уже готовые электролиты и дистиллированную воду. Воспользуйтесь таблицей для получения 1л электролита.

Требуемая плотность электролита, г/см 3 приведенная к температуре 25°С	Исходное количество воды, л	Требуемое количество кислоты в л плотностью 1,4г/см 3 при температуре 25°С
1,22	0,490	0,522
1,23	0,463	0,549
1,24	0,436	0,576
1,25	0,410	0,601
1,26	0,383	0,628
1,27	0,357	0,652
!,28	0,330	0,680
1,29	0,302	0,705

Узнать плотность электролита в АКБ можно ареометром. Как пользоваться указано в прилагаемой инструкции. В зависимости от температуры делается поправка. Если, например, +15°С, то поправка 0, затем на каждые 15 градусов вверх или вниз делается поправка на 0,01г/см3, например, при – 15°С поправку делают – 0,02г/см3.

Раствор электролита готовят из расчета объема, указанного в паспорте. В АКБ 50Ah, 75Ah, 90Ah, 190Ah объем электролита примерно составит 2,5л, 4л, 5л, 10л. Зависит от производителя.

В действительности, уход за обслуживаемыми АКБ, заключается в проверке плотности электролита и заряженности батареи. Надо хотя бы раз в год, в особенности при подготовке к зиме, проверять уровень и плотность электролита, а если АКБ со стажем, то и чаще.

Внимание! Во время работы с электролитом соблюдайте меры предосторожности: работайте в очках и перчатках в проветриваемом помещении. Добавляйте кислоту в воду, а не наоборот. При попадании раствора на кожу, обильно промойте участок проточной водой с добавлением пищевой соды. Используйте посуду стойкую к кислоте: стекло, керамика, эбонит, пластик.

Если обнаружили, что уровень электролита упал ниже контрольной отметки, проделайте следующее:

1. Снимите аккумулятор и занесите в теплое проветриваемое помещение.
2. Добавьте дистиллированную воду до отметки уровня: на 3-5 мм сверху пластин.
3. Зарядным устройством зарядите аккумулятор.
4. Если после этого плотность ниже нормы, например, 1,19 – 1,21г/см3, то добавьте электролит, который продается уже в готовом виде плотностью 1,34 – 1,40г/см3. Для этого откачайте грушей электролит из банки и влейте туда свежий.
   Внимание! Ни в коем случае не переворачивайте АКБ вверх дном, возможно замыкание пластин отслоившимися кусочками свинца со дна аккумуляторной банки.
5. Проделайте эту операцию с другими банками, доведя плотность до нормальной. Для умеренного климата 1,25 – 1,27г/см3. Для суровых условий плотность 1,29г/см3.
6. Опять зарядите аккумулятор 10% — током Ah аккумулятора, например, если это 60Ah, то ток зарядки сделайте 6А.

Следите за зарядкой, не допускайте разрядов, поддерживайте уровень электролита в банках АКБ. Не допускайте саморазряда аккумулятора, который возможен при неисправностях электропроводки, не плотных контактах, утечках заряда по грязному корпусу аккумулятора. Продлите жизнь АКБ выше гарантийного срока.

Как показывает практика далеко не каждый, кто интересуется вопросом, сколько электролита в аккумуляторе, знает, что вообще такое электролит и зачем он нужен, поэтому сейчас вы получите ответы на все озвученные вопросы. Итак, обо всем по порядку.

Что такое электролит и зачем он вообще нужен?

Если вы уже успели прочитать на нашем портале статью: «Какая кислота в аккумуляторе автомобиля», то общее представление об электролите вы уже имеете. Если нет – разъясняем.

Электролит – это раствор серной кислоты и простой дистиллированной воды. Им в нужной концентрации и объеме заполняют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи для того, чтобы те благодаря химическим процессам происходящим с этим раствором могли хранить энергию. Отсюда, если концентрация или количество электролита в АКБ уменьшается, она перестает справляться в полной мере со своими обязанности и начинает нуждаться в замене или восстановлении. В последнем случае перед автомобилистами как раз и встает вопрос: сколько электролита должно быть в аккумуляторе.

Итак, сколько электролита должно быть в АКБ?

То, сколько электролита должна содержать аккумуляторная батарея автомобиля для максимально эффективной своей работы, напрямую определяется ее емкостью. Конечно, в зависимости от производителя возможна некоторая разбежка, но в целом объем электролита для аккумуляторов разной емкости будет следующим:

• 55 А·ч – 2,5 л +/- 100 г;
• 60 А·ч – 2,7-3 л;
• 62 А·ч – около 3 л;
• 65 А·ч – около 3,5 л;
• 75 А·ч – 3,7-4 л;
• 90 А·ч – 4,4-4,8 л;
• 190 А·ч – порядка 10 л.

Но это лишь примерный литраж, он нужен больше для справки перед походом в магазин. В процессе же восстановления аккумулятора нужно ориентироваться не на него, а на особые метки, присутствующие на корпусе последнего. Теперь подробнее.

Какой должен быть уровень электролита в аккумуляторе?

Если в вашем аккумуляторе присутствует шкала с минимумом и максимумом, то вопрос, до какого уровня следует заливать электролит, решается очень просто – по верхнюю черту, то есть до отметки «MAX»,

Если же такой шкалы нет, возможно, в отверстиях вашего аккумулятора есть «язычки», тогда электролита в АКБ нужно заливать столько, чтобы они покрылись 5 мм слоем раствора (полностью в него погрузились).

Ну, а если нет ни того, ни другого, залейте в АКБ электролит в рекомендуемом выше объеме (его должно быть не под завязку, а чуть меньше), а затем для самоконтроля возьмите стеклянную трубочку, диаметром до 5 мм и опустите ее внутрь АКБ, пока она не упрется в предохранительный щиток. Закройте верхнее отверстие трубочки пальцем и выньте ее наружу. Если уровень оставшегося в ней электролита находится в пределах 10-15 мм вы все сделали правильно – уровень электролита в АКБ оптимален.

Важно!

Если вы заметили, что уровень электролита в автомобильном аккумуляторе со временем стал меньше необходимого, его восполнение следует осуществлять лишь дистиллированной водой с небольшой плюсовой температурой – 15-25˚С, подробнее в статье – «Как поднять плотность электролита в аккумуляторе». Электролит может использоваться лишь в отношении абсолютно пустых АКБ.

Видео.

состав и свойства — Информация

Пластиковый корпус и два контакта для подключения проводов. Именно так представляется автомобильный аккумулятор большинству из современных владельцев авто. Однако чтобы эксплуатировать его максимально эффективно, безопасно и без неожиданных сюрпризов, о батарее стоит знать немного больше.

 

Сегодня речь пойдет о столь важной составляющей конструкции авто и мото аккумуляторов, как электролит. Он представляет собой раствор серной кислоты, которая считается, пожалуй, одним из ключевых химических соединений в мире. Это обусловлено широким спектром ее применения. Раствор серной кислоты продается под различными наименованиями, которые зависят от степени крепости, а также уровня чистоты. Приведем несколько распространенных примеров:

 

• Камерная кислота – раствор серной кислоты с водой в пропорции от 60:40 до 70:30.
• Башенная кислота – раствор с соотношением от 75:25 до 82:18.
• Купоросное масло с содержанием серной кислоты до 97%.
• 100% серная кислота – моногидрат.

 

Если говорить о максимальной крепости, получаемой способом выпаривания, то этот параметр может достигать 98,5%. Однако для заправки аккумуляторных батарей ключевое значение приобретает чистота растворов купоросного масла с химической точки зрения.

 

Отметим также, что концентрированной серной кислотой называется совершенно прозрачная жидкость, не имеющая ни цвета, ни запаха. Она обладает консистенцию легкого масла. Ее удельный вес составляет 1б84 при температуре 15°С. В ней содержится примерно 95% серной кислоты. Концентрат может смешиваться с водой в любой пропорции. Изготавливая электролит в бытовых условиях, следует помнить, что смешивание воды и кислоты вызывает выделение значительного количества тепла. Температура кипения концентрированной серной кислоты составляет 338 градусов Цельсия.

 

Интересным фактом из курса химии является сокращение объема раствора. Примечательно то, что при смешении двух объемов серной кислоты и воды, соответственно, их итоговый объем будет меньше, чем суммарный.

 

Также обратите внимание на то, что удельный вес или плотность электролита авто или мото аккумулятора имеет непосредственную зависимость от тех температур, при которых работают аккумуляторы. Так, при эксплуатации в условиях низких температур нужен более плотный электролит. А в жарких странах – напротив – плотность электролита сознательно снижается. Это объясняется тем, что при таких температурах существенно повышается химическая активность раствора.

 

В заключение отметим, что плотность электролита также зависит от того, в каких режимах эксплуатируется батарея. Так, данный параметр для тяговых аккумуляторов обычно составляет 1.26 кг\с м³ , пусковые и осветительные источники питания имеют плотность до 1.3 кг\с м³ и т.д. Для автомобильных аккумуляторных батарей эта характеристика читается нормой, когда составляет 1.28 кг\с м³ .

23.08.2013, 69927 просмотров.

Электролиты, изготовленные из сжиженного газа, позволяют батареям работать при сверхнизких температурах — ScienceDaily

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали прорыв в химии электролитов, который позволяет литиевым батареям работать при температурах до -60 градусов Цельсия с отличной производительностью — для сравнения, современные литий-ионные батареи перестают работать при -20 градусах Цельсия. Новые электролиты также позволяют электрохимическим конденсаторам работать до -80 градусов по Цельсию — их текущий нижний предел температуры составляет -40 градусов по Цельсию.Несмотря на то, что эта технология позволяет работать при экстремально низких температурах, высокая производительность при комнатной температуре сохраняется. Новый химический состав электролита может также увеличить плотность энергии и повысить безопасность литиевых батарей и электрохимических конденсаторов.

Работа будет опубликована онлайн в журнале Science в четверг, 15 июня 2017 г.

Эта технология может позволить электромобилям в холодном климате путешествовать дальше на одной зарядке, уменьшая беспокойство по поводу дальности полета зимой в таких местах, как Бостон.Эта технология также может быть использована для управления кораблями в условиях сильного холода, таких как беспилотные летательные аппараты с Wi-Fi в высоких слоях атмосферы и метеозондные воздушные шары, спутники, межпланетные вездеходы и другие аэрокосмические приложения.

Батареи и электрохимические конденсаторы, разработанные исследователями, особенно морозоустойчивы, потому что их электролиты сделаны из сжиженных газовых растворителей — газов, сжижаемых при умеренном давлении, — которые гораздо более устойчивы к замерзанию, чем стандартные жидкие электролиты.Новый электролит литиевой батареи был изготовлен с использованием сжиженного газообразного фторметана. Электролит электрохимического конденсатора был изготовлен с использованием сжиженного газа дифторметана.

«Глубокая декарбонизация связана с прорывом в технологиях накопления энергии. Для производства электромобилей с улучшенным соотношением производительности и стоимости необходимы более совершенные аккумуляторы. А как только температурный диапазон для аккумуляторов, ультраконденсаторов и их гибридов будет расширен, эти технологии электрохимического накопления энергии могут быть приняты на многих других развивающихся рынках.Эта работа показывает многообещающий путь, и я думаю, что успех этого нетрадиционного подхода может вдохновить большее количество ученых и исследователей на изучение неизведанных территорий в этой области исследований », — сказала Ширли Мэн, профессор наноинженерии Инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего. старший автор исследования. Мэн возглавляет лабораторию по хранению и преобразованию энергии и является директором Центра устойчивой энергетики и энергетики в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

«Принято считать, что электролит является основным узким местом для повышения производительности устройств накопления энергии следующего поколения», — сказал Сайрус Рустомджи, научный сотрудник группы Мэн и первый автор исследования.«Электролиты на жидкой основе были тщательно исследованы, и многие сейчас обращают свое внимание на твердотельные электролиты. Мы выбрали противоположный, хотя и рискованный подход, и исследовали использование газовых электролитов».

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего первыми исследовали газовые электролиты для электрохимических накопителей энергии.

В будущем эту технологию можно будет использовать для питания космических кораблей для межпланетных исследований. «Марсоходы имеют низкотемпературные характеристики, которым не может соответствовать большинство существующих батарей.«Наша новая аккумуляторная технология может соответствовать этим спецификациям без добавления дорогих и тяжелых нагревательных элементов», — сказал Рустомджи.

В ходе реализации этого проекта команда Калифорнийского университета в Сан-Диего осознала, что газы обладают свойством, благодаря которому они особенно хорошо работают при температурах, при которых обычные жидкие электролиты замерзают — с низкой вязкостью. «Низкая вязкость приводит к высокой подвижности ионов, что означает высокую проводимость батареи или конденсатора даже в условиях сильного холода», — сказал Рустомджи.

Группа исследовала ряд потенциальных газов-кандидатов, но сосредоточила внимание на двух новых электролитах: один на основе сжиженного фторметана (для литиевых батарей), а другой на основе сжиженного дифторметана (для электрохимических конденсаторов).

Помимо исключительных низкотемпературных характеристик, эти электролиты обладают уникальным преимуществом в плане безопасности. Они смягчают проблему, называемую тепловым разгоном, когда аккумулятор становится достаточно горячим, чтобы вызвать опасную цепочку химических реакций, которые, в свою очередь, еще больше нагревают аккумулятор. С этими новыми электролитами аккумулятор не сможет самостоятельно нагреваться при температурах, намного превышающих комнатную. Это потому, что при высоких температурах эти электролиты теряют способность растворять соли, поэтому аккумулятор теряет проводимость и перестает работать.

«Это естественный механизм отключения, который предотвращает перегрев аккумулятора», — сказал Рустомджи. Он отметил, что еще одна приятная особенность заключается в том, что этот механизм обратимый. «Как только аккумулятор становится слишком горячим, он отключается. Но когда он снова остывает, он снова начинает работать. Это необычно для обычных аккумуляторов».

Кроме того, Рустомджи сказал, что в более тяжелых условиях, таких как автомобильная авария, когда аккумулятор раздавлен и закорочен, газ электролита может выходить из элемента и, из-за недостаточной проводимости электролита, предотвращать тепловую реакцию неуправляемого нагрева, которая в противном случае Этого трудно избежать с обычными жидкими электролитами.

Совместимый электролит для анодов металлического лития

Мэн, Рустомджи и его коллеги сделали большой шаг вперед к осуществлению еще одной долгожданной мечты исследователей аккумуляторов: создания электролита, который хорошо работает с анодом из металлического лития. Литий считается лучшим анодным материалом, поскольку он может накапливать больше заряда, чем существующие аноды, и легче. Проблема в том, что металлический литий вступает в реакцию с обычными жидкими электролитами.Эти химические реакции приводят к тому, что металлический литий имеет низкую кулоновскую эффективность, что означает, что он может пройти только ограниченное количество циклов зарядки и разрядки, прежде чем батарея перестанет работать.

Другая проблема, связанная с использованием обычных жидких электролитов с анодом из металлического лития, заключается в том, что при повторяющихся циклах зарядки и разрядки литий может накапливаться в определенных местах на электроде. Это вызывает рост игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут проткнуть часть батареи, вызывая ее короткое замыкание.

Предыдущие подходы к решению этих проблем включают: использование электролитов с низкой вязкостью; приложение высокого механического давления к электроду; и использование так называемых добавок фторированного электролита для формирования идеального химического состава на поверхности электрода из металлического лития. Новые электролиты на сжиженном газе, разработанные командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, объединяют все три этих ключевых аспекта в единую электролитную систему. Последующая межфазная поверхность, образующаяся на электроде, представляет собой очень однородную поверхность без дендритов, обеспечивающую высокую кулоновскую эффективность, превышающую 97 процентов, и улучшенную проводимость батареи.Исследователи заявили, что это также первый случай, когда электролит обладает высокими характеристиками как для металлического лития, так и для классических катодных материалов, что может позволить значительно увеличить общую плотность энергии батарей.

Следующие шаги

Двигаясь вперед, исследователи стремятся улучшить удельную энергию и возможность циклирования как батарей, так и электрохимических конденсаторов, а также работать при еще более низких температурах — до -100 градусов Цельсия. Эта работа может привести к разработке новой технологии для питания космических кораблей, отправляемых для исследования внешних планет, таких как Юпитер и Сатурн.

Рустомджи возглавляет команду из Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающую над коммерциализацией этой технологии через стартап под названием South 8 Technologies.

Высокопроизводительная калийно-металлическая батарея с использованием безопасного ионного жидкого электролита

Перезаряжаемые калиевые (K) батареи являются потенциальной альтернативой литий-ионным батареям из-за обилия земли и низкой стоимости K (1⇓ – 3). Низкий стандартный окислительно-восстановительный потенциал K-металла (-2,936 В по сравнению со стандартным водородным электродом) обеспечивает высокие рабочие напряжения батарей, а слабая сольватация ионов K обычно приводит к более быстрой диффузии в электролитах по сравнению с ионами Li (4), что является желательной характеристикой. для аккумуляторных батарей с высокой плотностью мощности, включая накопители энергии в масштабе сети и электромобили (5, 6).В последние годы были предприняты большие усилия для разработки K-металлических батарей, что привело к значительному прогрессу в области катодных (7⇓⇓⇓⇓⇓ – 13) и анодных материалов (14⇓⇓⇓ – 18), предназначенных для использования в различных электролитах. Органические электролиты на основе карбоната (например, этиленкарбоната [EC], диэтилкарбоната [DEC], пропиленкарбоната [PC] и фторэтиленкарбоната [FEC]) (7, 19, 20) и простого эфира (например, диглима, димметоксиэтана [DME ] и диметилсульфоксид) (18, 21, 22) растворители разрабатываются с использованием солей KPF ₆ , KClO ₄ или бис (фторсульфонил) имида калия (KFSI).Гуденаф и соавторы сообщили о батарее K metal-K _1,89 Mn [Fe (CN) ₆ ] _0,92 · 0,75H ₂ O с использованием насыщенного KClO ₄ в ПК, содержащем 10 мас.% FEC в качестве электролита, что позволило получить удельная емкость до ∼110 мАч g ⁻¹ при 1 C за 100 циклов (7). На основе 0,8 M KPF ₆ в EC / DEC (1: 1 об. / Об.) В качестве электролита Лей и его коллеги сообщили о K-металле-K _0,22 Fe [Fe (CN) ₆ ] _0,805 . ⋅4.01H ₂ O аккумулятор с удельной емкостью 73.2 мАч г ^-1 при 50 мА г ^-1 , с сохранением емкости ~ 86,5% после 150 циклов (8). Тем не менее, безопасность K-металлических батарей, содержащих высокореактивный K-металл в легковоспламеняющихся органических электролитах, остается низкой, что создает опасность возгорания / взрыва при коротком замыкании или тепловом разгоне.

Электролиты с ионной жидкостью (ИЖ), находящиеся при комнатной температуре, по своей природе негорючие и потенциально могут снизить проблемы с безопасностью аккумуляторной батареи. На данный момент существует только один отчет об электролите IL для полностью заряженной металлической батареи K, содержащий 0.5 М бис (трифторметилсульфонил) имид (KTFSI) и 1-метил-1-пропилпирролидиний TFSI (Py ₁₃ TFSI), демонстрирующие ионную проводимость 2,1 мСм см ^-1 при 25 ° C (23). Он обеспечивает обратимое K-покрытие / снятие изоляции при очень низкой плотности тока 6,4 мкА / см ^-2 и обеспечивает низкую удельную емкость всего 16-38 мАч изб. ^-1 для мета-K K ₂ Ni _{2 -x} Co _x TeO ₆ батарей при скорости 0,05 C (∼6,4 мА г ⁻¹ ).Производительность при циклировании показала сохранение емкости 88% после 100 циклов (23). Ключевой проблемой была низкая ионная проводимость электролитов IL на основе объемных катионов и анионов, таких как Py ₁₃ и TFSI, которые препятствовали проницаемости электрода и скорости. Кроме того, химический состав межфазной границы твердого электролита (SEI) и межфазной поверхности катод-электролит (CEI) не был полностью исследован для батарей K по сравнению с литиевыми и натриевыми батареями. Таким образом, открываются широкие возможности для изучения негорючих электролитов для создания безопасных и современных K-металлических батарей.

Здесь мы представляем ионный жидкий электролит AlCl ₃ /1-этил-3-метилимидазолия хлорида ([EMIm] Cl) с добавлением двух важных добавок, т. Е. Дихлорида этилалюминия (EtAlCl ₂ ). и КФСИ. Электролит показал наивысшую ионную проводимость ~ 13,1 мСм · см ^-1 по сравнению с предыдущими органическими электролитами и электролитами IL, что позволяло осуществлять обратимое нанесение / снятие К-покрытия на Ni в течение ~ 200 циклов. Мы также разработали берлинскую лазурь, легированную кобальтом, на листах из восстановленного оксида графена (rGO) в качестве усовершенствованного катодного материала (K _1.90 Mn _0,92 Co _0,08 [Fe (CN) ₆ ] _0,96 @rGO) для металлических батарей K, обеспечивающих высокую удельную емкость ∼107 мА · ч · г ⁻¹ при 25 мА · г ^{— 1} , а максимальная плотность энергии и мощности 381 Вт · кг ⁻¹ и 1350 Вт · кг ⁻¹ , соответственно. Было обнаружено, что легирование кобальтом улучшает катодную стабильность и диффузию ионов K, а включение rGO улучшает характеристики скорости и цикличности. Металлическая батарея K показала сохранение емкости 89% после 820 циклов с высокой средней кулоновской эффективностью (CE) 99.9%. При повышенных температурах до 60 ° C аккумулятор показал хорошие характеристики при езде на велосипеде с отличной емкостью. Надежные пассивирующие слои на катоде и аноде состояли из компонентов на основе K Al, F и Cl, которые были уникальными и ключевыми для превосходных характеристик циклического режима K-металлических батарей.

Результаты и обсуждение

Буфер KCl AlCl

₃ / [EMIm] Cl Ионная жидкость с EtAlCl ₂ и добавками KFSI.

Хлоралюминатные ИЖ, содержащие AlCl ₃ и ([EMIm] Cl), представляют собой классическую систему ИЖ-электролитов с негорючестью, нелетучестью, низкой вязкостью, высокой проводимостью и высокой термостабильностью (24, 25).ИЖ был использован для разработки перезаряжаемых алюминиево-графитовых батарей (26⇓ – 28) и буферных ионных аккумуляторов натрия (29). Здесь мы смешали AlCl ₃ и [EMIm] Cl в определенном молярном соотношении, например 1,2, чтобы получить кислую ИЖ при комнатной температуре (называемую «1,2 AlCl ₃ / [EMIm] Cl электролит»), а затем буферизация до нейтральности путем добавления избытка KCl (называемого «забуференный 1,2 AlCl ₃ / [EMIm] Cl электролит»). Затем были добавлены две ключевые добавки, то есть EtAlCl ₂ и KFSI, чтобы получить конечный электролит хлоралюмината, забуференный KCl (называемый «забуференный K-Cl-IL») (рис.1 A и см. SI Приложение , Материалы и методы ). Полученный электролит содержал EMIm ⁺ , AlCl ₄ ^— и K ⁺ из-за следующих реакций с исходной 1,2 молярной долей AlCl ₃ : AlCl3 + [EMIm] Cl⇌AlCl4 — + [EMIm ] +, [1] 0,2AlCl3 + 0,2AlCl4-⇌0,2Al2Cl7 -, [2] 0,2Al2Cl7- + 0,2KCl⇌0,4AlCl4- + 0,2K +. [3] AlCl ₄ ^— и Al ₂ Cl ₇ ^— частиц в ИЖ посредством реакций [ 1 — 3] исследовали с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния (рис.1 В ). После буферизации электролита 1,2 AlCl ₃ / [EMIm] Cl до нейтрального с использованием KCl, мы наблюдали превращение Al ₂ Cl ₇ ^— в AlCl ₄ ^— (3) с исчезновением пиков Al ₂ Cl ₇ ^— (309 и 430 см, ⁻¹ ) и упрочнения пика AlCl ₄ ^— (350 см, ⁻¹ ). Добавление 0,5 мас.% EtAlCl ₂ дополнительно усилило пик AlCl ₄ ^— из-за реакции EtAlCl ₂ со следами протонов и нерастворенного KCl, с образованием AlCl ₄ ^— , K ⁺ и C ₂ H ₆ .Последующее добавление 8 мас.% KFSI вызвало незначительное изменение концентрации AlCl ₄ ^—, но привело к появлению пика при 387 см ^-1 , соответствующего колебанию ω-SO ₂ аниона FSI ( 30). Снижение интенсивности пика аниона FSI наблюдалось при снижении концентрации KFSI до 4 мас.% ( SI Приложение , рис. S1). Забуференный K-Cl-IL с 8 мас.% KFSI давал молярные концентрации катиона K ⁺ и аниона FSI ^—, равные 0.96 и 0,48 М соответственно.

Рис. 1.

Свойства буферного электролита K-Cl-IL. ( A ) Схематическое изображение конфигурации батареи, состава электролита и компонента SEI. ( B ) Рамановские спектры ИЖ на основе AlCl ₃ / [EMIm] Cl = 1,2 с различными добавками. ( C ) Ионная проводимость буферного K-Cl-IL, 0,5 M KTFSI в Py ₁₃ TFSI IL и органического электролита, т.е. 0,9 M KPF ₆ в EC: DEC (1: 1 по объему) при 8, 22 и 50 ° C.( D ) Сохранение массы буферного K-Cl-IL и обычных органических электролитов при различных температурах. ( E ) Испытание на воспламеняемость буферного K-Cl-IL и обычных органических электролитов путем контакта с пламенем в двух катодных гильзах (диаметр 2 см).

Мы наблюдали очень высокую ионную проводимость забуференного K-Cl-IL при различных температурах, ~ 13,1 мСм см ^-1 при 22 ° C, что превышает все предыдущие ИЖ и органические электролиты. Например, ионная проводимость ∼1.8 мСм см ⁻¹ в 0,5 M KTFSI в Py ₁₃ TFSI IL и ∼7,8 мСм см ⁻¹ в 0,9 M KPF ₆ в EC: DEC (1: 1 по объему). При повышенной температуре 50 ° C забуференный K-Cl-IL продемонстрировал более высокую ионную проводимость ~ 20,8 мСм · см ^-1 , снова намного превосходя его IL и органические аналоги (рис. 1 C ). Меньший радиус Стокса сольватированных ионов K был ответственен за более высокую ионную проводимость забуференного K-Cl-IL, чем буферного аналога Na-Cl-IL (29, 31).

Термостабильность нашего забуференного электролита K-Cl-IL превосходит обычный органический электролит по данным термогравиметрического анализа (ТГА) без значительной потери веса до температуры ~ 330 ° C (рис. 1 D ). Невоспламеняемость буферного электролита K-Cl-IL была подтверждена контактом электролита с пламенем, в отличие от жесткого горения органического карбонатного электролита (рис. 1 E и Movie S1).

Электрохимические характеристики буферного электролита K-Cl-IL.

Обратимое K-покрытие / снятие покрытия было выполнено в ячейке из фольги K-Ni с использованием буферного электролита K-Cl-IL при плотности тока 0,5 мА · см. SI Приложение , рис. S2). В отсутствие добавки KFSI не наблюдалось образования / отслоения K, что свидетельствует о решающей роли, которую KFSI играет в стабилизации K-анода ( SI Приложение , рис. S2 A ). Обратимое покрытие / снятие К-покрытия за 200 циклов при 0,1 мА см ^-2 достигло максимального CE ∼95.3% ( SI Приложение , рис. S3). Это было время, когда в электролитах на основе хлоралюминатной ИЖ было реализовано обратимое К-покрытие / удаление. Потеря CE в основном связана с образованием пассивирующих частиц (KF, KCl, AlF ₃ , Al ₂ O ₃ и Al), полученных в результате реакций между K-металлом и электролитом IL ( SI Приложение ). , Рис. S4), которые можно дополнительно оптимизировать за счет рациональной оптимизации состава электролита и добавок, обеспечивающих более достаточную пассивацию металла K.Кроме того, можно было бы исследовать искусственный пассивирующий слой, чтобы повысить обратимость процесса K-покрытия / снятия изоляции. В контрольных экспериментах органический электролит давал гораздо более низкие КЭ (60–80%) в течение ~ 135 циклов, за которыми следовало короткое замыкание и быстрое разрушение КЭ, вероятно, из-за недостаточной пассивации металлического К-анода ( SI Приложение , Рис. S3). В симметричной К-К ячейке К-покрытие / снятие изоляции при 0,25 мА · см ^-2 показало хорошо контролируемое перенапряжение в течение 300 ч ( SI Приложение , рис.S5), лучше, чем в предыдущем электролите IL 0,5 M KTFSI в Py ₁₃ TFSI (6,4 мкА · см ^-2 в течение 30 ч) (23).

Мы сконструировали металлические батареи K в буферном электролите K-Cl-IL, соединив металлический анод K с катодом аналога берлинского синего (PBA). C ≡ N-мостиковая открытая каркасная структура PBA содержала широкие каналы, которые позволяли обратимую интеркаляцию / деинтеркаляцию Na ⁺ и K ⁺ (32). Однако ограниченный срок службы (30–150 циклов) (7, 21, 33, 34) был проблемой для катодных материалов на основе ПБА из-за структурных дефектов решеток и недостаточной пассивации межфазных поверхностей электрод / электролит во время циклирования.

Мы синтезировали легированный кобальтом K ₂ MnFe (CN) ₆ аналог берлинской голубой K ₂ Mn _{1 − x} Co _x Fe (CN) ₆ простым методом соосаждения (35 ) (см. Материалы и методы ). Мы сравнили два материала: K _1,91 Mn [Fe (CN) ₆ ] _0,97 и K _1,90 Mn _0,92 Co _0,08 [Fe (CN) ₆ ] _0,96 , характеризующиеся индуктивно атомно-эмиссионная спектроскопия со связанной плазмой (ICP-AES), называемая KMFC и KMCFC соответственно.Содержание воды в KMFC и KMCFC было подтверждено термогравиметрическим анализом (TGA) как 7,4 и 6,0 мас.%, Соответственно ( SI Приложение , рис. S6). Профили рентгеновской дифракции (XRD) KMFC и KMCFC показали одинаковую ромбоэдрическую структуру с пространственной группой R3̅m (36) ( SI Приложение , рис. S7). Вакансии [Fe (CN) ₆ ], занятые координирующей водой, разрушают мостиковую структуру каркаса Mn-CN-Fe, что приводит к искажению решетки, что снижает CE и стабильность циклирования во время интеркаляции / деинтеркаляции ионов щелочных металлов (36, 37).Содержание вакансий [Fe (CN) ₆ ] в наших материалах было намного ниже (3–4%) по сравнению с результатами, полученными с помощью предыдущих методов соосаждения (17%) (38), что свидетельствует о повышенной структурной стабильности приготовленного катода. материалы. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) показала, что частицы KMFC и KMCFC имели размер 0,5–2 мкм ( SI Приложение , рис. S8).

Циклическая вольтамперометрия ячейки K-металл-KMCFC (загрузка ∼3 мг / см ^-2 ) в буферном электролите K-Cl-IL показала два пика восстановления при ∼3.8 В и ∼3,5 В, что соответствует смешанному восстановлению Mn ³⁺ / Mn ²⁺ и Co ³⁺ / Co ²⁺ и восстановлению Fe ³⁺ / Fe ²⁺ соответственно ( Рис.2 A ). Кривые гальваностатического заряда-разряда элемента K-металл-KMCFC показали удельную разрядную емкость ∼ 107 мА · ч · г ^-1 при 25 мА · г ^-1 , что соответствует плотности энергии 381 Вт · ч · кг ^-1 на основе масса KMCFC (рис.2 B и см. SI Приложение , рис.S9 для оптимизации электролита). Без KFSI не наблюдалось разрядной емкости, что указывает на его решающую роль в производительности батареи ( SI, приложение , рис. S10). Катод KMCFC показал повышенную стабильность при циклическом воздействии по сравнению с катодом из KMFC без кобальта (88,3% против 67,6% после 350 циклов, рис. 2 C ). Замена Co ²⁺ на позицию Mn ²⁺ приводит к образованию дырок в валансной зоне для баланса заряда, что приводит к увеличению электронной проводимости (8.3 мкСм см ^-1 против 4,6 мкСм см ^-1 с помощью измерения с помощью четырехточечного зонда). Кроме того, коэффициенты диффузии ионов K KMCFC, измеренные методом гальваностатического прерывистого титрования, были значительно увеличены примерно на один порядок величины при легировании кобальтом ( SI Приложение , рис. S11), что указывает на повышенную скорость диффузии иона K в KMCFC, вносящую вклад к сильно обратимому процессу интеркаляции / деинтеркаляции. Кроме того, меньший радиус Co ³⁺ приводит к усадке элементарной ячейки (35), что может уменьшить объемное сжатие / набухание во время интеркаляции / деинтеркаляции ионов К.Это согласуется с повышенной термической стабильностью материала KMCFC в ТГА ( SI Приложение , рис. S6) из-за более высокой структурной стабильности, придаваемой легированием кобальтом (39). Добавка EtAlCl ₂ также имела решающее значение для циклирования батареи, вероятно, из-за удаления остаточных протонов в электролите IL и ингибирования связанных побочных реакций ( SI Приложение , рис. S12). Быстрое снижение емкости на ~ 60% наблюдалось после 50 циклов без добавления EtAlCl ₂ .

Рис.2.

Характеристики батарей K-металл-KMCFC в буферном электролите K-Cl-IL. ( A ) Кривые циклической вольтамперометрии батареи K-KMCFC с использованием буферного электролита K-Cl-IL. Скорость сканирования 0,1 мВ с ⁻¹ . ( B ) Типичные кривые гальваностатического заряда-разряда батарей K-металл-KMCFC с использованием буферных электролитов K-Cl-IL с 8% -ной добавкой KFSI и без нее. Плотность тока, 25 мА г ⁻¹ . ( C ) Сравнение циклических характеристик металлических батарей K с использованием катодов KMFC и KMCFC при 100 мА g ^-1 .( D ) Скоростная способность батареи K-металл-KMCFC @ rGO с использованием буферного электролита K-Cl-IL при различных плотностях тока от 50 до 400 мА г ^-1 . ( E ) Циклические характеристики батарей K-металл-KMCFC @ rGO с использованием буферного K-Cl-IL и органических электролитов при плотности тока 100 мА г ^-1 . Батареи были задействованы при 50 мА g ^-1 сначала в течение пяти циклов, как показано пунктирным прямоугольником.

Мы также добавили восстановленный оксид графена (rGO) в KMCFC (называемый KMCFC @ rGO) для оптимальных электрохимических характеристик.RGO добавляли и обрабатывали ультразвуком в растворе прекурсора перед соосаждением, создавая проводящую сеть для улучшения переноса заряда и защиты катода. Полученный KMCFC @ rGO показал значительно увеличенную электронную проводимость с 8,3 до 31,5 мкСм · см ^-1 , а полученная батарея показала высокую удельную разрядную емкость ∼63 мА · ч · г ^-1 при 400 мА · г ^-1 ( ∼1,2 мА · см ⁻² ), что соответствует плотности мощности ∼1350 Вт · кг ⁻¹ в расчете на массу KMCFC @ rGO (рис.2 D ). Батарея K-metal-KMCFC @ rGO продемонстрировала отличную стабильность при циклической работе в течение 820 циклов при 100 мА g ⁻¹ , сохранив 89% начальной емкости при впечатляющем среднем значении CE 99,9% (рис. 2 E ). Для сравнения, органический электролит (0,9 M KPF ₆ в EC: DEC = 1: 1 по объему) и электролиты IL на основе Py ₁₃ TFSI привели к значительно более низкой емкости и удерживанию CE (рис.2 E и SI. Приложение , рисунки S13 и S14 и таблица S1).Например, хотя буферный электролит K-Cl-IL показал более низкий показатель CE первого цикла по сравнению с таковым для органического электролита EC / DEC из-за пассивирующего слоя, образовавшегося на границах раздела электрод / электролит, CE быстро увеличился до более чем 95% в течение 4 циклов. с хорошо сохраняющейся разрядной емкостью ( SI Приложение , рис. S15), что указывает на хорошую электрохимическую обратимость, полученную от электролита IL. Напротив, органический электролит EC / DEC показал явно более низкие значения CE (82–88%) с непрерывным снижением емкости в течение первых 5 циклов.Для более высокой загрузки массы активного материала, равной 5,5 мг / см ^-2 , батарея показала удельную емкость 99 мА · ч · г ^-1 при 25 мА · ч ^-1 . Около 87% начальной емкости может быть сохранено с CE ∼99,6% в течение 160 циклов при плотностях тока 50 и 100 мА г ^–1 , соответственно ( SI Приложение , Рис. S16). В суровых условиях с использованием никелевой фольги в качестве анода батарея Ni-фольга-KMCFC @ rGO с буферным электролитом K-Cl-IL показала 85–90% КЭ, несмотря на постоянное снижение емкости из-за ограниченного источника калия ( SI, приложение , рис. .S17).

Электролит K-Cl-IL обеспечивал работу батареи K при температуре значительно выше комнатной. Кривые гальваностатического заряда-разряда батареи K-металл-KMCFC @ rGO при 50 ° C показали более высокую удельную емкость и меньшее перенапряжение из-за улучшенной кинетики интеркаляции / деинтеркаляции K и более высокой ионной проводимости электролита (рис. 3 A ). Впечатляющая производительность была достигнута при плотностях тока до 700 мА · г ⁻¹ (∼2,2 мА · см ⁻² ), обеспечивая более высокую удельную мощность ∼2,240 Вт · кг ⁻¹ при времени заряда / разряда ∼4 мин. (Инжир.3 В ). Батарея K-металл-KMCFC @ rGO показала хорошую стабильность при циклической работе в течение 400 циклов при 100 мА g ^-1 и 50 ° C, сохранив 76% емкости с высоким значением CE ∼99,9% (рис. 3 C ). При температуре 60 ° C, близкой к температуре плавления K-металла (63,5 ° C), батарея все еще проработала 300 циклов с CE ∼99,7%. Невоспламеняемость и высокая термическая стабильность сделали буферный электролит K-Cl-IL многообещающим кандидатом для использования в высокобезопасных K-батареях в широком диапазоне температур.

Рис.3.Характеристики батареи

K металл-KMCFC @ rGO в буферном электролите K-Cl-IL при 50 ° C. ( A ) Кривые гальваностатического заряда-разряда батареи K metal-KMCFC @ rGO, работающей при 22 и 50 ° C. Плотность тока, 100 мА г ⁻¹ . ( B ) Оценить характеристики батареи K metal-KMCFC @ rGO, циклически перерабатываемой при 50 ° C с различной плотностью тока от 50 до 700 мА · г ⁻¹ . ( C ) Циклические характеристики батареи K metal-KMCFC @ rGO при 50 и 60 ° C. Плотность тока, 100 мА г ⁻¹ .

Батарея

K: между фазами твердого электролита и фазой катод-электролит.

Морфология K-анода в буферном электролите K-Cl-IL после циклирования в батарее K-металл-KMCFC @ rGO при 100 мА г ^-1 в течение 240 циклов показала однородный слой осаждения K с типичными размерами частиц в несколько микрометров . Никакой очевидной дендритной структуры при этом условии не наблюдалось ( SI Приложение , Рис. S18 A и B ). Кроме того, осаждение K на подложке Ni не продемонстрировало никаких наблюдаемых дендритных отложений при обоих значениях 0.5 и 1,5 мА см ^-2 , что указывает на относительно бездендритное отложение в буферном электролите K-Cl-IL ( SI, приложение , рис. S19).

Межфазная фаза твердого электролита (SEI) является ключевой для стабилизации межфазной границы между анодом из щелочного металла и электролитом для обеспечения высокой циклической способности аккумуляторов (1, 3, 40). Было обнаружено, что в нашем буферном электролите K-Cl-IL, состоящем из хлоралюмината и FSI, химический состав SEI сильно отличается от такового в обычных электролитных системах.Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) анода после циклирования при 100 мА g ⁻¹ в течение 240 циклов в полностью заряженном состоянии показала ярко выраженный пик F 1s при ∼684,4 эВ на всех глубинах, что указывает на присутствие KF в качестве основного SEI на основе F ( SI Приложение , рис. S20 A ) из-за реакции металла K с анионами FSI. Пик F при ∼686,6 эВ был отнесен к AlF ₃ ( SI, приложение , рис. S20, A ), что согласуется с аппроксимацией пика Al 2p при ∼76,3 эВ ( SI, приложение , рис.S20 B ). Инертный KF и AlF ₃ могут блокировать туннелирование электронов через SEI и предотвращать непрерывное потребление электролита и снижение емкости, как это наблюдается в других щелочных металлических батареях (41). Высокая межфазная энергия между фторидами металлов и K-металлом способствовала параллельному росту K, что подавляло образование дендритов (42). Сосуществование пиков Al ₂ O ₃ и Al было также идентифицировано на пиках Al 2p ∼74,4 и ∼72,7 эВ соответственно из-за реакций металла K, аниона FSI и разновидностей хлоралюмината ( SI Приложение , рис.S20 B ). Два слабых пика S 2p соответствовали K ₂ S _x O _y (K ₂ SO ₄ , K ₂ SO ₃ и K ₂ S ₂ O ₇ ) и K ₂ S, продукты реакции анионов FSI с металлом K (21) ( SI Приложение , рис. S21). Два ярко выраженных пика Cl 2p _1/2 и Cl 2p _3/2 предполагают, что KCl является еще одним основным компонентом SEI на K-аноде ( SI Приложение , рис.S20 C ). В целом комплекс SEI, состоящий из KF, Al ₂ O ₃ , AlF ₃ , Al, KCl, K ₂ S _x O _y и K ₂ S, пассивировал высокоактивный K анод, обеспечивающий обратимый процесс K-покрытия / удаления в буферном электролите K-Cl-IL в диапазоне температур.

Межфазный катод-электролит (CEI) в батарее не менее важен для предотвращения непрерывных реакций катод / электролит и продления срока службы (43, 44).Чистый катод KMCFC @ rGO показал характерные пики Mn, Fe и Co 2p в профилях XPS ( SI, приложение , рис. S22). XPS катода KMCFC @ rGO после цикла 240 циклов показал KF и AlF ₃ из положений пиков F 1s и Al 2p (рис. 4 A и B ), что указывает на реакции хлоралюмината и анионов FSI на катоде батарея езда на велосипеде. Компоненты на основе фтора могут эффективно подавлять паразитные реакции на межфазной границе катод / электролит, как недавно было показано для AlF ₃ в качестве эффективного компонента CEI в K-батареях (11).Комбинация KF и AlF ₃ может также улучшить ионную проводимость гибридного пассивирующего слоя и снизить сопротивление переносу заряда, как обнаружено в гибридном CEI LiF-AlF ₃ (45, 46). Также было выявлено присутствие Al ₂ O ₃ и KCl в CEI (рис. 4 B и C ). Слабые пики S 2p указывают на небольшие количества SO ₄ ^2-, SO ₃ ^2- и S ₂ O ₃ ^2- из-за реакций аниона FSI и ионов металлов в электролите. и катод ( SI Приложение , рис.S23). Для сравнения, катод KMCFC @ rGO, подвергнутый циклическому циклу в обычном органическом электролите EC / DEC, показал значительно более слабый пик KF, что свидетельствует о менее достаточной пассивации CEI на основе F по сравнению с таковой в буферном электролите K-Cl-IL ( SI, приложение , рис. S24 A ). Кроме того, пренебрежимо малые сигналы Al и Cl были исследованы в CEI, полученном из обычного органического электролита ( SI Приложение , рис. S24 B и C ), что указывает на отсутствие гибридного и надежного слоя CEI, который вызвал непрерывное падение емкости катода KMCFC @ rGO в органическом электролите (рис.2 E ).

Рис. 4. Химия

CEI в буферном электролите K-Cl-IL. ( A — C ) Спектры XPS высокого разрешения F 1s ( A ), Al 2p ( B ) и Cl 2p ( C ) катода KMCFC @ rGO после цикла в буферном растворе K -Cl-IL электролит на разной глубине. ( D — F ) Времяпролетный масс-спектрометрический анализ вторичных ионов (ToF-SIMS) для ионов K, AlF ₄ и Cl катода KMCFC @ rGO после циклирования в буферном K-Cl-IL электролит.TC представляет собой общее количество исследуемых ионов. ( D – F , масштабные полосы, 50 мкм.) ( G и H ) STEM-изображения катода KMCFC @ rGO, циклически обработанного в буферном электролите K-Cl-IL. ( G и H , масштабные полосы, 2 и 10 нм, соответственно.) Катод KMCFC @ rGO был взят из батареи K металл-KMCFC @ rGO, циклически меняющейся при 100 мА g ^-1 в течение 240 циклов в буферном K -Cl-IL электролит и остановился в полностью заряженном состоянии перед определением характеристик.

Времяпролетная масс-спектрометрия вторичных ионов (ToF-SIMS) CEI показала сильный сигнал ионов K с общим счетом (TC) 1066k (рис.4 D ). Выраженные ионы F (TC ∼ 787 k) были получены из CEI на основе F (например, KF и AlF ₃ ) и связующего из поливинилиденфторида ( SI Приложение , рис. S25 A ). Очевидный сигнал Al (TC ∼ 182 k) соответствовал видам на основе Al, включая Al ₂ O ₃ и AlF ₃ в CEI ( SI Приложение , рис. S25 B ). Существование AlF ₃ было дополнительно подтверждено обнаруженными ионами AlF ₄ ^— (TC ∼ 162 k, рис.4 E ). Присутствие KCl в CEI было также подтверждено сигналом иона Cl (рис. 4 F ). Наконец, сканирующая просвечивающая электронная микроскопия с коррекцией сферической аберрации (STEM) CEI (см. Материалы и методы для подготовки образцов) выявила нанокристаллы KF и KCl на внешней поверхности катода (рис. 4 G ). Нанокристаллы AlF ₃ и Al ₂ O ₃ также были исследованы в CEI, что позволило создать гибридный и надежный пассивирующий слой для достаточной защиты катода (рис.4 H ). В целом, гибридный CEI, содержащий KF, AlF ₃ , Al ₂ O ₃ , KCl и компоненты на основе S, был сформирован в буферном электролите K-Cl-IL, подавляя паразитные реакции между катодом и электролитом и облегчая высокая обратимость катодной окислительно-восстановительной электрохимии.

Батарея K metal-KMCFC @ rGO, разработанная в этой работе, была уникальна в нескольких аспектах. Во-первых, высокая ионная проводимость при комнатной температуре (13,1 мСм · см ^-1 ) буферного электролита K-Cl-IL решила давнюю проблему для электролитов IL, состоящих из объемных катионов и анионов (например,г., Py ₁₃ и TFSI). Это привело к хорошей производительности и удельной мощности металлических батарей K с использованием электролита IL, достигнув максимальной плотности мощности ∼1,350 Вт · кг ⁻¹ на 2 порядка величины выше, чем у традиционного электролита IL (23) ( SI Приложение , таблица S1).

Во-вторых, частицы хлоралюмината и FSI в буферном электролите K-Cl-IL обеспечивали надежную пассивацию как анода (SEI), так и катода (CEI). Сформированный на месте SEI, содержащий KF, AlF ₃ , Al ₂ O ₃ , KCl, K ₂ S _x O _y и K ₂ S, позволил осуществить обратимые процессы K-нанесения / снятия покрытия , добавляя новое измерение к хлоралюминатным ИЖ.CEI, включающий KF, AlF ₃ , Al ₂ O ₃ , KCl и компоненты на основе S, также был уникальным для надежной пассивации, что привело к созданию одной из лучших металлических батарей K на сегодняшний день ( SI Приложение , Таблица S2). В частности, частицы на основе алюминия (например, Al ₂ O ₃ и AlF ₃ ), образующиеся на месте, важны для высоких характеристик цикличности, в отличие от плохих характеристик цикличности K metal-K _1,90 Mn. _0,92 Co _0.08 [Fe (CN) ₆ ] _0,96 @rGO батарея в нехлоралюминате 1 M KFSI в электролите [EMIm] FSI IL (CE ∼60–90%, SI Приложение , рис. S26), несмотря на то, что его Концентрация анионов FSI более чем в 10 раз выше, чем в буферном электролите K – Cl – IL (∼5,9 M против ∼0,48 M). В 1 M KFSI в электролите [EMIm] FSI IL с помощью ICP-AES после цикла батареи была обнаружена гораздо более высокая концентрация Mn, равная 274,7 ppm, по сравнению с 1,1 ppm в буферном электролите K-Cl-IL, что свидетельствует о серьезной паразитарной реакции и катоде. растворение без эффективной защиты надежного CEI в первом случае.Это также указывает на то, что забуференный K-Cl-IL потенциально может служить недорогим электролитом из-за гораздо более низкого содержания FSI по сравнению с обычными нехлоралюминатными IL.

В-третьих, буферный электролит K-Cl-IL был полностью негорючим по природе (рис. 1 E и Movie S1). Даже при температуре 60 ° C, близкой к температуре плавления металла K, батарея демонстрирует приемлемую устойчивость к циклическим нагрузкам с достигнутым высоким значением CE (∼99,7%) (рис. 3 C ). Это было захватывающим достижением для высокотемпературных батарей из K-металла.

Наконец, катодный материал KMCFC @ rGO имел кобальт, образующий дыры в валансной зоне для баланса заряда, что приводило к повышенной электронной проводимости. Вакансии генерировали также увеличенный коэффициент диффузии ионов К, необходимый для сильно обратимого процесса интеркаляции / деинтеркаляции ( SI Приложение , рис. S11). Замена Co ³⁺ меньшего размера также приводит к усадке полученной элементарной ячейки, подавляя вредные эффекты, вызванные сжатием / набуханием объема во время интеркаляции / деинтеркаляции K-ионов (35), что подтверждается повышенной термостабильностью Материал KMCFC от TGA (40) ( SI Приложение , рис.S6). С другой стороны, включение rGO еще больше способствовало повышению электронной проводимости и катодной защиты, что привело к улучшенным характеристикам скорости и цикличности (47, 48) (рис. 2 D и E ). Эти открытия могут вдохновить на будущие разработки катодных материалов K с улучшенными электрохимическими характеристиками.

Границы | Влияние толщины электрода и электролита на характеристики твердотельной батареи, анализируемое с помощью уравнения для песка

Введение

Батареи

являются одними из наиболее широко используемых электрохимических накопителей энергии благодаря их высокой энергии, позволяющей работать устройствам в течение длительного периода времени (Kim et al., 2015). Литий (Li) -ионная система является преобладающим решением для питания многих приложений, от небольших электронных устройств до электромобилей (Kurzweil and Garche, 2017). Поскольку потребность потребителей в выработке энергии постоянно увеличивается, необходимо разрабатывать и оптимизировать новые аккумуляторные системы в зависимости от требований приложения. В этом контексте металлический литий является идеальным в качестве отрицательного электрода из-за его высокой удельной емкости и низкого рабочего напряжения (Xu et al., 2014). Однако в сочетании с обычным жидким электролитом электроосаждение Li на металлическом Li неравномерно, что приводит к низкой кулоновской эффективности и росту дендритов (Tarascon and Armand, 2001; Wu et al., 2019). Замена жидкого электролита твердым полимерным электролитом (SPE) позволяет создать безопасные батареи с высокой плотностью энергии (Armand, 1994; Agrawal and Pandey, 2008).

С точки зрения конструкции, практическая аккумуляторная батарея из металлического лития должна быть оптимизирована за счет ее состава положительного электрода и общей сборки материала, в частности, для снижения стоимости элементарной ячейки (Gallagher et al., 2014). Цель состоит в том, чтобы создать долговечную батарею с высокими характеристиками для получения увеличенной удельной энергии (Eftekhari, 2017; Schnell et al., 2018; Zeng et al., 2019). Что касается ТФЭ, достаточная ионная проводимость порядка 1 мСм · см ^-1 достигается при 80 ° C для электролита на основе ПЭО (Devaux et al., 2012). PEO обладает достаточно высокими механическими свойствами и гибкостью, чтобы его можно было обрабатывать методами горячего прессования, экструзии или заливки растворителем с образованием тонких пленок размером от 10 до 100 мкм (Baudry et al., 1997; Porcarelli et al., 2016; Schnell et al., 2018; Yang et al., 2019). Цели заключаются в том, чтобы минимизировать толщину SPE для уменьшения омических потерь и увеличить плотность тока, ограниченную диффузией, во время работы от батареи.Кроме того, PEO обладает другими преимуществами, такими как хорошая адгезия, а также электрохимическая и химическая стабильность по отношению к металлическому Li (Armand, 1983). Действительно, ПЭО обычно используется в качестве основного кирпича для ТФЭ, который также будет содержать другие полимеры или добавки для улучшения желаемых свойств — числа переноса, механической прочности, электрохимического окна и т. Д. (Bouchet et al., 2013; Zhang et al., 2017 ). LiFePO ₄ является референсным кандидатом в качестве положительного активного материала благодаря его двухфазной окислительно-восстановительной реакции при примерно 3.43 В по сравнению с Li ⁺ / Li °, что обеспечивает безопасность (Padhi et al., 1997). Наконец, для данного состава электрода плотность энергии напрямую связана с нагрузкой активного материала (Du et al., 2017). Таким образом, для данного активного материала увеличение толщины электрода — самый простой способ достичь более высокой удельной энергии.

Состав электрода важен из-за загрузки активного материала и пористости электрода для достижения наилучших энергетических характеристик при оптимальной толщине электрода (Newman, 1995; Yu et al., 2006, 2013). Zheng et al. сообщили о положительных электродах, изготовленных из LiNi _1/3 Co _1/3 Mn _1/3 O ₂ (NCM) или LiFePO ₄ , и показали, что диффузия ионов Li в электролите в электроде была ограничение процесса разряда (Zheng et al., 2012). Интересно, что они показали, что конкретная скорость C , при которой емкость начинает падать, характерна для общей скорости заряда батареи. Емкость электрода и, следовательно, загрузка активного материала подчиняется закону отрицательной степени с коэффициентом C .Следовательно, как и ожидалось, электроды с низкой нагрузкой обеспечивают более высокую производительность, чем их аналоги с более высокой нагрузкой. К аналогичному выводу в основном пришли Gallagher et al. которые объединили экспериментальный и симуляционный подходы, а также Heubner et al. на толстых электродах NCM (Gallagher et al., 2016; Heubner et al., 2019). Как следствие, процессы ионной диффузии, о которых идет речь в аккумуляторной системе, должны быть полностью охарактеризованы, так как они определяют расхождение напряжения аккумуляторной батареи до полного восстановления емкости, поскольку концентрация литий-ионных ионов достигает нулевой концентрации на катоде.Все другие электрохимические процессы (миграция ионов и электронов, перенос заряда и т. Д.) В основном связаны с «омическими» каплями, которые просто увеличивают поляризацию батареи при увеличении скорости.

Обычно соотношение между разрядной емкостью и скоростью C одинаково для каждой аккумуляторной технологии. При низкой скорости C производительность максимальная и постоянная. При скорости C выше порогового значения емкость быстро падает (Gallagher et al., 2016).Такое поведение ограничивает возможности высокой скорости с точки зрения быстрой зарядки и быстрой разрядки (Doyle and Newman, 1997; Kang and Ceder, 2009). В литературе был разработан ряд эмпирических и полуэмпирических уравнений, основанных на феноменологической растянутой экспоненциальной функции затухания, чтобы соответствовать сигмоидальной форме кривой емкости- C / скорость (Gallagher et al., 2016; Wong et al., 2017; Heubner et al., 2018b; Tian et al., 2019). Физический смысл этих уравнений состоит в том, чтобы рассмотреть зависящий от времени процесс релаксации, описывающий здесь единственное явление диффузии, ограничивающее скорость.Таким образом, эти уравнения используют в качестве основных параметров (i) постоянную времени и (ii) значение эмпирической экспоненты, чтобы растянуть экспоненциальную функцию. Значение показателя неясно, поскольку некоторые исследования устанавливают этот параметр на постоянное значение 2 или позволяют ему лучше соответствовать. Неопределенность в отношении этого эмпирического параметра аналогична той, что возникла с показателем Пойкерта (Doerffel and Sharkh, 2006).

Таким образом, ионная диффузия в электролите и внутри активных материалов, как известно, является основными физическими ограничениями, влияющими на емкость аккумулятора (Jiang and Peng, 2016).Таким образом, сочетая экспериментальный и симуляционный анализ, многие исследования направлены на улучшение мощности и энергии от одиночной ячейки до уровня стека (Yu et al., 2006; Safari and Delacourt, 2011; Singh et al., 2015). Наиболее распространенной теоретической моделью является модель, разработанная Ньюманом и соавторами на основе теории концентрированных растворов (Дойл и др., 1993; Фуллер и др., 1994; Ньюман, 1995; Сринивасан и Ньюман, 2004). Требуется полное описание данной аккумуляторной системы, чтобы соответствовать данным о цикле, которые требуют множества параметров.Некоторые из этих параметров, такие как число переноса, коэффициенты ионной диффузии, термодинамические факторы или извилистость, и многие другие, трудно получить должным образом, поскольку их определение довольно жесткое и однозначное, что может привести к большому приближению. Кроме того, каждый набор параметров должен определяться заново каждый раз, когда производится химическая модификация (добавки, связующие, состав электродов, активные материалы…), что может занять много времени.

На практике быстрое определение разрядной емкости в зависимости от скорости C представляет интерес для серии аккумуляторов, в которых настроены многие параметры, такие как пористость, состав и загрузка активного материала электродов или даже характер токоприемников.Еще в 1994 году был предложен протокол, состоящий из последовательных разрядов, начиная с наивысшей скорости C до самой низкой без промежуточного этапа зарядки (Doyle et al., 1994). Совсем недавно Heubner et al. представили методику, основанную на измерении хроноамперометрии (Heubner et al., 2018a). При запуске от заряженных литий-ионных аккумуляторов вместо приложения постоянного тока в качестве этапа разрядки выполняется этап постоянного напряжения при более низком напряжении отключения аккумулятора. Зарегистрированный кратковременный ток затем преобразуется посредством интегрирования текущего времени в относительную емкость.Этот метод, медленная зарядка плюс хроноамперометрия, занимает около дюжины часов, но имеет некоторые ограничения для полного определения емкости батареи, когда активные материалы претерпевают различные фазовые изменения при зарядке (соответственно при разрядке). Как отмечают авторы, типичным примером такого материала является LiFePO ₄ с двухфазным механизмом.

Здесь, во-первых, для сокращения затратных по времени мер, необходимых для проверки мощности батареи в зависимости от всех параметров, процедура циклирования аналогична процедуре Doyle et al.(Дойл и др., 1994). Посредством этой процедуры быстрой смены циклов соотношение между разрядной емкостью и плотностью тока определяется с хорошей точностью, по крайней мере, в 8 раз быстрее, чем при обычном чередовании циклов гальваностатического заряда-разряда. Затем мы предлагаем две дополнительные методологии для быстрой оценки эффективного коэффициента диффузии рассматриваемого процесса ограничения скорости, что позволяет путем сравнения его с коэффициентом диффузии в электролит или частицы активного материала определить, какой компонент может быть оптимизирован.Эти методологии основаны на ограничении текущего и песочного времени (Sand, 1901; Bard and Faulkner, 2001). Для этого использовались модельные твердотельные батареи из металлического Li, электролита на основе ПЭО, выполняющего роль ТФЭ, и положительного электрода на основе LFP. Сохранение отрицательного электрода в избытке позволяет четко понять взаимосвязь между толщиной положительного электрода и SPE и предоставить общие правила для определения оптимального баланса толщины между SPE и положительным электродом. Цель состоит в том, чтобы обеспечить простую физическую интерпретацию практических кривых характеристик мощности на основе уравнения Сэнда, что позволяет определять эффективные процессы предельной диффузии в реальной системе.

Экспериментальный

Металлическая фольга Li была предоставлена ​​компанией Blue Solutions. Li хранился в перчаточном ящике, заполненном аргоном (Campus, Jacomex), со значениями менее ppm H ₂ O и O ₂ . Твердый полимерный электролит (ТПЭ) представляет собой статистический сополимер, содержащий ПЭО для обеспечения движения ионов и поли (пропиленоксид) для обеспечения гибкости получаемой мембраны и легированный солью бис-трифторметансульфонимида лития (LiTFSI). Концентрация соли Li была добавлена ​​для достижения молярного отношения этиленоксида к соли Li, равного 25.Литиевую соль и металлическую фольгу Li хранят в перчаточном ящике, заполненном аргоном (Campus, Jacomex), при значении ниже промилле H ₂ 0 и O ₂ . Полимер и LiTFSI растворяли в диметилформамиде (ДМФ) путем перемешивания при 350 об / мин и 80 ° C в течение 3 часов во флаконе. Когда раствор стал прозрачным и прозрачным, его вылили на чашку Петри из тефлона и дали высохнуть при температуре окружающей среды ( T ) в течение 8 часов. Затем для удаления растворителя чашку Петри помещали в печь при 60 ° C как минимум на 3 дня.Полученную в результате мембрану SPE снимали с тефлоновой подложки и помещали внутрь перчаточного бокса Ar по крайней мере на неделю перед любыми дальнейшими манипуляциями. Все еще внутри перчаточного ящика SPE были разрезаны на широкие части и несколько из них помещены в горячий пресс. Затем SPE прессовали в течение нескольких минут при 80 ° C и давлении 200 бар, регулируя количество SPE. После прессования и охлаждения из прессованных деталей для ТФЭ были выбиты диски ТПЭ. Это привело к получению диска SPE с толщиной ( y ) 18, 36, 54, 108 и 216 мкм.Положительные электроды с низкой пористостью (<5%) с использованием LiFeO ₄ в качестве активных материалов были специально изготовлены Blue Solutions посредством процесса экструзии. Толщина положительного электрода ( x ) составляла 20, 33, 48 и 60 мкм поверх алюминиевого токосъемника. Емкость электродов пропорциональна их толщине.

Внутри шарового ящика из литиевой фольги был вырублен диск диаметром 14 мм. Затем также был вырезан слой ТФЭ в форме диска диаметром 16 мм.Два материала ламинировали при 80 ° C и 3 барах несколько раз, используя самодельную ламинаторную машину, до тех пор, пока SPE полностью не прикрепился к Li. Толщина электролита проверялась после процесса ламинирования, и никаких изменений не наблюдалось. Из электродной фольги также вырубался диск положительного электрода диаметром 12 мм. Было сделано несколько проходов через ламинатор, чтобы обеспечить адгезию между тремя слоями материала, составляющими литий-полимерную батарею. Аккумуляторные сборки различались по толщине положительного электрода и ТПЭ.Итак, по всему тексту литий-полимерные батареи (LMP) обозначаются LMP ( x — y ) с x и y , соответствующими толщине электрода и SPE соответственно. Для каждой системы LMP ( x — y ) было собрано от 4 до 6 повторов.

После сборки аккумулятор был помещен в монетный элемент из нержавеющей стали CR2032 с использованием прокладок из нержавеющей стали и волновой пружины. Ячейка для монет была запломбирована с помощью обжимной машины внутри перчаточного ящика.В среднем 1,2 полоски прикладываются к аккумуляторному блоку с активной поверхностью S , соответствующей геометрической поверхности положительного электрода. Затем элементы батареи вынули из перчаточного ящика и поместили в держатель для монетоприемников. Ячейки типа «таблетка» помещали в печь (Memmert), поддерживаемую при 80 ° C, и подсоединяли к мультипотенциостату VMP3 (Bio-Logic SAS) с возможностью измерения сопротивления.

Циклическая процедура состоит из серии гальваностатических циклов заряда-разряда между двумя.5 и 3,7 В относительно Li ⁺ / Li °. По всему тексту потенциал аккумулятора E относится к паре Li ⁺ / Li °. Первоначально батареи подвергаются 8 циклам кондиционирования при низкой плотности тока ( Дж ₀ ), идентичной заряду и разряду, так что предоставленная удельная емкость соответствует эффективной емкости LiFePO ₄ , 160 мАч. G ^{— 1} . После этой начальной процедуры выполняется обычное гальваностатическое циклирование для получения характеристики мощности батареи.Он состоит из серии последовательных этапов зарядки и разрядки путем постоянной зарядки с плотностью тока Дж ₀ и увеличения плотности тока разряда Дж _n . Между каждым циклом заряда / разряда используется 30-минутный период отдыха, чтобы ослабить градиенты концентрации. Принимая во внимание периоды отдыха, эта обычная процедура езды на велосипеде требует более чем недельного периода времени. На каждом шаге поверхностная зарядовая емкость ( Q _n ) была рассчитана путем интегрирования плотности тока Дж _n во времени ( t ) во время гальваностатических шагов в соответствии с:

Qn = ∫Jn (t) · dt (1)

Для процедуры быстрого питания после гальваностатических циклов кондиционирования при Дж ₀ , описанных ранее, батареи полностью заряжаются также при Дж ₀ , затем мы накапливаем несколько разрядов, разделенных периодом покоя от 30 минут до расслабьте градиенты концентрации.Мы начинаем с максимальной плотности тока, после чего следует 30 минут релаксации, затем выполняется разряд с немного меньшей плотностью тока и так далее, пока не завершится этап разрядки при Дж ₀ (самая низкая плотность тока). Это делается без зарядки аккумулятора между этапами разрядки. Для ясности, циклическое поведение, эволюция E в зависимости от доли δ Li, вставленного в фазу Li _δ FePO ₄ , с 0 <δ <1, для репрезентативного LMP (48-18) батарея представлена ​​на дополнительном рисунке 1.Эта быстрая процедура включения питания занимает около 1 дня для полного завершения от этапа зарядки до заключительной разрядки, что по крайней мере в восемь раз короче, чем обычная процедура цикла. Основное предположение этой процедуры циклирования состоит в том, что при запуске от полностью заряженной батареи разрядная емкость при заданной плотности тока Дж _n является суммой разрядных емкостей, полученных при более высоких плотностях тока, Дж > Дж. _n , плюс полученный при применении J _n .Другими словами, Q _n ( J _n ) вычисляется на основе следующего уравнения:

Qn = ∑N≥n [JN.ΔtN] (2)

с Δ t _N время, необходимое для разряда батареи при постоянной плотности тока J _N .

Для обеих процедур циклирования емкости, рассчитанные для каждых Дж _n копий батареи, лежат в пределах типичного отклонения ниже 1%, что показывает очень хорошую воспроизводимость наших элементов.Это обязательное условие для дальнейшего анализа данных.

Наконец, чтобы получить независимую оценку транспортных свойств нашего электролита, была проведена спектроскопия электрохимического импеданса на Li-симметричной ячейке, содержащей SPE (Bouchet et al., 2003). Этот метод позволяет определять различные сопротивления элементов, такие как сопротивление электроники ( R _c ), электролита ( R _el ), интерфейса ( R _int ) и диффузионного ( R _d ) сопротивления.Li-симметричные элементы были собраны с помощью процесса ламинирования, аналогичного описанному для аккумуляторов LMP, и запечатаны в плоских элементах CR2032. После помещения клеток в печь при 80 ° C была проведена импедансная спектроскопия с использованием сигнала возбуждения 40 мВ в диапазоне частот от 10 МГц до 0,1 Гц. Типичный график Найквиста, показывающий противоположность мнимой части импеданса [-Im ( Z )] как функцию действительной части [Re ( Z )], представлен на дополнительном рисунке 2. Электрическая эквивалентная схема отображается на вставка дополнительного рисунка 2, содержащая сопротивления элементов ( R _c , R _el , R _int ), индуктивность кабеля ( L _c ) на высокой частоте, a элемент постоянной фазы для интерфейса ( CPE _int ) и короткий элемент Варбурга ( W _d ) для диффузионной петли на низких частотах, позволяет моделировать график Найквиста.Из элемента Варбурга извлекаются два основных параметра, соответствующих R _d и времени релаксации (τ _r ) в максимуме четверти лемнискаты. R _d и R _el связаны с числом катионного переноса ( t ⁺ ), а τ _r связано с коэффициентом амбиполярной диффузии ( D _amb ) и SPE толщиной и по следующим уравнениям (Соренсен и Якобсен, 1982; Росс Макдональд, 1992; Буше и др., 2003):

t + = RelRel + Rd (3) τr = 2.54 · (y2) 2Damb (4)

Кроме того, D _amb связано с коэффициентом диффузии Li ⁺ (DLi +) соотношением.

DLi + = Damb2. (1-t +) (5)

Результаты и обсуждение

Циклическое поведение типичной батареи LMP (48-18) показано на Рисунке 1, который представляет E как функцию доли? Li, введенного в фазу Li _? FePO ₄ , с 0 Дж ₀ = 0,1 мА · см ^-2 , представлен на Рисунке 1, и указаны некоторые значения плотности тока разряда. Заряд батареи представляет собой типичное длинное плато примерно при 3,44 В, соответствующее окислению материалов LFP (Padhi et al., 1997), за которым следует ступень потенциостатики при 3,7 В для достижения полной емкости электрода. Во время разряда наблюдается более низкое плато потенциала около 3,40 В, соответствующее уменьшению LFP.Это плато менее выражено для шагов разряда, выполняемых при J _n выше 0,3 мА · см ^-2 из-за увеличения градиента концентрации батареи. Более того, эти наблюдения за обычным циклическим поведением типичной батареи LMP (48-18) остаются в силе для всех других рассматриваемых батарей LMP ( x — y ) и связанных с ними копий.

Рисунок 1 . Типичные циклические профили, потенциал E как функция доли δ Li, введенного в Li _δ FePO ₄ , при обычном испытании мощности для батареи LMP (48-18).Пунктирная синяя кривая — шаг заряда.

Для обычного цикла (см. Рисунок 1) и быстрого испытания мощности (см. Дополнительный рисунок 1) разрядные емкости были получены с помощью уравнений (1) и (2), соответственно. Затем каждое значение Q _n было нормализовано разрядной емкостью, полученной при Дж ₀ , обозначенной Q ₀ . Таким образом, на рисунке 2 представлена ​​нормализованная разрядная емкость, отношение Q _n / Q ₀ , как функция плотностей разрядного тока, Дж _n , для двух циклических процедур LMP ( 48-18) батарейки.Значения, представленные на Рисунке 2, соответствуют средним значениям с их стандартными отклонениями от различных копий батареи. Для обеих процедур и для низких значений J _n , ниже 0,3 мА · см ^-2 , Q _n остается близким к Q ₀ на 3%. Для обеих процедур и для высоких значений Дж _n , выше 0,3 мА · см ⁻² , отношение Q _n / Q ₀ быстро падает линейно с увеличением Дж _n до значений ниже 0.2 при Дж _n > 1 мА · см ⁻² . Как и в случае литий-ионных аккумуляторов (Gallagher et al., 2014), зависимость между разрядной емкостью и плотностью тока полностью твердотельных литиевых аккумуляторов представляет собой переходный режим при критическом значении плотности тока. Кроме того, точка данных, зарегистрированная при наивысшем значении J _n , при 2,8 мА · см ⁻² , отклоняется от линейного тренда Q _n / Q ₀ с J _n , когда J _n > 0.3 мА · см ⁻² из-за эффекта суперконденсатора, возникающего из-за высокоповерхностных углеродных наполнителей и покрытия частиц LFP. Такой емкостный эффект наблюдается только для самых высоких плотностей тока батарей LMP ( x — y ) и не принимается во внимание при анализе данных, приведенном в оставшейся части текста. Эволюция нормированной разрядной емкости с плотностями тока отлично согласуется с обычным циклированием и быстрым тестом мощности.Действительно, различия в значениях Q _n / Q ₀ обычно лежат в пределах границ погрешностей, когда J _d > 0,3 мА · см ⁻² . Кроме того, соответствие между двумя процедурами также наблюдается для каждой исследованной батареи LMP ( x — y ). Таким образом, экспресс-тест мощности является надежным инструментом, позволяющим быстро и точно отобразить характеристики батареи с высокой точностью по сравнению с традиционной процедурой включения велосипеда.В литературе можно найти и другие интересные циклы, но они будут менее точными в отношении активных материалов с положительным фазовым переходом, таких как LFP (Heubner et al., 2018a).

Рисунок 2 . Средняя нормализованная емкость, отношение Q _n / Q ₀ , батареи LMP (48-18) как функция плотности тока разряда, Дж _n , для двух циклических процедур. Символы соответствуют (♢) стандартному циклическому тесту и (⃝) быстрому тесту мощности.

Чтобы понять влияние толщины электродов на мощность батареи, на рисунке 3A представлена ​​средняя нормализованная разрядная емкость как функция Дж _n для батарей LMP ( x -18) со значениями x , равными 20, 33 , 48 и 60 мкм, в то время как толщина SPE поддерживается на уровне 18 мкм. Для каждой батареи LMP ( x — y ), представленной на рисунке 3A, эволюция Q _n / Q ₀ с J _d аналогична той, которая уже подробно описана на рисунке 2 .Основное различие между каждой батареей заключается в расположении переходного режима между режимом плотности тока, где Q _n остается близким к Q ₀ , и режимом, в котором Q _n / Q ₀ уменьшается на J _d . Как видно из рисунка 3A, самый тонкий положительный электрод, более поздний Q _n будет сильно отклоняться от Q ₀ . Аналогичный вывод можно сделать для всех других LMP ( x — y ) батарей, в которых x является постоянным, а x составляет 20, 33, 48 или 60 мкм.Для полноты картины на дополнительном рисунке 3 показано соотношение Q _n / Q ₀ как функция от J _n для LMP ( x -36) и LMP ( x -54 ) батареи. Влияние толщины положительного электрода на мощность в этом случае аналогично тому, о котором сообщалось для литий-ионных аккумуляторов, содержащих жидкий электролит (Cornut et al., 2015; Heubner et al., 2018b). В качестве дополнительного случая на рисунке 3B показана средняя нормализованная разрядная емкость как функция Дж, _n для батарей LMP (33- y ) со значениями y 18, 36 и 54 мкм, в то время как положительные значения толщина электрода постоянна и составляет 33 мкм.Для заданной толщины положительного электрода переходный режим происходит при более низкой плотности тока при увеличении толщины ТПЭ. Это наблюдение остается в силе для всех других батарей LMP ( x — y ), в которых x является постоянным, а y составляет 18, 36, 54, 108 и 216 мкм. Для полноты картины на дополнительном рисунке 4 показано отношение Q _n / Q ₀ как функция от J _n для LMP (20- y ), LMP (48- y ) и LMP (60- y ).Из рисунков 3A, B видно, что характеристики мощности твердотельных литиевых батарей зависят как от толщины положительного электрода, так и от толщины SPE. Интересно, что в большинстве исследований стандартных литий-ионных аккумуляторов варьировалась только толщина электродов, что не отражалось на влиянии толщины электролита. Точное понимание разделения этих двух параметров на характеристики батареи представляет первый интерес для представления оптимизированной сборки батареи.

Рисунок 3 . Средняя нормализованная емкость, отношение Q _n / Q ₀ , как функция плотностей тока разряда Дж _n . (A) LMP ( x -18) батареи с толщиной положительного электрода x (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм; и батареи (B), LMP (33- y ) с толщиной SPE y из (⃝) 18, (□) 36 и (△) 54 мкм.

С каждого Q _n / Q ₀ и . На графиках J _n мы определяем плотность тока, соответствующую переходному режиму, как плотность тока, при которой Q _n / Q ₀ = 1 базовая линия (низкий режим J _n ) пересекает линейную интерполяцию Q _n / Q ₀ vs.J _n (высокий J _{n режим} ). Это падение емкости связано с ограничением диффузии ионов лития, поэтому плотность тока, соответствующая этой точке данных, называется током ограничения диффузии и обозначается J _lim . Для ясности графическое определение J _lim показано на дополнительном рисунке 5 для батарей LMP (20-18). Чтобы лучше понять J _lim , мы предлагаем методологию, основанную на уравнении Сэнда для метода контролируемого тока (Sand, 1901; Rosso et al., 2006). По определению, для плотности тока выше Дж _lim время Sand (τ _с ) соответствует времени перехода, при котором поток ионных частиц недостаточно велик для удовлетворения приложенного тока. Уравнение Сэнда (Brissot et al., 1999) теоретически определяется следующим образом:

τs = π.Damb. (n.F.CLi2. (1-t +). Jn) 2 (6)

с n числом обмениваемых электронов ( n = 1 для LFP), F постоянной Фарадея (9,648 10 ⁴ C.моль ⁻¹ ), C _Li концентрация Li в ТФЭ (Devaux et al., 2012), расположенном в электролите и в положительном электроде (882 моль.м ⁻³ для обоих), t ⁺ число катионного переноса и D _amb коэффициент амбиполярной диффузии. Использование этого уравнения является приближением, поскольку граничные условия плоского электрода не полностью соблюдаются на катодной стороне.

Для Дж _n ≥ Дж _lim , τ _с можно оценить как эквивалент времени разряда.Другими словами, τ _с при определенной плотности тока определяется как:

τs (Jn) = QnJn, когда Jn≥Jlim (7)

D _amb и t ⁺ соли Li в ПЭО можно измерить или рассчитать с использованием многих методов, таких как электрохимические методологии, основанные на поляризации (Shi and Vincent, 1993; Geiculescu et al., 2006) или релаксация (Mullin et al., 2011), импедансная спектроскопия (Bouchet et al., 2003), ЯМР в импульсном поле (Hayamizu et al., 1999) или молекулярно-динамическое моделирование (Diddens et al., 2010) и многие другие. Изучив литературные данные и сосредоточив внимание на высокомолекулярном электролите на основе ПЭО, при 80 ° C, D _amb находится в диапазоне 5 10 ^-8 см ² .s ^-1 и t ⁺ около 0,15. Кроме того, была проведена импедансная спектроскопия на Li-симметричных ячейках, имеющих толщину SPE 18, 36 и 54 мкм. Электрическая эквивалентная схема (см. Вставку на дополнительном рисунке 2) использовалась для подбора всех спектров импеданса, чтобы извлечь значения t ⁺ и D _amb .DLi +, рассчитанный с использованием уравнения (5), и t ⁺ не зависят от толщины SPE со средним значением, согласующимся с литературным анализом, равным 3,4 ± 0,7 10 ⁻⁸ см ² .s ⁻¹ и 0,15 ± 0,02 соответственно.

График τ _s как функции Jn-2 показывает линейное поведение для точек данных, для которых выполняется условие J _n ≥ J _lim , что подтверждает поведение песка.В качестве примера на дополнительном рисунке 6 показана зависимость τ _s от Jn-2 для батареи LMP (48-18), включая линию линейной регрессии. Тогда наклон линии регрессии прямо пропорционален D _amb и, следовательно, DLi +. Учитывая t ⁺ 0,15, как определено спектроскопией импеданса, DLi + был рассчитан для каждой батареи LMP ( x — y ). DLi + не зависит от положительного электрода и толщины SPE со средним значением 3.1 ± 0,6 10 ⁻⁸ см ² .s ⁻¹ . Таким образом, коэффициент диффузии Li ⁺ , определяемый уравнением Сэнда при применении к данным о циклической работе батареи, довольно похож на коэффициент диффузии Li ⁺ в SPE. Следовательно, явление ограничения мощности в этих полностью твердотельных батареях представляет собой диффузию катиона Li ⁺ в электролите, охватывающую от отрицательного электрода Li до токосъемника Al положительного электрода, а не диффузию Li ^{. +} в активном материале LFP (Doyle and Newman, 1995).Таким образом, использование уравнения песка является эффективным инструментом для быстрого определения эффективного ограничивающего процесса диффузии в батареях, когда J > J _lim , то есть со скоростью, при которой восстанавливается только часть полной емкости.

Чтобы пойти дальше и сравнить все батареи LMP ( x — y ) вместе, J _lim было извлечено из каждого Q _n / Q ₀ vs.J _n участков. На рисунке 4 представлена ​​средняя нормализованная емкость как функция отношения Дж _lim / J _n для LMP (20-18), LMP (33-36), LMP (48-216) и Батарейки LMP (60-54). Все экспериментальные кривые нормализованной емкости батарей LMP ( x — y ) перекрываются простой кривой, которая демонстрирует, что рассматриваемое здесь ограничивающее явление одинаково независимо от толщины электрода и электролита и связано с диффузией в полимерный электролит.В литературе обычно получают простую кривую, когда нормализованная емкость представлена ​​как функция от скорости C или ее обратной величины. Затем простая кривая аппроксимируется экспоненциальной функцией затухания, растянутой на эмпирическое значение, обычно равное 2, и корректируется с использованием параметра времени релаксации (Heubner et al., 2018b; Tian et al., 2019). В нашем случае полуэмпирическая функция не используется, поскольку единственный параметр соответствует физическому параметру J _lim , определяемому графически.Следующий шаг — предоставить простую модель, чтобы лучше понять разделение J _lim из-за диффузии в электролит и / или в электролит, проникающий в положительный электрод.

Рисунок 4 . Средняя нормализованная емкость, отношение Q _n / Q ₀ , как функция Дж _lim / Дж _n для (⃝) LMP (20-18), (□ ) LMP (33–36), (∇) LMP (48-36) и (△) LMP (60-54) батареи.

На рис. 5 представлено среднее значение Дж _lim для различных батарей LMP ( x — y ) в зависимости от толщины положительного электрода x . Для данной толщины положительного электрода J _lim увеличивается с уменьшением толщины SPE. Значения J _lim находятся в пределах значений, полученных для положительного электрода толщиной 20 мкм между 0,06 и 0,48 мА · см ^-2 , когда y равно 216 и 18 мкм, соответственно.Когда y = 18 мкм, J _lim линейно уменьшается с x . Для более высокого значения y наклон J _lim распада с x менее выражен, поскольку y увеличивается до значения плато для наивысших заявленных толщин SPE 216 мкм. Таким образом, наилучшие энергетические характеристики ожидаются от батареи, содержащей тонкий положительный электрод и тонкий слой SPE. Однако, глядя на взаимодействие между значениями x и y , можно собрать батарею с более высокой удельной энергией без значительного ухудшения энергетических характеристик.Действительно, J _lim является индикатором начала снижения емкости аккумулятора от номинала, т.е. Q ₀ . На рисунке 5 батарея LMP (60-18) показывает значение J _lim выше, чем у батареи LMP (20-36). Это означает, что J _lim слабо зависит от толщины положительного электрода и сильно зависит от толщины SPE. Следовательно, для батарей LMP ( x — y ) удельную объемную плотность энергии на одну ячейку можно увеличить, просто выбрав наилучший компромисс между толщиной положительного электрода и толщиной SPE.

Рисунок 5 . Средний предельный ток, Дж _lim , как функция толщины положительного электрода, x . Пунктирные линии представляют собой ориентиры для глаз в зависимости от толщины SPE, и . Символы соответствуют толщине и SPE из () 18, (□) 36, (△) 54, (♢) 108 и (∇) 216 мкм. Цвета символов соответствуют толщине положительного электрода x : (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм.

Слабую зависимость J _lim относительно x можно понять, если учесть, что эффективная поверхность, обеспечивающая диффузионный поток Li ⁺ на границе раздела композитный электрод / электролит, ниже, чем геометрическая поверхность электрода. из-за наличия активного материала и частиц углерода в композитном электроде. Таким образом, плотность тока, соответствующая потоку Li ⁺ в СПЭ, расположенном внутри электрода, выше, чем в электролите.Кроме того, диффузионная длина Li ⁺ зависит от извилистости электрода. Эти эффекты можно описать, введя параметр α с 0 <α ≤ 1, в котором полный путь диффузии Li ⁺ соответствует α. х + у . Можно ожидать, что диффузионный путь в композитном электроде должен быть больше толщины электрода из-за его извилистости. Однако здесь мы измеряем эффективное значение, и похоже, что диффузия в электролите, расположенном в электроде, кажется выше, чем диффузия неочищенного электролита, вероятно, из-за содержания влаги.Это приводит к значению α ниже единицы. На Рисунке 6 J _lim показана как функция от α. х + у . Установив α на значение 0,35, все данные J _lim свернутся на эталонную кривую, которая аппроксимируется с использованием обратной функции, показанной пунктирной кривой на рисунке 6, которая дает следующее уравнение:

Jlim = K (α · x + y) (8)

с K = 13,2 мА · см ⁻¹ на основе аппроксимации методом наименьших квадратов ( R ² > 0.99).

Рисунок 6 . Предельная плотность тока Дж _lim как функция от α. х + у . Пунктирная кривая соответствует аппроксимации, полученной с использованием обратной функции. Символы соответствуют толщине и SPE из () 18, (□) 36, (△) 54, (♢) 108 и (∇) 216 мкм. Цвета символов соответствуют толщине положительного электрода x : (оранжевый) 20, (синий) 33, (зеленый) 48 и (розовый) 60 мкм.

Чтобы обеспечить физический смысл параметра K в уравнении (8), LMP ( x — y ) можно смоделировать с помощью одномерного подхода, который широко применялся группой Doyle et al.(1993). Таким образом, можно просто применить закон Фика в 1-D, в котором ток диффузии пропорционален градиенту концентрации Li ⁺ , толщине процесса диффузии и коэффициенту диффузии ограничивающих явлений. Согласно результатам, полученным на рисунке 6, J _lim является обратной функцией суммы α. x + y и соответствует, таким образом, значению тока, при котором градиент концентрации Li по всей батарее падает до нулевого значения на алюминиевом токосъемнике / положительном электроде. J _lim затем можно выразить как функцию эффективного коэффициента диффузии Li ⁺ (DLieff) в соответствии с:

Jlim = n · F · DLieff · (CLiα · x + y) (9)

Объединение уравнения (9) в (8) позволяет непосредственно вычислить соответствующее значение DLieff, равное 1,6 10 ⁻⁸ см ² .s ⁻¹ на основе параметра K . Тогда эффективный коэффициент диффузии находится в том же диапазоне, что и коэффициент диффузии Li ⁺ , определенный с помощью методологии Sand time.Следовательно, эффективный коэффициент диффузии DLieff соответствует эффективному коэффициенту диффузии DLi + Li ⁺ в SPE от положительного электрода к слою электролита. Методология J _lim менее точна, чем методология Sand time, но ее гораздо быстрее реализовать, чтобы быстро определить ограничивающие явления диффузии в батареях. Кроме того, параметр α представляет интерес, поскольку он зависит от состава и извилистости электрода, а также от ионного транспорта внутри SPE, используемого в положительном электроде.Вариабельность этих параметров в зависимости от состава электрода является инструментом для оптимизации состава и текстуры электрода, но выходит за рамки нашего исследования.

Заключение

Сигнатура заряда батареи быстро определяется с помощью экспресс-теста мощности. Этот метод заключается в применении последовательного шага гальваностатического разряда от высокой до низкой плотности тока. Результаты, полученные этим методом, идентичны результатам, полученным при обычном гальваностатическом циклировании, т.е.е., последовательность этапов заряда-разряда. При плотности тока выше, чем предельная плотность тока ( J _lim ), применение уравнения Сэнда для метода контролируемого тока доказало свою эффективность при определении коэффициента диффузии ограничивающего процесса. Здесь, в литий-полимерных батареях, диффузия Li ⁺ в твердом полимерном электролите, действующем как разделитель батареи и связующее вещество положительного электрода, ограничивает характеристики батареи. Помимо быстрого определения J _lim , предоставляется физический смысл этого параметра. J _lim напрямую связано с эффективным коэффициентом диффузии Li ⁺ по всей батарее, который аналогичен коэффициенту, определяемому уравнением Сэнда. Следовательно, быстрое испытание мощности является эффективным методом для сравнения серий батарей, которые различаются по своей сборке, и для определения основного ограничивающего фактора и, таким образом, оптимизации, в свою очередь, сборки батарей. Конструкция батареи должна учитывать совокупный эффект как от толщины слоя SPE, так и от толщины положительного электрода.Например, в наших батареях LMP для электролита толщиной 54 мкм можно использовать положительный электрод до 48 мкм без ухудшения характеристик мощности батареи. Для полноты картины следует также учитывать другие факторы, помимо характеристик мощности, особенно в случае батареи на основе Li-металла с влиянием гетерогенного электроосаждения Li на этапе зарядки. Чтобы пойти дальше, эту методологию следует применить к литий-полимерным батареям, имеющим различную формулу положительного электрода, а также к другим технологиям аккумуляторов.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительные материалы.

Авторские взносы

RB, DD, MD и ML разработали проектное исследование. МД и МЛ изготовили композитные электроды. DD, PD и HL проводили эксперименты. RB, DD и HL проанализировали данные. РБ и Д.Д. написали рукопись. Все авторы прокомментировали рукопись.

Финансирование

Работа выполнена в рамках французского фонда FUI20 (Fond Unique Interministériel) в рамках совместного проекта ALEPH.

Конфликт интересов

MD и ML работают в компании Blue Solutions.

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

Благодарности

Мы благодарим BPI (Banque Publique d’Investissement) и компанию Blue Solutions за их финансовую поддержку.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/article/10.3389/fenrg.2019.00168/full#supplementary-material

Список литературы

Агравал, Р. К., и Пандей, Г. П. (2008). Твердые полимерные электролиты: разработка материалов и применение твердотельных аккумуляторов: обзор. J. Phys. D Прил. Phys. 41: 223001. DOI: 10.1088 / 0022-3727 / 41/22/223001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Арманд, М. (1983). Полимерные твердые электролиты — обзор. Ионика твердого тела 9–10, 745–754.DOI: 10.1016 / 0167-2738 (83) _-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бард А. Дж. И Фолкнер Л. Р. (2001). Основы и приложения электрохимических методов, 2-е изд. . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: John Wiley Sons, Inc.

Google Scholar

Baudry, P., Lascaud, S., Majastre, H., and Bloch, D. (1997). Разработка литий-полимерных аккумуляторов для электромобилей. J. Power Sour. 68, 432–435. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (97) 02646-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Буше, Р., Ласко, С., и Россо, М. (2003). Исследование EIS анода Li / PEO-LiTFSI литий-полимерной батареи. J. Electrochem. Soc. 150, A1385 – A1389. DOI: 10,1149 / 1,1609997

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bouchet, R., Maria, S., Meziane, R., Aboulaich, A., Lienafa, L., Bonnet, J.-P., et al. (2013). Одноионные триблок-сополимеры БАБ как высокоэффективные электролиты для литий-металлических аккумуляторов. Нат. Матер. 12, 452–457. DOI: 10.1038 / nmat3602

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бриссо, К., Россо, М., Чазалвьель, Ж.-Н., и Ласко, С. (1999). Механизмы дендритного роста в литиево-полимерных клетках. J. Power Sour. 81–82, 925–929. DOI: 10.1016 / S0378-7753 (98) 00242-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Корнут Р., Лепаж Д. и Шугаард С. Б. (2015). Интерпретация кривых разряда литиевых батарей для легкого определения источника ограничений производительности. Электрохим. Acta 162, 271–274. DOI: 10.1016 / j.electacta.2014.11.035

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дево Д., Буше Р., Гле Д. и Денойель Р. (2012). Механизм ионного транспорта в комплексах ПЭО / LiTFSI: влияние температуры, молекулярной массы и концевых групп. Ионика твердого тела 227, 119–127. DOI: 10.1016 / j.ssi.2012.09.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дидденс, Д., Хойер, А., Бородин, О. (2010). Понимание транспорта лития в рамках модели Роуза для полимерного электролита PEO / LiTFSI. Макромолекулы 43, 2028–2036. DOI: 10.1021 / ma_3h

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Doerffel, D., и Sharkh, S.A. (2006). Критический обзор использования уравнения Пейкерта для определения остаточной емкости свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторов. J. Power Sour. 155, 395–400. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2005.04.030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дойл М., Фуллер Т. и Ньюман Дж. (1993). Моделирование гальваностатического заряда и разряда литиево-полимерного / вставочного элемента. J. Electrochem. Soc. 6, 1526–1533. DOI: 10.1149 / 1.2221597

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дойл М. и Ньюман Дж. (1995). Использование математического моделирования при проектировании литий-полимерных аккумуляторных систем. Электрохим. Acta 40, 2191–2196. DOI: 10.1016 / 0013-4686 (95) 00162-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дойл М. и Ньюман Дж. (1997). Анализ данных о емкости литиевых батарей с использованием упрощенных моделей процесса разряда. J. Appl. Электрохим. 27, 846–856. DOI: 10.1023 / A: 1018481030499

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дойл М., Ньюман Дж. И Реймерс Дж. (1994). Быстрый метод измерения емкости в зависимости от скорости разряда для двойной литий-ионной аккумуляторной батареи, подвергающейся циклическому воздействию. J. Источники энергии 52, 211–216. DOI: 10.1016 / 0378-7753 (94) 02012-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Du, Z., Wood, D. L., Daniel, C., Kalnaus, S., и Ли, Дж. (2017). Понимание ограничивающих факторов производительности толстых электродов применительно к литий-ионным батареям с высокой плотностью энергии. J. Appl. Электрохим. 47, 405–415. DOI: 10.1007 / s10800-017-1047-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эфтехари, А. (2017). Литий-ионные аккумуляторы с высокой емкостью. ACS Sustain. Chem. Англ. 5, 2799–2816. DOI: 10.1021 / acssuschemeng.7b00046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фуллер, Т.Ф., Дойл М. и Ньюман Дж. (1994). Моделирование и оптимизация двойной ионно-литиевой ячейки. J. Electrochem. Soc. 141, 1–10. DOI: 10.1149 / 1.2054684

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галлахер, К. Г., Гебель, С., Греслер, Т., Матиас, М., Элерих, В., Эроглу, Д., и др. (2014). Количественная оценка перспективности литий-воздушных аккумуляторов для электромобилей. Energy Environ. Sci. 7, 1555–1563. DOI: 10.1039 / c3ee43870h

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галлахер, К.Г., Траск, С. Е., Бауэр, К., Вёрле, Т., Люкс, С. Ф., Чеч, М., и др. (2016). Оптимизация емкости за счет понимания ограничений литий-ионных электродов. J. Electrochem. Soc. 163, A138 – A149. DOI: 10.1149 / 2.0321602jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гейкулеску, О. Е., Раджагопал, Р., Крегер, С. Е., Де Марто, Д. Д., Чжан, X. W., и Федкив, П. (2006). Транспортные свойства твердых полимерных электролитов, полученных из олигомерных фторсульфонимидных солей лития, растворенных в высокомолекулярном полиэтиленоксиде. J. Phys. Chem. B 110, 23130–23135. DOI: 10.1021 / jp062648p

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хаямизу, К., Айхара, Ю., Араи, С., и Мартинес, К. Г. (1999). Импульсно-градиентное спин-эхо 1H, 7Li и 19F ЯМР-диффузия и измерения ионной проводимости 14 органических электролитов, содержащих LiN (SO ₂ CF ₃ ) ₂ . J. Phys. Chem. B 103, 519–524. DOI: 10.1021 / jp9825664

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хойбнер, К., Леммель, К., Николь, А., Либманн, Т., Шнайдер, М., и Михаэлис, А. (2018a). Сравнение хроноамперометрического отклика и скоростных характеристик пористых вводимых электродов: к тесту на ускоренную скорость. J. Power Sour. 397, 11–15. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.06.087

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Heubner, C., Nickol, A., Seeba, J., Reuber, S., Junker, N., Wolter, M., et al. (2019). Понимание влияния толщины и пористости на электрохимические характеристики LiNi _0.6 Co _0,2 Mn _0,2 O _{2 катода на основе} для литий-ионных аккумуляторов высокой энергии. J. Power Sour. 419, 119–126. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2019.02.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Heubner, C., Seeba, J., Liebmann, T., Nickol, A., Börner, S., Fritsch, M., et al. (2018b). Концепция полуэмпирической эталонной кривой, описывающей быстродействие вставных литиевых электродов. J. Источники энергии 380, 83–91. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.01.077

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзян Ф. и Пэн П. (2016). Выявление ограничений производительности литий-ионных аккумуляторов из-за видов и переноса заряда с помощью пяти характерных параметров. Sci. Rep. 6: 32639. DOI: 10.1038 / srep32639

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж. Г., Сон, Б., Мукерджи, С., Шупперт, Н., Бейтс, А., Квон, О. и др. (2015). Обзор твердотельных батарей на литиевой и нелитиевой основе. J. Power Sour. 282, 299–322. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.02.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Курцвейл П. и Гарче Дж. (2017). «Обзор аккумуляторов для автомобилей будущего», в Свинцово-кислотные аккумуляторы для автомобилей будущего , ред. Дж. Гарче, Э. Карден, П. Т. Мозли и Д. А. Дж. Рэнд (Амстердам: Elsevier BV), 27–96. DOI: 10.1016 / B978-0-444-63700-0.00002-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Муллин, С.А., Стоун, Г. М., Пандай, А., Балсара, Н. П. (2011). Коэффициенты диффузии солей в блок-сополимерных электролитах. J. Electrochem. Soc. 158, A619 – A627. DOI: 10.1149 / 1.3563802

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ньюман Дж. (1995). Оптимизация пористости и толщины электрода батареи с помощью модели реакционной зоны. J. Electrochem. Soc. 142, 97–101. DOI: 10.1149 / 1.2043956.

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Падхи, А.К., Нанджундасвами, К. С., и Гуденаф, Дж. Б. (1997). Фосфооливины как материалы положительных электродов для литиевых аккумуляторных батарей. J. Electrochem. Soc. 144, 1188–1194. DOI: 10,1149 / 1,1837571

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Поркарелли, Л., Гербальди, К., Белла, Ф., и Наир, Дж. Р. (2016). Сверхмягкий полимерный электролит на основе оксида этилена для надежных твердотельных литиевых батарей. Sci. Rep. 6: 19892. DOI: 10,1038 / srep19892.

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Росс Макдональд, Дж.(1992). Импеданс / адмиттанс бинарного электролита. Электрохим. Acta 37, 1007–1014. DOI: 10.1016 / 0013-4686 (92) 85216-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Россо, М., Бриссо, К., Тейссо, А., Долле, М., Саннье, Л., Тараскон, Ж.-М., и др. (2006). Короткое замыкание дендритов и влияние предохранителя на Li / Polymer / Li ячейки. Электрохим. Acta 51, 5334–5340. DOI: 10.1016 / j.electacta.2006.02.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сафари, М.и Делакур К. (2011). Математическое моделирование литий-железо-фосфатного электрода: гальваностатический заряд / разряд и зависимость от пути. J. Electrochem. Soc. 158, A63 – A73. DOI: 10.1149 / 1.3515902

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Санд, Х. Дж. С. (1901). О концентрации на электродах в растворе, с особым акцентом на выделение водорода при электролизе смеси сульфата меди и серной кислоты. Фил. Mag. 1, 45–79.DOI: 10.1080 / 14786440109462590

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Schnell, J., Günther, T., Knoche, T., Vieider, C., Köhler, L., Just, A., et al. (2018). Полностью твердотельные литий-ионные и литий-металлические батареи — путь к крупносерийному производству. J. Power Sour. 382, ​​160–175. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.02.062

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ши Дж. И Винсент К. А. (1993). Влияние молекулярной массы на подвижность катионов в полимерных электролитах. Ионика твердого тела 60, 11–17. DOI: 10.1016 / 0167-2738 (93) -8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сингх М., Кайзер Дж. И Хан Х. (2015). Толстые электроды для литий-ионных аккумуляторов высокой энергии. J. Electrochem. Soc. 162, A1196 – A1201. DOI: 10.1149 / 2.0401507jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Соренсен П. Р. и Якобсен Т. (1982). Электропроводность, перенос заряда и число переноса — исследование полимерного электролита LiSCN-поли (этиленоксид). Электрохим. Acta 27, 1671–1675. DOI: 10.1016 / 0013-4686 (82) 80162-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шринивасан В., Ньюман Дж. (2004). Модель разряда для литиево-железо-фосфатного электрода. J. Electrochem. Soc. 151, A1517 – A1529. DOI: 10,1149 / 1,1785012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тиан Р., Парк С.-Х., Кинг П. Дж., Каннингем Дж., Коэльо Дж., Николози В. и др. (2019). Количественная оценка факторов, ограничивающих быстродействие электродов батареи. Нат. Commun. 10: 1933. DOI: 10.1038 / s41467-019-09792-9

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вонг, Л. Л., Чен, Х., Адамс, С. (2017). Конструирование материалов катода с быстрой ионной проводимостью для натриево-ионных аккумуляторных батарей. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 7506–7523. d. DOI: 10.1039 / C7CP00037E

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, X., Song, K., Zhang, X., Hu, N., Li, L., Li, W., et al.(2019). вопросы безопасности в литий-ионных батареях: материалы и конструкция элементов. Фронт. Energy Res. 7:65. DOI: 10.3389 / fenrg.2019.00065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, W., Wang, J., Ding, F., Chen, X., Nasybulin, E., Zhang, Y., et al. (2014). Литий-металлические аноды для аккумуляторных батарей. Energy Environ. Sci. 7, 513–537. DOI: 10.1039 / C3EE40795K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян Дж., Ван Х., Чжан Г., Ма, А., Чен, В., Шао, Л. и др. (2019). Высокопроизводительный твердый композитный полимерный электролит для всех твердотельных литиевых батарей благодаря легкому регулированию микроструктуры. Фронт. Chem. 7: 388. DOI: 10.3389 / fchem.2019.00388

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, D. Y. W., Donoue, K., Inoue, T., Fujimoto, M., and Fujitani, S. (2006). Влияние параметров электродов на катоды LiFePO ₄ . J. Electrochem. Soc. 153, A835 – A839.DOI: 10.1149 / 1.2179199

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю. С., Ким С., Ким Т. Ю., Нам Дж. Х. и Чо В. И. (2013). Прогнозирование модели и эксперименты для оптимизации конструкции электродов LiFePO ₄ / Графитовые электроды в литий-ионных батареях большой емкости. Бык. Korean Chem. Soc. 34, 79–88. DOI: 10.5012 / bkcs.2013.34.1.79

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзэн, X., Ли, М., Абд Эль-Хади, Д., Альшитари, В., Аль-Богами, А.С., Лу, Дж. И др. (2019). Коммерциализация технологий литиевых батарей для электромобилей. Adv. Energy Mater. 9: 1

1. DOI: 10.1002 / aenm.201

1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhang, H., Li, C., Piszcz, M., Coya, E., Rojo, T., Rodriguez-Martinez, L.M, et al. (2017). Одиночные литий-ионные проводящие твердые полимерные электролиты: достижения и перспективы. Chem. Soc. Ред. 46, 797–815. DOI: 10.1039 / C6CS00491A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжэн, Х., Ли, Дж., Сонг, X., Лю, Г., и Батталья, В. С. (2012). Исчерпывающее понимание влияния толщины электродов на электрохимические характеристики катодов литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 71, 258–265. DOI: 10.1016 / j.electacta.2012.03.161

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стабилизирующие газообразные электролиты могут сделать ult

изображение: Художественная визуализация сепаратора аккумулятора, который конденсирует газовые электролиты в жидкость при гораздо более низком давлении.Новый сепаратор повышает безопасность батареи и ее характеристики в условиях сильного холода, удерживая больше электролита, а также ионов лития, протекающих в батарее. посмотреть еще

Кредит: Группа Чен

Новая технология может значительно повысить безопасность литий-ионных батарей, работающих с газовыми электролитами при сверхнизких температурах. Наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали сепаратор — часть батареи, которая служит барьером между анодом и катодом, — который предотвращает испарение газовых электролитов в этих батареях.Этот новый сепаратор, в свою очередь, может помочь предотвратить повышение давления внутри батареи, которое приводит к вздутию и взрывам.

«Улавливая молекулы газа, этот сепаратор может действовать как стабилизатор летучих электролитов», — сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, руководивший исследованием.

Новый сепаратор также повысил производительность аккумулятора при сверхнизких температурах. Батарейные элементы, построенные с использованием нового сепаратора, работали с высокой емкостью 500 миллиампер-часов на грамм при -40 ° C, тогда как батареи, построенные с коммерческим сепаратором, почти не имели емкости.По словам исследователей, элементы батареи по-прежнему демонстрируют высокую емкость даже после простоя в течение двух месяцев — многообещающий признак того, что новый сепаратор может также продлить срок хранения.

Команда опубликовала свои выводы 7 июня в Nature Communications .

Это достижение приближает исследователей к созданию литий-ионных батарей, которые могут приводить в действие транспортные средства в условиях сильного холода, такие как космические корабли, спутники и глубоководные суда.

Эта работа основана на предыдущем исследовании, опубликованном в Science лабораторией профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ин Ширли Мэн, которое было первым, кто сообщил о разработке литий-ионных батарей, которые хорошо работают при температурах до -60 ° C. .Что делает эти батареи особенно морозостойкими, так это то, что в них используется особый тип электролита, называемый сжиженным газовым электролитом, который представляет собой газ, который сжижается под давлением. Он гораздо более устойчив к замерзанию, чем обычный жидкий электролит.

Но есть и обратная сторона. Электролиты из сжиженного газа имеют высокую тенденцию переходить из жидкости в газ. «Это самая большая проблема безопасности этих электролитов», — сказал Чен. Чтобы использовать их, необходимо приложить большое давление, чтобы сконденсировать молекулы газа и сохранить электролит в жидкой форме.

Для решения этой проблемы лаборатория Чена объединилась с Менгом и профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Тодом Паскалем, чтобы разработать способ легкого сжижения этих газообразных электролитов без приложения такого большого давления. Прогресс стал возможным благодаря объединению опыта экспертов в области вычислений, таких как Паскаль, с экспериментаторами, такими как Чен и Мэн, которые все являются сотрудниками Центра исследований материалов и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC).

В их подходе используется физическое явление, при котором молекулы газа самопроизвольно конденсируются, оказываясь в крошечных пространствах нанометрового размера.Это явление, известное как капиллярная конденсация, позволяет газу становиться жидкостью при гораздо более низком давлении.

Команда использовала это явление для создания сепаратора батареи, который стабилизировал бы электролит в их батарее со сверхнизкой температурой — сжиженный газовый электролит, сделанный из газообразного фторметана. Исследователи построили сепаратор из пористого кристаллического материала, называемого металлоорганическим каркасом (MOF). Особенностью MOF является то, что он заполнен крошечными порами, которые способны улавливать молекулы газообразного фторметана и конденсировать их при относительно низких давлениях.Например, фторметан обычно конденсируется под давлением 118 фунтов на квадратный дюйм при -30 ° C; но с MOF он конденсируется всего под давлением 11 фунтов на квадратный дюйм при той же температуре.

«Этот MOF значительно снижает давление, необходимое для работы электролита», — сказал Чен. «В результате наши аккумуляторные элементы обеспечивают значительную емкость при низких температурах и не деформируются».

Исследователи протестировали сепаратор на основе MOF в литий-ионных аккумуляторных элементах, построенных с катодом из фторуглерода и анодом из металлического лития, заполненным газообразным фторметановым электролитом под внутренним давлением 70 фунтов на квадратный дюйм, что намного ниже давления, необходимого для сжижения фторметана. .Ячейки сохранили 57% своей емкости при комнатной температуре при -40 ° С. Напротив, ячейки с коммерческим сепаратором не показали почти никакой емкости с фторметановым газовым электролитом при той же температуре и давлении.

Крошечные поры сепаратора на основе MOF являются ключевыми, потому что они удерживают больше электролита в батарее даже при пониженном давлении. С другой стороны, промышленный сепаратор имеет большие поры и не может удерживать молекулы газового электролита при пониженном давлении.

Но крошечные поры — не единственная причина, по которой сепаратор так хорошо работает в этих условиях. Исследователи спроектировали сепаратор таким образом, чтобы поры образовывали непрерывные пути от одного конца до другого. Это гарантирует, что ионы лития все еще могут свободно проходить через сепаратор. В ходе испытаний элементы батареи с новым сепаратором имели в 10 раз более высокую ионную проводимость при -40 ° C, чем элементы с серийным сепаратором.

Группа

Чена сейчас тестирует сепаратор на основе MOF на других электролитах.«Мы наблюдаем похожие эффекты. Мы можем использовать этот MOF в качестве стабилизатора для адсорбции различных молекул электролита и повышения безопасности даже в традиционных литиевых батареях, которые также содержат летучие электролиты ».

###

Документ

: «Субнанометровое ограничение обеспечивает легкую конденсацию газового электролита для низкотемпературных батарей». Соавторы: Гуоруи Цай *, Ицзе Инь *, Давэй Ся *, Аманда А. Чен, Джон Холубек, Джонатан Шарф, Янгючен Ян, Ки Кван Ко, Минцян Ли, Дэниел М.Дэвис и Мэтью Майер, Калифорнийский университет в Сан-Диего; и Тэ Хи Хан, Ханянский университет, Сеул, Корея.

* Эти авторы внесли равный вклад в эту работу

Эта работа была поддержана Программой грантов на исследования космических технологий НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Национальным научным фондом через Центр исследований материалов и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и фондами стартапов Инженерной школы Джейкобса. Калифорнийский университет в Сан-Диего. Эта работа была частично выполнена в инфраструктуре нанотехнологий Сан-Диего (SDNI) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, члене Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542148).В исследовании использовались ресурсы журнала National

.

Научно-вычислительный центр энергетических исследований, учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США при поддержке Управления науки Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05Ch21231. В этой работе также использовалась среда Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) и суперкомпьютеры Comet и Expanse в суперкомпьютерном центре Сан-Диего, который поддерживается Национальным научным фондом (грант ACI-1548562).

---

---

Журнал

Nature Communications

Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Из чего сделаны литиевые батареи и каковы их плюсы и минусы?

Литиевые батареи, впервые предложенные в 1970-х годах и производимые Sony в 1991 году, сейчас используются в мобильных телефонах, самолетах и ​​автомобилях. Несмотря на ряд преимуществ, которые привели их к все большему успеху в энергетической отрасли, литий-ионные аккумуляторы имеют некоторые недостатки и являются предметом многочисленных дискуссий.

А что такое литиевые батареи и как они работают?

Из чего сделаны литиевые батареи?

Литиевая батарея состоит из четырех основных компонентов. Он имеет катод, который определяет емкость и напряжение батареи и является источником ионов лития. Анод позволяет электрическому току проходить через внешнюю цепь, и когда батарея заряжена, ионы лития накапливаются в аноде.

Электролит состоит из солей, растворителей и добавок и служит проводником для ионов лития между катодом и анодом.Наконец, есть разделитель, физический барьер, разделяющий катод и анод.

Плюсы и минусы литиевых батарей Литиевые батареи

имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем другие батареи. У них может быть до 150 ватт-часов (Втч) энергии на килограмм (кг), по сравнению с никель-металлогидридными батареями при 60-70Втч / кг и свинцово-кислотными батареями при 25Втч / кг.

У них также более низкая скорость разряда, чем у других, они теряют около 5% своего заряда за месяц по сравнению с никель-кадмиевыми (NiMH) батареями, которые теряют 20% за месяц.

Однако литиевые батареи также содержат горючий электролит, который может вызвать небольшие возгорания батарей. Именно это привело к печально известному возгоранию смартфонов Samsung Note 7, что вынудило Samsung свернуть производство и потерять 26 миллиардов долларов в рыночной стоимости. Следует отметить, что этого не произошло с крупномасштабными литиевыми батареями.

Литий-ионные батареи также дороже в производстве, поскольку их производство может стоить почти на 40% дороже, чем никель-кадмиевые батареи.

Конкуренты Литий-ионный аккумулятор

сталкивается с конкуренцией со стороны ряда альтернативных аккумуляторных технологий, большинство из которых находятся в стадии разработки.Одна из таких альтернатив — аккумуляторы, работающие на морской воде.

Разрабатываемые Aquion Energy, они состоят из соленой воды, оксида марганца и хлопка для создания чего-то, что производится с использованием «обильных, нетоксичных материалов и современных недорогих производственных технологий». Из-за этого они являются единственными батареями в мире. сертифицированы по принципу «от колыбели до колыбели».

Подобно технологии Aquion, «Blue Battery» AquaBattery использует смесь соли и пресной воды, протекающей через мембраны для хранения энергии.Другие потенциальные типы батарей включают аккумуляторы Bristol Robotics Laboratory с питанием от мочи и литий-ионные аккумуляторы Калифорнийского университета в Риверсайде, в которых в качестве анода используется песок, а не графит, что позволяет получить аккумулятор в три раза более мощный, чем промышленный стандарт.

Связанные компании

Depsys

Решения Smart Grid для активного управления сетью

28 августа 2020

Стабилизирующие газообразные электролиты могут сделать батареи при сверхнизких температурах более безопасными

Художественная визуализация сепаратора аккумуляторных батарей, который конденсирует газовые электролиты в жидкость при гораздо более низком давлении.Новый сепаратор повышает безопасность батареи и ее характеристики в условиях сильного холода, удерживая больше электролита, а также ионов лития, протекающих в батарее. Кредит: Chen group

Новая технология может значительно повысить безопасность литий-ионных батарей, работающих с газовыми электролитами при сверхнизких температурах. Наноинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали сепаратор — часть батареи, которая служит барьером между анодом и катодом, — который предотвращает испарение газовых электролитов в этих батареях.Этот новый сепаратор, в свою очередь, может помочь предотвратить повышение давления внутри батареи, которое приводит к вздутию и взрывам.

«Улавливая молекулы газа, этот сепаратор может действовать как стабилизатор летучих электролитов», — сказал Чжэн Чен, профессор наноинженерии инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего Джейкобс, руководивший исследованием.

Новый сепаратор также повысил производительность аккумулятора при сверхнизких температурах. Батарейные элементы, построенные с использованием нового сепаратора, работали с высокой емкостью 500 миллиампер-часов на грамм при -40 ° C, тогда как батареи, построенные с коммерческим сепаратором, почти не имели емкости.По словам исследователей, элементы батареи по-прежнему демонстрируют высокую емкость даже после простоя в течение двух месяцев — многообещающий признак того, что новый сепаратор может также продлить срок хранения.

Команда опубликовала свои выводы 7 июня в Nature Communications .

Это достижение приближает исследователей к созданию литий-ионных батарей, которые могут приводить в действие транспортные средства в условиях сильного холода, такие как космические корабли, спутники и глубоководные суда.

Эта работа основана на предыдущем исследовании, опубликованном в Science лабораторией профессора наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ин Ширли Мэн, которое было первым, кто сообщил о разработке литий-ионных батарей, которые хорошо работают при температурах до -60 C. .Что делает эти батареи особенно морозостойкими, так это то, что в них используется особый тип электролита, называемый сжиженным газовым электролитом, который представляет собой газ, который сжижается под давлением. Он гораздо более устойчив к замерзанию, чем обычный жидкий электролит.

Но есть и обратная сторона. Электролиты из сжиженного газа имеют высокую тенденцию переходить из жидкости в газ. «Это самая большая проблема безопасности этих электролитов», — сказал Чен. Чтобы использовать их, необходимо приложить большое давление, чтобы сконденсировать молекулы газа и сохранить электролит в жидкой форме.

Для решения этой проблемы лаборатория Чена объединилась с Менгом и профессором наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Тодом Паскалем, чтобы разработать способ легкого сжижения этих газообразных электролитов без приложения такого большого давления. Прогресс стал возможным благодаря объединению опыта экспертов в области вычислений, таких как Паскаль, с экспериментаторами, такими как Чен и Мэн, которые все являются сотрудниками Центра исследований материалов и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC).

В их подходе используется физическое явление, при котором молекулы газа самопроизвольно конденсируются, оказываясь в крошечных пространствах нанометрового размера.Это явление, известное как капиллярная конденсация, позволяет газу становиться жидкостью при гораздо более низком давлении.

Команда использовала это явление для создания сепаратора батареи, который стабилизировал бы электролит в их батарее со сверхнизкой температурой — сжиженный газовый электролит, сделанный из газообразного фторметана. Исследователи построили сепаратор из пористого кристаллического материала, называемого металлоорганическим каркасом (MOF). Особенностью MOF является то, что он заполнен крошечными порами, которые способны улавливать молекулы газообразного фторметана и конденсировать их при относительно низких давлениях.Например, фторметан обычно конденсируется под давлением 118 фунтов на квадратный дюйм при -30 ° C; но с MOF он конденсируется всего под давлением 11 фунтов на квадратный дюйм при той же температуре.

«Этот MOF значительно снижает давление, необходимое для работы электролита», — сказал Чен. «В результате наши аккумуляторные элементы обеспечивают значительную емкость при низких температурах и не деформируются».

Исследователи протестировали сепаратор на основе MOF в литий-ионных аккумуляторных элементах, построенных с катодом из фторуглерода и анодом из металлического лития, заполненным газообразным фторметановым электролитом под внутренним давлением 70 фунтов на квадратный дюйм, что намного ниже давления, необходимого для сжижения фторметана. .Ячейки сохранили 57% своей емкости при комнатной температуре при -40 ° С. Напротив, ячейки с коммерческим сепаратором не показали почти никакой емкости с фторметановым газовым электролитом при той же температуре и давлении.

Крошечные поры сепаратора на основе MOF являются ключевыми, потому что они удерживают больше электролита в батарее даже при пониженном давлении. С другой стороны, промышленный сепаратор имеет большие поры и не может удерживать молекулы газового электролита при пониженном давлении.

Но крошечные поры — не единственная причина, по которой сепаратор так хорошо работает в этих условиях. Исследователи спроектировали сепаратор таким образом, чтобы поры образовывали непрерывные пути от одного конца до другого. Это гарантирует, что ионы лития все еще могут свободно проходить через сепаратор. В ходе испытаний элементы батареи с новым сепаратором имели в 10 раз более высокую ионную проводимость при -40 ° C, чем элементы с серийным сепаратором.

Группа

Чена сейчас тестирует сепаратор на основе MOF на других электролитах.«Мы наблюдаем похожие эффекты. Мы можем использовать этот MOF в качестве стабилизатора для адсорбции различных молекул электролита и повышения безопасности даже в традиционных литиевых батареях, которые также содержат летучие электролиты ».

Документ

: «Субнанометровое ограничение обеспечивает легкую конденсацию газового электролита для низкотемпературных батарей». Соавторы: Гуоруи Цай *, Ицзе Инь *, Давэй Ся *, Аманда А. Чен, Джон Холубек, Джонатан Шарф, Янгючен Ян, Ки Кван Ко, Минцян Ли, Дэниел М.Дэвис и Мэтью Майер, Калифорнийский университет в Сан-Диего; и Тэ Хи Хан, Ханянский университет, Сеул, Корея.

* Эти авторы внесли равный вклад в эту работу

Эта работа была поддержана Программой грантов на исследования космических технологий НАСА (ECF 80NSSC18K1512), Национальным научным фондом через Центр исследований материалов и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC, грант DMR-2011924) и фондами стартапов Инженерной школы Джейкобса. Калифорнийский университет в Сан-Диего. Эта работа была частично выполнена в инфраструктуре нанотехнологий Сан-Диего (SDNI) в Калифорнийском университете в Сан-Диего, члене Национальной координированной инфраструктуры нанотехнологий, которая поддерживается Национальным научным фондом (грант ECCS-1542148).В исследовании использовались ресурсы журнала National

.

Научно-вычислительный центр энергетических исследований, учреждение для пользователей Управления науки Министерства энергетики США при поддержке Управления науки Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05Ch21231. В этой работе также использовалась среда Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) и суперкомпьютеры Comet и Expanse в суперкомпьютерном центре Сан-Диего, который поддерживается Национальным научным фондом (грант ACI-1548562).

Поделиться

---

Материалы и обработка для литий-ионных аккумуляторов

Литий-ионный аккумулятор спроектирована как технология чехарда для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарное хранение решения, позволяющие эффективно использование возобновляемых источников энергии.В технология уже используется для малой мощности такие приложения, как потребительские электроника и электроинструменты. Обширный исследования и разработки улучшили технологии до стадии, когда кажется очень вероятным, что безопасный и надежный литий-ионные батареи скоро будут бортовой гибридный электрический и электрический транспортных средств и подключенных к солнечным батареям и ветряные мельницы. Однако безопасность технология по-прежнему вызывает беспокойство, сервис жизни еще недостаточно, и стоит слишком высоки.Эта статья резюмирует современный литий-ионный аккумулятор технология для неспециалистов. В нем перечислены материалы и обработка для аккумуляторов и суммирует связанные с этим затраты с ними. Этот документ должен способствовать общее понимание материалов и обработка и необходимость преодоления оставшиеся препятствия на пути к успеху введение на рынок. ВВЕДЕНИЕ Мировой спрос на батареи в основном движимый бытовой электроникой и прогнозируется рост количества электроинструментов в 6.9% годовых до 2010 г. 73,6 миллиарда долларов. 1 Эффективное использование низкоэмиссионных и безэмиссионные источники энергии, такие как как возобновляемый, но непостоянный ветер и солнечная энергия, требует стационарных, высокопроизводительных, долговечных и низких эксплуатационных расходов накопитель электроэнергии решения. В 2006 году Германия, ведущая нация в использовании энергии ветра как часть его общего производства энергии портфель, потратил впустую 15% своего ветроэнергетического энергии из-за отсутствия подходящих хранение электроэнергии. 2 Гибридные электромобили (HEV) и полностью электрические транспортные средства (электромобили) могут снизить зависимость США от иностранной нефти и будет способствовать увеличению спроса на батареи в будущее. Подсчет эффективности двигателя и включая производство электроэнергии, Электромобили могут сократить потребление бензина до одной четвертой сегодняшнего потребления и может снизить зависимость США на импортную нефть до одной шестой части сегодняшний уровень. 3 В центре внимания U.S. Департамент Energys (DOE) Автомобильные технологии Программа на литий-ионной основе электрохимическое накопление энергии за счет электрохимический потенциал и теоретические мощность, обеспечиваемая этой системой. Литий-ионные батареи могут обеспечить надежная аккумуляторная технология хранения. Изменения в этой программе включают литий-ионный, литий-ионный полимер, и литий-металлическая технология. Краткосрочные цели DOE для HEV с усилителем достигнуты или превышены в восьми из 11 областей, показывая огромные успех программы.В восемь областей включают разрядный импульс мощность, регенеративная импульсная мощность, доступная энергия, эффективность, срок службы, система вес, объем системы и собственное увольнять. Тем не менее, три цели кажутся сложнее и остаются неудовлетворенными: рабочая температура от 30С до 52C, срок службы 15 лет и цена продажи ниже 500–800 долларов за штуку система на 100000 единиц, произведенных на год. 4 Для гибридных электромобилей с подзарядкой от сети (PHEV) в среднесрочной перспективе и для электромобилей в долгосрочной перспективе, достижения далеки от встречи с цели, а также значительный материал и обработка технологические барьеры необходимо быть преодоленным.Рисунок 1 иллюстрирует Министерство энергетики США и Консорциум передовых аккумуляторов США (USABC) цели и вехи встретились для приложений HEV и EV. Программа DOE ориентирована на преодоление технических барьеров, связанных с аккумуляторной технологией HEV, а именно стоимость, производительность, безопасность и жизнь: 6 Стоимость Текущие литий-ионные стоимость батареи за киловатт составляет примерно в 2 раза больше. Основные затраты связаны с дороговизна сырья и обработка материалов, а также стоимость ячейки, упаковки и изготовление. ПроизводительностьБарьеры производительности в основном связаны с сокращенными мощность разряда при низкой температуре и потеря мощности из-за использования и старение. Безопасность Фактический литий-ионный аккумулятор технология не по сути безопасно. Короткое замыкание, перезаряд, чрезмерная разрядка, раздавливание и высокий температура может привести к термическому побег, пожар и взрыв. Системы двигателей LifeHybrid имеют предполагаемый срок службы 15 лет. Аккумуляторная технология должна соответствовать эта цель с целью 300 000 циклы зарядки.Цикл жизни был продемонстрирован, но календарь жизнь не имеет. Исторически, электрохимия и приборостроение доминировало разработка аккумуляторов. Вышеупомянутый барьеры производительности проблемы, связанные с материалами. Плохая низкая температура производительность — это распространение проблема при низкой температуре. Утрата мощность из-за использования в основном проблема связано с механическим поведением, трещина инициирование и рост с последующим летальным исходом разрушение и последующее покрытие и пассивация поверхностей.Кроме того, разработка и обработка материалов развитие должно быть решаются согласованно, чтобы сократить стоить и создать безопасную аккумуляторную технологию. Поэтому материаловеды и инженеры-технологи медленно входят арена, на которой цель надежных, безопасная и долговечная электрическая энергия хранилище будет достигнуто. ПРИНЦИП БАТАРЕИ И ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ КАК БЫ ВЫ… … опишите общее значение этой статьи? Литий-ионный аккумулятор необходимо преодолеть значительные технологичность, безопасность и стоимость препятствия на пути к успеху в рынок. Традиционно аккумуляторная технология была запущена электрохимическими НИОКР. Сегодня, материаловеды и процессы инженеры могут помочь в преодолении барьеры и понимание механизмы отказа.Эта бумага обучает материаловедов и инженеры, чтобы начать этот процесс. … опишите эту работу в материалы специалист в области науки и техники без опыта в вашем техническая специальность? Литий-ионный аккумулятор Предполагается, что это будет чехарда технология для электрификации трансмиссии и обеспечить стационарные складские решения для обеспечения эффективного использования возобновляемые источники энергии.Однако безопасность технологии высока. все еще вызывает беспокойство, срок службы еще не достаточно, а затраты слишком высоки. В этом документе кратко излагается состояние литий-ионных аккумуляторов технология для неспециалистов и способствует пониманию материалов ученые и технологи. … опишите эту работу неспециалисту? Гибридные и полностью электрические автомобили и возобновляемые ветровые и солнечные мощность полагается на эффективную энергию место хранения.Однако в наличии аккумуляторная технология должна преодолевать значительные препятствия по стоимости и эффективности стать надежный и достаточно безопасный для работы как мобильное или стационарное хранилище. Материаловеды и инженеры работают над увеличением своих надежность и снижение их стоимости стать безопасным и доступным решение нашего энергетического кризиса. Наименьший рабочий элемент в батарее электрохимическая ячейка, состоящая катода и анода разделены и подключен электролитом.В электролит проводит ионы, но является изолятором электронам. В заряженном состоянии анод содержит высокую концентрацию интеркалированного лития, в то время как катод обеднен литием. В течение разряд, ион лития покидает анод и мигрирует через электролит к катоду, в то время как связанный с ним электрон собирается током коллектор, который будет использоваться для питания электрического устройство (показано на рисунке 2). Конструкции и комбинации ячеек по модулям и пакам сильно различаются.Чтобы установить базовое понимание, это В документе показаны основные конструкции ячеек и затем сосредотачивается на материалах, обработке, и производство с особым упором на батареях для транспортировки. Электроды в литий-ионных элементах всегда твердые материалы. Можно различать типы клеток по к их электролитам, которые могут быть жидкие, гелевые или твердотельные компоненты. Электролиты в гелевом и твердом состоянии. ячейки представляют собой структурный компонент и не нужны дополнительные разделители для эффективного разделения электродов и предотвращение коротких замыканий.Ячейки бывают кнопочными, цилиндрическими и призматические формы (см. рис. 3). Хороший обзор форм и материалов ячеек предоставлено J. Besenhard et al. 9 Для приложений с низким и низким энергопотреблением, ячейка часто представляет собой полная батарея. Для высокой энергии и большой мощности приложения, такие как транспорт или стационарное хранилище, ряд ячейки упакованы в модуль, а количество модулей упаковано в аккумулятор. Тонкопленочные батареи Особой категорией являются твердотельные тонкопленочный аккумулятор. Тонкопленочные батареи состоят только из твердых материалов. В электролит представляет собой твердое ионное стекло или кристалл, а компоненты осаждаются с помощью методов осаждения из паровой фазы. Этот дизайн предлагает максимальную энергию плотность, безопасность и терпимость к злоупотреблениям, но это применимо только к небольшим устройствам для специальных приложений и включает самый затратный способ производства.А хороший обзор систем тонкопленочных аккумуляторов предоставлен N.J. Dudney и Б. Дж. Нойдекер. 10 МАТЕРИАЛЫ Катодные материалы Современные катодные материалы включают оксиды лития-металла [например, LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 и Li (NixMnyCoz) O 2 ], оксиды ванадия, оливины (такие как LiFePO 4 ) и перезаряжаемые оксиды лития. 11,12 Многослойный оксиды, содержащие кобальт и никель, являются наиболее изученные материалы для литий-ионных батареи. Показывают высокую стабильность в диапазоне высокого напряжения, но кобальт имеет ограниченную доступность в природе и является токсичен, что является огромным недостатком для массового производства. Марганец предлагает недорогую замену на высокий тепловой порог и отличный оцените возможности, но ограниченное поведение на велосипеде. Поэтому смеси кобальта, никель и марганец часто используются объединить лучшие свойства и минимизировать недостатки.Оксиды ванадия имеют большую емкость и отличную кинетику. Однако из-за вставки лития и экстракция, материал имеет тенденцию стать аморфным, что ограничивает езда на велосипеде. Оливины нетоксичны и иметь умеренную мощность с низким выцветают из-за езды на велосипеде, но их проводимость низкий. Способы покрытия материала были введены, которые делают из-за плохой проводимости, но добавляет некоторые затраты на обработку для батареи. Материалы анода Материалы анода: литий, графит, литий-легирующие материалы, интерметаллиды, или кремний. 11 Литий вроде бы самый простой материал, но показывает проблемы с поведением на велосипеде и рост дендритов, который создает короткие замыкания. Углеродистые аноды наиболее часто используемый анодный материал благодаря их невысокая стоимость и доступность. Тем не мение, теоретическая емкость (372 мАч / г) плохо по сравнению с зарядом плотность лития (3862 мАч / г). Некоторые усилия с новыми разновидностями графита и углеродные нанотрубки имеют пытался увеличить емкость, но приходить с ценой высокой обработки расходы.Аноды из сплавов и интерметаллиды компаунды обладают высокой емкостью, но также показывают резкое изменение громкости, что приводит к плохому поведению при езде на велосипеде. Усилия были сделаны, чтобы преодолеть изменение объема за счет использования нанокристаллических материалы и сплав фаза (с Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn, и др.) в нелегированной стабилизации матрица (с Co, Cu, Fe или Ni). Кремний обладает чрезвычайно высокой емкостью 4199 мАч / г, что соответствует состав Si 5 Li 22 .Однако езда на велосипеде поведение плохое, а дееспособность угасание еще не понято. Электролиты Требуется безопасная и долговечная батарея прочный электролит, который выдерживает существующее напряжение и высокие температуры и имеет длительный срок хранения, предлагая высокая подвижность ионов лития. Типы включают жидкость, полимер и твердотельные электролиты. 11 Жидкие электролиты в основном органические, на основе растворителей электролиты, содержащие LiBC 4 O 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li [PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ] или похожий.Самое важное соображение их горючесть; лучший растворители имеют низкую температуру кипения точек и имеют точки вспышки вокруг 30С. Следовательно, вентиляция или взрыв ячейки, а затем и батареи представляют опасность. Разложение электролита и сильно экзотермические побочные реакции в литий-ионных батареях может создавать эффект, известный как тепловой разгон. Таким образом, подбор электролита часто предполагает компромисс между воспламеняемостью и электрохимические характеристики. Сепараторы со встроенным тепловым отключением механизмы, и дополнительные внешние сложное управление температурным режимом системы добавлены в модули и аккумуляторные батареи. Ионные жидкости находятся под рассмотрение из-за их термического стабильность, но есть серьезные недостатки, например, растворение лития из анод. Полимерные электролиты ионные проводящие полимеры. Они часто смешанный в композитах с керамикой наночастицы, что приводит к более высокой проводимости и устойчивость к более высоким напряжения.Кроме того, из-за их высокого вязкость и квазитвердое поведение, полимерные электролиты могут ингибировать литий дендриты из растущих 13 и могли поэтому может использоваться с металлическим литием аноды. Электролиты твердые литий-ионные проводящие кристаллы и керамические стекла. Они показывают очень плохую низкотемпературную производительность, потому что литий подвижность в твердом теле значительно снижена при низких температурах. Кроме того, твердые электролиты требуют специального осаждения условия и температурные процедуры добиться приемлемого поведения, сделав они чрезвычайно дороги в использовании, хотя они устраняют необходимость в сепараторы и риск теплового разгона. Сепараторы Хороший обзор материалов сепараторов и потребности обеспечивает П. Арора и З. Чжан. 14 Как следует из названия, разделитель аккумулятора разделяет два электроды физически друг от друга, таким образом избегая короткого замыкания. В этом случае жидкого электролита сепаратор пеноматериал, пропитанный электролит и удерживает его на месте. Это должен быть электронный изолятор при минимальном сопротивлении электролита, максимальная механическая стабильность, и химическая стойкость к деградации в высоко электрохимически активном среда.Кроме того, разделитель часто имеет функцию безопасности, называемую термической неисправность; при повышенных температурах, он тает или закрывает поры, чтобы закрыть вниз по литий-ионному транспорту без теряет механическую устойчивость. Сепараторы либо синтезируются в листах и собран с электродами или наносится на один электрод на месте. С точки зрения затрат последний метод является предпочтительным, но предполагает некоторый другой синтез, обработка и механические проблемы. Твердотельные электролиты и некоторые полимеры электролиты не нуждаются в сепараторе. ОБРАБОТКА И ПРОИЗВОДСТВО Разряд аккумулятора основан на диффузии ионов лития с анода к катоду через токоприемник, как показано на рисунке 2. Этот движущийся механизм в первую очередь основан на диффузионные процессы: доставка лития ионы на поверхность анода, переходя к и распространение через электролит, и переход на и диффузия в катод.Распространение самый ограничивающий фактор в сильноточных разрядка и зарядка, а также при низких температурах представление. Кроме того, интеркаляция и деинтеркаляция процессы создают изменение объема в активные электродные материалы. Это повторилось процесс из-за цикла может инициировать трещины и могут привести к возможному разрушению в результате непригодного активного электрода материал из-за отключения токоприемник или короткое замыкание а в случае литий-металлических батарей — угроза безопасности из-за шероховатости анода и роста дендритов. Работы по обработке материалов и производство для повышения производительности и управлять неизбежным объемом изменения привели к составным материалы с микро- и наноразмерными частицы. Наночастицы могут вместить изменение громкости с минимальным риск возникновения трещин и их микромасштабные агломераты и композиты приводит к минимальному распространению длины пути через медленную диффузию фазы (электроды). Сильное внимание уделяется от плотности упаковки, чтобы максимально увеличить активную содержание материала, открытая пористость для доступа электролит и электронная непрерывность чтобы гарантировать обмен заряда на токоприемники. Ячейки цилиндрические изготавливаются. и собран следующим образом. Электролиты формируются из паст активных порошки материалов, связующие, растворители, и добавки и подаются на покрытие машины выкладывать на токоприемник фольга, например алюминиевая для катодная сторона и медь для анода боковая сторона. Последующее ведение календаря для однородная толщина и частицы после размера следует разрезать до нужного ширина. Затем компоненты уложены на сепаратор-анод-катод-сепаратор стопки с последующей намоткой на цилиндрические ячейки, вставки в цилиндрические корпуса, и сварка проводки таб.Затем ячейки заполняются электролит. Электролит должен смачиваться разделитель, впитайте и намочите электроды. Процесс смачивания и замачивания это самый медленный шаг и поэтому является определяющим фактором скорости линии. Все остальные необходимые изоляторы, затем прикрепляются пломбы и предохранительные устройства. и подключен. Тогда клетки заряжаются с первого раза и тестируются. Часто необходимо вентилировать клетки во время первая зарядка. Далее следуют первые циклы зарядки. сложные протоколы для улучшения производительность, поведение на велосипеде и срок службы ячеек.В последнее время усилия были произведены в сочетании и гибридная обработка, такая как прямое осаждение разделителей на электроды и быстрые термообработки. АНАЛИЗ РАСХОДОВ НА АККУМУЛЯТОРЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ Требования к аккумуляторной батарее для HEV отличаются от таковых для PHEV и электромобили. 6 Программа DOEs целевые производственные цены от $ 500 до 800 долларов США за аккумуляторные блоки HEV и 1700 долларов США до 3400 долларов за аккумуляторные блоки PHEV. Материальные потребности и сырье Затраты на материалы Потребности в сырье и затраты на основе исследования Л. Гейнса и Р. Куэнса. 15 Стандартная цилиндрическая ячейка это так называемая ячейка 18650 (18 мм шириной и длиной 65 мм), которая имеет общую масса около 40 г (включая неактивные материал и упаковка) и емкость около 1,35 Ач. 16 Масса материала необходимо для аккумуляторов HEV и EV ячейки показаны в таблице I. Из таблицы I можно оценить, что емкость ячеек примерно зависит от масса. Хотя упаковка в составе всего для большой батареи меньше чем у маленькой батареи, общая масса батареи на 10 Ач составляет примерно 325 г, а общая масса ячейки 100 Ач составляет примерно 3430 г. Таким образом, расчет стоимости материалы можно получить, увеличив масштаб затраты на материалы в ячейке 18650 на в 10 раз для HEV и в раз 100 для электромобилей.Большинство конструкций батарей в результате батарейки в общей сложности около 100 ячеек в нескольких модулях (например, как 12 × 8, 10 × 10 или аналогичный). Таблица I. Расчетное содержание материалов в типичных литий-ионных элементах (на основе ссылки 15) Высокоэнергетический (100 Ач) элемент EV Ячейка повышенной мощности (10 Ач) HEV Материал / компонент Количество (г) Часть (%) Количество (г) Часть (%) Анод (сухой) Активный материал (графит) 563.6 16,4 14,1 4,3 Папка 69,7 2,0 3,1 1,0 Токосъемник (Cu) 151,9 4,4 41,6 12,8 Катод (сухой) Активный материал 1,408.6 41,0 74,4 22,9 Углерод 46,4 1,4 3,2 1,0 Папка 92,9 2,7 6,3 1,9 Токосъемник (Al) 63,0 1,8 19.4 6,0 Электролит 618,0 18,0 44,0 13,5 Разделитель 60,5 1,8 16,4 5,0 Остальная часть ячейки Выступы, концевые пластины, клеммные блоки 66.2 1,9 32,2 9,9 Ядро 0,9 0,0 Контейнер 291,0 8,5 70,1 21,6 Всего 3 432,7 324.8 Например, затраты на материалы для элемента 18650 на основе LiCoO 2 (включая обработка материалов) может быть оценивается примерно в 1,28 доллара за весь клетка. 15 Обработка материалов очень сложна отделить от стоимости материалов и поэтому включается в стоимость материалов в этом разделе. Кроме того, стоимость обработки материалов меняется резко с разными материалами и поэтому может считаться зависящим от материала.Однако новая обработка методы могут снизить текущий максимум стоимость сырья. Затраты на производство и оплату труда Современное производство цилиндрическая ячейка на производственной линии включает смешивание и нанесение покрытия, календарная обработка и продольная резка, резка, намотка, сварка язычков, автоматизированная сборка и проверка с последующим тестированием, ездой на велосипеде и упаковка. Произвести 100000 единиц в год требуется общая рабочая сила От 76 до 104 человек, работающих на двух линиях в две смены.Гейнс и Куэнса 15 по оценкам стоимость рабочей силы на ячейку и накладные расходы стоит 0,42 доллара на основе 18650 сотовый. Итого Общая стоимость 18650 ячеек в сумме составляет примерно 1,70 доллара. Масштабирование до аккумуляторов HEV дает 1700 долларов (вдвое больше, чем цель). Для Аккумуляторы для электромобилей пока нет. Однако, исходя из этот расчет, можно было бы вычислить весьма неопределенная оценка в 17000 долларов на батарею. Оценка показывает, что для достижения целей, необходимы огромные усилия, чтобы снизить стоимость обработки, стоимость материалов, и количество необходимого материала. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Нет сомнений в том, что литий-ионный клеточная химия предлагает одни из лучших варианты хранения электроэнергии для приложения с высокой и высокой мощностью такие как транспортные и стационарные хранение за счет их электрохимических потенциал, теоретические возможности и плотность энергии.Однако по оценкам стоимость батареи для примера приложения HEV все еще вдвое выше целевой цены учреждено USABC и DOE. С ростом цен на нефть немного выше цена, которую цель может уже получить достаточно потребительского признания для успешный выход на рынок. Однако цена еще впереди вниз. Есть четкие потребности в областях разработки материалов, оптимизации, и обработка. Расчеты выше отдельно между материалами и затраты на оплату труда.Однако это практически невозможно разделить затраты на сырье от затрат на обработку материалов, потому что мы никогда не используем чистое сырье в процесс; скорее, мы используем материальные соединения которые подходят для применения и это наименее дорогие в производство. Кроме того, даже сырье и материальные соединения имеют обработано. Таким образом, новые недорогие методы обработки этих материалов и соединения должны быть разработаны чтобы свести к минимуму сырые батареи стоимость материала. Требуются работы по гибридным технологиям например, сочетание недорогих навозной жижи техники с методами лечения заменить задачи, которые в настоящее время выполняется в два разных этапа. Высокоскоростной процедуры, такие как лучистая обработка, необходимо оптимизировать, чтобы заменить медленные печные процедуры. Инвестиции затраты и время производства должны быть минимизированным, чтобы сделать их выполнимыми для аккумуляторные приложения. Кроме того, гибрид материалы, которые могут выполнять функции из двух или более компонентов в настоящее время в использовании должны быть разработаны и встроены в батареи (например,г., цельный или высоковязкие электролиты, не нужны сепараторы, имеют усиленный литий обменное поведение, намочите электрод, и образуют хорошую связь). БЛАГОДАРНОСТИ Автор выражает благодарность поддержка Дэвида Хауэлла (Энергия Руководитель программы НИОКР по хранению, Транспортное средство Программа технологий, Управление энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии, Департамент энергетики) и Раймонд Боеман (директор транспортной программы, Окриджская национальная лаборатория), руководство от Крейга Блю и плодотворные дискуссии с Нэнси Дадни и многие другие коллеги.Это исследование в Национальной лаборатории Ок-Ридж, под управлением ООО «ЮТ-Баттель» для Министерство энергетики США под контракт DE-AC05-00OR22725, имеет спонсируется Vehicle Technologies Программа для Управления энергетики Эффективность и возобновляемые источники энергии. ССЫЛКИ 1. World Batteries, Промышленное исследование с прогнозами на 2010 и 2015 (Исследование № 2095) (Кливленд, Огайо: Freedonia Группа, 2006). 2. Федеральное министерство образования и науки Германии, Innovation Alliance, Литий-ионная батарея, 2015 г. (2008 г.), http://www.bmbf.de/de/11828.php. 3. Расчеты Национальной лаборатории Окриджа на основе по информации Управления энергетической информации, Агентство по охране окружающей среды США, KEMA, и Университет штата Делавэр (2008 г.). 4. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о проделанной работе за 2006 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление FreedomCAR и транспортных технологий, U.С. Министерство энергетики, 2007 г.). 5. FreedomCAR и Fuel Partnership and United State Advanced Battery Consortium, Электрохимический Техническая группа по хранению энергии Разработка технологий Дорожная карта (Саутфилд, Мичиган: USCAR, 2006). 6. Д. Хауэлл, Исследования и разработки в области накопления энергии, Годовой отчет о проделанной работе за 2007 г. (Вашингтон, Округ Колумбия: Управление автомобильных технологий, Департамент США. энергетики, 2008). 7. Дж. Гуденаф, H.D. Абруна, М. Бьюкенен, редакторы журнала «Потребности в фундаментальных исследованиях в области электроэнергетики» Хранение (Вашингтон, Д.C .: Управление фундаментальных энергетических наук, Министерство энергетики США, 2007 г.). 8. Х.А. Кене, редактор, Справочник по аккумуляторным технологиям , 2-е издание (Нью-Йорк: Марсель Деккер, Инк., 2003). 9. Й. Безенхард, редактор, Справочник материалов для батарей (Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH, 1999). 10. Дадни Н.Дж., Нойдекер Б.Дж., Твердотельные тонкие Системы пленочных литиевых батарей, Curr. Opin. Твердое состояние Мат. Sci., 4 (5) (1999), стр. 479482. 11. А.К. Шукла и Т. Кумар, Материалы для Next- Литиевые батареи поколения, Curr. Sci. , 94 (3) (2008), С. 314331. 12. M.S. Уиттингем, Материалы, с которыми сталкиваются проблемы Накопитель электроэнергии, Бюллетень MRS , 33 (4) (2008), стр. 411419. 13. Дж. Ньюман, К. Монро, Влияние эластичности Деформация в кинетике осаждения лития / полимера Интерфейсы, J. Electrochem. Soc. 152 (2) (2005), стр.A396A404. 14. P. Arora, Z. Zhang, Battery Separators, Chem. Ред. , 104 (2004), стр. 44194462. 15. Л. Гейнс, Р. Куэнза, Стоимость литий-ионных батарей. для транспортных средств (Отчет ANL / ESD-42) (Аргонн, Иллинойс: Аргоннская национальная лаборатория, 2000 г.). 16. Дж. Карконе, Последняя информация о литий-ионных батареях (документ представлен на 15-м международном семинаре и выставке по первичным и вторичным батареям, Форт-Лодердейл, Флорида, 25 марта 1998 г.). Клаус Даниэль работает с отделом обработки материалов Группа, Отделение материаловедения и технологий, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, Теннесси, а также Департамент материалов Наука и инженерия, Университет Теннесси, Ноксвилл, Теннесси. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Наверх