Инструкция по эксплуатации аккумуляторных батарей

Благодаря использованию новейших технологий аккумуляторы обладают чрезвычайно низким расходом воды, обеспечивающим длительную работу при исправном электрооборудовании Вашего автомобиля. При соблюдении нижеприведённых указаний покупатель в течение многих лет не будет иметь проблем со своим аккумулятором.

                      1. Правила эксплуатации АКБ

1.1.  Приобретая АКБ, убедитесь, что она соответствует требованиям техпаспорта Вашего автомобиля.

1.2.  Запрещается использовать АКБ в иных целях, кроме запуска двигателя Вашего автомобиля.

1.3.  Удалите с АКБ упаковочную плёнку полностью, защитные колпачки с клемм и освободите газоотводные отверстия.

1.4.  Установите АКБ на штатное место Вашего а/м и обязательно надежно закрепите её. При подключении строго соблюдайте полярность и убедитесь, что зажигание и все потребители электроэнергии выключены.

1.5.  Подключение АКБ следует начинать с клеммы «плюс».

1.6.  Клеммы АКБ и наконечники проводов должны быть хорошо защищены от окислов, надежно соединены и закреплены.

1.7.  В течение всего срока эксплуатации корпус АКБ должен быть чистым и сухим, а газоотводные отверстия всегда свободными.

1.8.  Не реже 1 раза в месяц контролируйте уровень и плотность электролита в каждой банке АКБ.

Нельзя допускать глубоких разрядов АКБ!

Плотность электролита должна быть не ниже 1,20г/см³. Уровень электролита должен быть на 10-15 мм выше верхнего края пластин. При необходимости долейте дистиллированную воду. Категорически запрещается доливать электролит, кислоту и другую жидкость, кроме дистиллированной воды! Если плотность электролита ниже допустимых значений, следует произвести зарядку АКБ до плотности электролита 1,27 г/см³ +0,01 г/см³ при температуре +25°С.

1.9.  Перед продолжительной стоянкой автомобиля (более 2 недель) АКБ необходимо отсоединить, полностью зарядить и хранить в прохладном и сухом месте.

Хранение АКБ в разряженном состоянии недопустимо!

Таблица зависимости степени заряженности АКБ и плотности электролита:

                               2. Зарядка АКБ

2.1.  При пониженной плотности электролита следует зарядить АКБ до восстановления необходимого значения плотности.

2.2.  Первоначальный ток зарядки должен составлять порядка 5% о ёмкости АКБ (например: для батареи емкости 60 А/ч ток зарядки должен быть не более 3 А).

2.3.  Зарядка ведётся до плотности электролита 1,27 г/см³ во всех банках АКБ.

2.4.  Во время зарядки все пробки АКБ необходимо вывернуть.

2.5.  АКБ, на которых пробки отсутствуют следует заряжать только автоматическим зарядным устройством со стабилизацией по напряжению до 16,2 В.

2.6.  Во избежание глубокого разряда и избыточного перезаряда АКБ контролируйте напряжение генератора Вашего автомобиля раз в 2 (два) месяца.

Контроль производится при работающем двигателе на холостом ходу с включёнными фарами дальнего света. При этом напряжении зарядки должно быть в пределах 13,8 В – 14,4 В.

2.7.  Допустимый ток утечки составляет 10 — 30 мА.

6 шагов Проверка уровня электролита в батареях

Обслуживание аккумуляторов — это тема, о которой часто забывают, особенно когда речь идет об автомобильных аккумуляторах .

Чаще всего, если вы открываете капот автомобиля, вы увидите аккумулятор, который называется аккумулятором с мокрыми ячейками. Это означает, что в нем есть вода или электролит, который используется в качестве соединителя между электродами батареи.

Эта вода реагирует на окружающую среду так же, как и вода в любом другом месте: она испаряется.

Чтобы продлить срок службы влажной аккумуляторной батареи, важно проверять уровень электролита и пополнять его по мере его снижения. К сожалению, это не так просто, как может показаться. К счастью, эти шесть шагов помогут упростить задачу.

Вы слышали это миллион раз, и это не потому, что мы любим это говорить. Это потому, что безопасность — это всегда первое, что вы должны учитывать при работе с аккумулятором.

Каждый раз, когда вы работаете с аккумулятором, вы должны принять некоторые меры предосторожности .Батарея может не только сильно встряхнуть, но и стать опасной при неправильном обращении.

Убедитесь, что у вас есть перчатки и защитные очки. Вы также можете отсоединить аккумулятор и вынуть его из машины, прежде чем начинать с ним возиться. Этот шаг — гораздо лучший вариант, чем создание потенциально опасной ситуации.

Есть много причин, по которым вы должны постоянно содержать верхнюю часть батареи в чистоте.Помимо нежелания загрязнять внутреннюю часть батареи после ее открытия, вы также уменьшите риск непреднамеренной разрядки.

Аккумулятор лучше всего чистить старой зубной щеткой или металлической щеткой, смоченной смесью пищевой соды и воды. Окуните кисть в смесь и удалите с нее любую грязь или коррозию. Протрите аккумулятор чистой тряпкой без ворса.

Прежде чем вы просто начнете заливать аккумулятор дистиллированной водой, вам нужно проверить уровень электролита, чтобы увидеть, нужно ли вообще доливать аккумулятор.

Вы можете сделать это по:

• Сначала снимите пластиковые крышки, закрывающие порты ячеек. Это может потребовать некоторого поддевания отверткой.
• После снятия крышек тщательно очистите всю грязь, которая могла скопиться под ними.
• Теперь, когда ячейки открыты, вы захотите проверить уровень электролита. Лучший способ узнать, нужно ли батарее больше электролита, — это обнажить пластины или приблизиться к ним. Другой способ узнать, не одинаковы ли уровни электролита в каждой ячейке.

В данном случае электролит означает просто дистиллированную воду. Вы не хотите добавлять воду в другой форме и уж точно не кислоту. Знание того, сколько добавить , также является важным отличием. Обычное практическое правило — добавлять достаточно воды, чтобы покрыть электроды или пластины.

Для новых полностью заряженных аккумуляторов можно безопасно добавить достаточное количество электролита, чтобы его уровень совпадал с нижней частью заливной трубки.

Теперь, когда уровни электролита долиты, установите на место крышки портов ячейки. Убедитесь, что на дно крышек нет грязи или пыли, чтобы предотвратить возможное загрязнение.

После того, как крышки будут закреплены, можно безопасно заменить батарею и повторно подключить кабели.

Теперь, когда аккумулятор очищен и электролиты восстановлены, попробуйте завести машину и даже немного покататься на ней.

Обратите внимание на общую производительность аккумулятора. Легко ли было начать? Можете ли вы выключить машину и снова запустить ее без проблем? Если нет никаких улучшений или аккумулятор не держит заряд, возможно, вам потребуется полностью заменить аккумулятор.

Правильное обслуживание аккумулятора может помочь сохранить максимальную производительность аккумулятора дольше. Вы даже можете сэкономить деньги, не заменяя батарею так часто. Попробуйте добавить уход за батареей в свой распорядок обслуживания.Это поможет вам отслеживать, как часто вам нужно будет пополнять уровень электролита, и подскажет, когда что-то только начинает идти не так.

Как ухаживать за свинцово-кислотными аккумуляторами

Знаете ли вы основную причину выхода свинцово-кислотных аккумуляторов из строя и потери емкости? Сульфатирование аккумулятора. Это причина этих проблем в 80% случаев. Но с правильными инструментами для обслуживания аккумуляторов и небольшими затратами времени вы вернете свои аккумуляторы к жизни и обеспечите их надежную работу.Узнайте все, что вам нужно знать об обслуживании аккумулятора.

Стартерные батареи, полутяговые батареи, тяговые батареи и даже стационарные батареи — все они нуждаются в техническом обслуживании, чтобы полностью раскрыть свой потенциал. Регулярно выполняйте три основные задачи по техническому обслуживанию, которые мы здесь описываем, чтобы оптимизировать производительность и надежность ваших свинцово-кислотных аккумуляторов.

Добавьте дистиллированную воду в свинцово-кислотную батарею

Жидкость в свинцово-кислотном аккумуляторе называется электролитом.На самом деле это смесь серной кислоты и воды. Когда аккумулятор заряжается, электролит нагревается, и часть воды испаряется. Во время процесса, называемого электролизом, вода распадается на газообразные водород и кислород, которые рассеиваются. Результат? Уровень электролита в аккумуляторе со временем снижается.

Если уровень электролита слишком низкий, пластины аккумуляторных элементов обнажатся и будут повреждены. Кроме того, серная кислота будет более концентрированной. Это означает, что вам необходимо заменить электролит.Вот как вы это делаете.

1. Проверьте уровень воды в аккумуляторе с помощью индикатора уровня

Как узнать, когда нужно долить воду в аккумулятор? Это один из самых частых вопросов, которые нам задают. Вы можете постоянно проверять свою батарею или каждую батарею в каждой машине в вашем парке, но это ужасно трудоемко, и есть более простые подходы. Индикаторы специально разработаны для проверки уровня воды в аккумуляторе. Они уведомят вас, когда вам нужно зарядить аккумулятор.

Доступны разные системы. Один из них — Smartblinky. Вы устанавливаете его за вилкой аккумулятора. Есть ли зеленый свет? Ваш уровень электролита в порядке. Когда индикатор загорится красным, вы поймете, что пора добавить воды в аккумуляторные батареи.

Вы добавляете воду в аккумулятор до или после зарядки? Перед зарядкой всегда убедитесь, что электролит покрывает пластины аккумулятора. Если пластины закрыты, зарядите аккумулятор, а затем долейте при необходимости. Это связано с тем, что электролит расширяется во время зарядки и, скорее всего, выльется через край, если вы уже долили его перед зарядкой.

2. Убедитесь, что у вас всегда под рукой дистиллированная вода.

Никогда не заливайте в аккумулятор обычную воду. Это повредит вашу батарею. Вам нужно использовать дистиллированную воду. Она также известна как деионизированная вода и деминерализованная вода. В основном это вода, прошедшая фильтрацию для удаления металлов и минералов, которые могут помешать процессам в вашей батарее.

Купите дистиллированную воду в строительном магазине или у специалиста по автомобильным запчастям. Также легко сделать самому. Вам нужна простая водопроводная вода и устройство для деминерализации, такое как Hydropure.Самые простые из этих устройств заполнены смолой. Вы впускаете водопроводную воду, смола отфильтровывает металлы и минералы из воды, и у вас остается деионизированная, деминерализованная, дистиллированная вода, которая подходит для использования с вашей батареей.

3. Установить автоматическую систему заливки воды в аккумуляторную батарею

Сколько дистиллированной воды вы добавляете в аккумулятор? Это еще один вопрос, который нам часто задают. Ответ варьируется от одной батареи к другой. Это одна из причин, по которой мы рекомендуем использовать систему наполнения аккумулятора водой.

В системе заливки воды в аккумуляторной батарее используются крышки заливных горловин с поплавками, которые соединяются друг с другом с помощью водяных шлангов. Они предохраняют аккумулятор от переполнения. И они экономят ваше время. Все, что вам нужно сделать, это налить в шланг дистиллированную воду. Все остальное сделает система розлива.

Свинцово-кислотная батарея выравнивания

Вторая задача при обслуживании аккумулятора — зарядка. Очень важно, чтобы батареи заряжались равномерно.

Чем больше вы используете аккумулятор, тем больше может колебаться емкость различных ячеек.Одна ячейка может быть полностью заряжена, а другая — наполовину. В этом случае аккумулятор не будет заряжаться полностью.

Мы советуем использовать выравнивающее зарядное устройство аккумулятора для выполнения выравнивающего заряда. Выравнивание заряда батареи — это простой процесс, который предотвращает это. Зарядное устройство для аккумулятора обеспечивает более низкий ток в течение более длительного периода времени. В то время как типичный цикл зарядки длится около восьми часов, стабилизация занимает около одиннадцати часов. Поскольку он также требует более длительного времени охлаждения, чем обычный цикл зарядки, лучше всего выполнять выравнивающий заряд на выходных, чтобы у вас было достаточно времени для зарядки и охлаждения аккумулятора перед его повторным использованием.

Что делать, если ваша батарея уже страдает от сульфатации? К счастью, сульфатирование можно контролировать и даже уменьшать. Просто пошлите через батарею большие кратковременные токи. Этот процесс называется восстановлением аккумуляторной батареи.

Держите аккумулятор в чистоте

И последнее, но не менее важное: очень важно содержать аккумулятор в чистоте.

Известно, что кислота, грязь и пыль в батарее вызывают токи утечки, которые вызывают разряд батареи и выходят из равновесия.Чистая батарея необходима. Как лучше это сделать? Используйте пароочиститель для аккумуляторов, например AQ steam или AQ steam pro.

У вас есть вопросы по любой из этих задач по обслуживанию аккумуляторных батарей? Хотите знать, какие продукты лучше всего подходят для обслуживания свинцово-кислотных аккумуляторов? Вы найдете ответы — и все остальное, что вам нужно знать — в нашем профессиональном руководстве по обслуживанию аккумуляторов. Нажмите на кнопку, чтобы посмотреть его в Интернете.

Загрузите нашу инструкцию по обслуживанию аккумулятора

Для использования этой формы у вас должен быть включен JavaScript.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Электролит для аккумуляторов — обзор

Введение

Разработка новых материалов для хранения энергии играет решающую роль в переходе к чистой и возобновляемой энергии. Однако улучшение характеристик и долговечности батарей происходило постепенно из-за отсутствия понимания как материалов, так и сложности химической динамики, происходящей в рабочих условиях [1]. Как правило, для проверки химического или физического свойства проводятся экспериментальные испытания с обширным набором параметров.К сожалению, эти повторяющиеся экспериментальные и теоретические исследования характеристик часто отнимают много времени и неэффективны, потому что значительный прогресс обычно требует сочетания химической интуиции и интуитивной прозорливости. Таким образом, эти подходы не могут охарактеризовать миллионы материалов, необходимых для определения даже небольшого подкласса идеальных кристаллических материалов, не говоря уже о более сложных структурах, обнаруженных в электрохимических ячейках [2]. Эта так называемая методология разработки с «разомкнутым циклом» приводит к длительным временным рамкам для открытия новых материалов для аккумуляторов, часто более десяти лет, чтобы вывести новую формулировку на рынок.

В последнее десятилетие расчеты из первых принципов, особенно те, которые основаны на более экономичных приближениях, таких как теория функционала плотности (DFT) [3,4], теперь надежно автоматизированы [5–7] для высокопроизводительного прогнозирования свойств. через огромное количество материалов. Эти методы использовались в успешных разработках материалов, таких как щелочно-ионные батареи [8–10], для определения перспективных твердотельных литий-ионных проводников для аккумуляторных электролитов [11], а также для других материалов [12–15]. ].Ожидается, что на основе этих усилий дизайн материалов, управляемый вычислениями, приведет к открытию новых материалов и значительно сократит время и стоимость разработки материалов [16] за счет расширения и развития методов машинного обучения (ML).

ML — это отрасль искусственного интеллекта, которая демонстрирует хорошую применимость для классификации, регрессии и других задач, связанных с многомерными данными. Направленный на извлечение знаний и понимание из больших баз данных, ML учится на предыдущих вычислениях для получения надежных, повторяемых решений и результатов [17,18].Благодаря быстрому развитию подходов, основанных на данных, которые сочетают мудрость экспертов с мощными моделями машинного обучения, ученые начинают использовать человеческую интуицию при проведении научных исследований. Ученые и инженеры теперь могут реалистично моделировать свойства и поведение материалов в конкретных энергетических приложениях.

ML уже продемонстрировали свою замечательную способность в разработке новых кристаллических твердых материалов с быстрой монокристаллической литий-ионной проводимостью при комнатной температуре [19].Моделирование DFT с помощью методов на основе ML показало, что поиск с помощью ML в 2,7 раза более вероятно обнаружил быстрые литий-ионные проводники, при этом, по крайней мере, в 44 раза улучшилось среднее логарифмическое значение литий-ионной проводимости при комнатной температуре и 1000-кратное увеличение скорости обнаружения кандидатов методом проб и ошибок (рис. 1). Подобные методы впервые позволяют перейти от традиционных методов исследования с «разомкнутым контуром» к гораздо более эффективному методу «замкнутого цикла», который прокладывает путь к инверсному дизайну материалов (Таблица 1).

Рис. 1. Сравнение времени вычислений и точности для алгоритма машинного обучения, людей-экспертов и случайных предположений. Алгоритм работает так же хорошо, как и лучшие люди, но с более высокой скоростью, что позволяет быстро проверять миллионы материалов-кандидатов [2].

Таблица 1. Сводка методов машинного обучения, применяемых к материалам для хранения энергии.

HOMO, самая высокая занятая молекулярная орбиталь; НСМО, низшая незанятая молекулярная орбиталь; QANN, квантовая искусственная нейронная сеть.

Дизайн с обратным материалом эффективно инвертирует текущий процесс проектирования, позволяя желаемым целям производительности определять состав и структуру, которые лучше всего соответствуют этим целям, без предварительного определения исходного материала или структуры [20–26].Крайне важно, что машинное обучение будет играть ключевую роль в разработке батарей, помогая инверсному проектированию, поскольку их вычислительные стратегии будут продолжать автоматически улучшаться с учетом опыта [27]. Методы кластерного расширения [28] в настоящее время широко используются для изучения беспорядка в материалах электродов, в нейронных сетях, которые систематически повышают надежность моделирования молекулярной динамики [29]. Вероятностные модели, основанные на данных, теперь могут сузить круг вероятных кандидатов, разработанных для конкретных приложений, из химического пространства, содержащего более 10 ⁶⁰ возможных молекул.Генеративные модели производят большое количество молекул-кандидатов, которые потребуют лабораторного синтеза для подтверждения результатов моделирования, требующих автоматизации синтеза, также на основе машинного обучения и робототехники. Эти формы автоматизации позволят ученым-исследователям сократить время, затрачиваемое на дорогостоящие, интуитивно понятные и повторяющиеся синтезы. Даже с текущими базами данных, полученными в результате предыдущих лабораторных экспериментов, у ученых уже есть достаточно данных, чтобы производить целевые молекулы по сравнению с неуправляемым подходом «разомкнутого цикла».

Онлайн-состояние заряда и состояние аккумулятора теперь можно прогнозировать с помощью моделей машинного обучения каждый раз, когда аккумулятор подвергается циклам зарядки / разрядки, что имеет решающее значение для долговечных и безопасных электромобилей. Раннее обнаружение неадекватной работы также способствует своевременному обслуживанию аккумуляторных систем [30–33]. Модели глубокого генеративного обучения способны отображать лежащее в основе распределение вероятностей как структуры, так и свойств и связывать их нелинейным образом, позволяя этим моделям фильтровать характерные особенности, присущие определенным молекулам [34,35].Методы машинного обучения недавно были применены для описания архитектуры, свойств и производительности литий-ионных аккумуляторов [36].

Эти результаты частично объясняются постоянно растущими базами данных атомных структурных данных, необходимых для вычислений DFT, а также значительными улучшениями в вычислительных ресурсах, которые открывают путь для поэтапного изменения методов исследования [38]. Meredig et al. [38] показали, что их подход к скринингу материалов, основанный на данных ML, позволил изучить правила химии из DFT, сделать точные энергетические прогнозы для новых составов при меньших на шесть порядков вычислительных затратах и, кроме того, не требовать знания кристаллической структуры.Эти методы сейчас применяются для прогнозирования емкости Li в аккумуляторах. Wang et al. [37] показали, как вычислительный анализ может предложить новые материалы, такие как новый катодный материал, содержащий ванадий, который, по прогнозам, превосходит емкость накопления энергии обычных литий-железо-фосфатных катодов примерно на 10% (рис. 2). Материал был синтезирован и вел себя так, как предсказывали модели машинного обучения.

Рис. 2. Смоделированный кристаллический каркас ванадийсодержащего катодного материала для усовершенствованных аккумуляторов [37].Атомы лития, показанные зеленым цветом, вложены в каркас. С тех пор состав был синтезирован и выполнен в соответствии с предсказаниями моделей.

Моделирование структур и свойств конкретных электродных материалов, понимание механизмов заряда / разряда в атомном масштабе и разработка рациональных, «замкнутых» стратегий проектирования материалов электродов, а также электролитов, находятся в стадии разработки. Подробный обзор моделирования и теоретических расчетов по серным катодам, кислородным катодам, анодам из металлического лития и твердотельным электролитам литий-металлических батарей можно найти в исследовании Fan et al.[39].

Эра больших данных уже наступила с экспериментами на крупномасштабных установках, таких как синхротроны, генерирующие огромные скорости передачи данных. Сочетание больших данных с машинным обучением уже является важнейшим приоритетом исследований. Вопросы, связанные с хранением, управлением и анализом больших объемов данных, представляют собой сложные проблемы, которые необходимо решать. Платформы управления данными жизненно важны, потому что контролируемые модели машинного обучения обычно требуют больших объемов надежных обучающих данных для построения надежных моделей [40,41], поскольку существующие экспериментальные данные и данные будущих экспериментальных усилий по-прежнему охватывают лишь часть стабильных химических комбинаций, которые могут быть обнаружены в природе .

Разработка общих платформ для управления и обмена данными необходима, чтобы дать импульс для ускорения обнаружения и проектирования материалов. Передовые методы определения характеристик материалов с их постоянно растущими возможностями сбора и хранения данных представляют собой проблему в современном материаловедении, и необходимы новые процедуры для быстрой оценки и анализа собранных данных, чтобы вывести на рынок новые энергетические решения за меньшее время [ 42]. В настоящее время большие высококачественные открытые базы данных вычисленных свойств материалов, такие как Materials Project [15], Open Quantum Materials Database [43] и репозиторий AFLOW, быстро растут и помогают отображать обширные области химического пространства.Также создаются базы данных и библиотеки для аккумуляторных электролитов [44], которые будут использоваться в будущем для быстрого создания электролитов следующего поколения. Европейское крупномасштабное исследование «Battery 2030+» недавно определило создание «генома интерфейса батареи» и «платформы ускорения материалов» в качестве важных вех на пути к ускоренному открытию сверхвысокопроизводительных батарей [45]. В одном из крупнейших собраний молекул химический космический проект [46] нанес на карту 166.4 миллиарда молекул, содержащих не более 17 тяжелых атомов.

В ближайшем будущем мы можем ожидать огромного роста этих новых баз данных и библиотек, что, в свою очередь, увеличит предсказательную силу машинного обучения. Следует отметить важное событие — это совместная работа Стэнфорда и Google Brain, в которой исследователи демонстрируют новый подход к переносу физических данных на более общие дескрипторы, полученные из физических уравнений, что позволяет им проверять миллиарды неизвестных составов на предмет литий-ионной проводимости с использованием точной обученной модели. с физическим пониманием для создания большой базы данных из небольших данных [47].Центральное место в методологиях машинного обучения, применяемых в химических науках, занимает представление молекул. Эти представления, которые кодируют соответствующую физику и химию, будут, как правило, лучше обобщаться по мере продвижения исследований, что позволяет еще быстрее проверять материалы. Несмотря на значительный прогресс, предстоит еще много работы. Графические и иерархические представления молекул — это область, требующая дальнейшего изучения [48].

Наконец, необходим доступ к вычислительной инфраструктуре для проведения этих симуляций.Во всем мире новые центры искусственного интеллекта разрабатываются или уже работают, чтобы оказывать всестороннюю помощь ученым и учреждениям, стремящимся объединить методы машинного обучения в своих исследованиях. Сочетание крупных исследовательских институтов и мощной инфраструктуры машинного обучения значительно ускорит разработку материалов в ближайшие годы и позволит ведущим технологическим компаниям принять участие в развитии фундаментальных научных исследований, а также будет стимулировать новое экономическое развитие.

«Повышение уровня электролита» повышает производительность двухионных аккумуляторов на водной основе

Широкое распространение возобновляемых источников энергии в электросетях требует правильного типа аккумулятора — безопасного, экологичного, мощного, долговечного и изготовленного из материалов, которые имеются в изобилии и получены из этичных источников.

Благодаря ученым из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) , мы можем быть на один шаг ближе к реализации этого видения.

В сотрудничестве с коллегами из Аргоннской национальной лаборатории и Исследовательского центра батарей MEET при Мюнстерском университете в Германии, материаловед из PNNL и выдающийся научный сотрудник Линус Полинг Исмаэль Родригес Перес сформулировал новый тип химии ячеек для двухионных батарей ( DIB). В новой химии DIB, называемой водной двойной ионной батареей на основе графита и цинка, используются цинковый анод и катод из природного графита в водном электролите, или «вода в бисоле».

Успешное использование графитового катода в водном электролите

Использование водных электролитов не новость, равно как и использование графита. Фактически, в литий-ионных (Li-ion) батареях в качестве анодного компонента используется графит, а в неводных DIB графит используется как в качестве анода, так и катода. Что нового, так это объединение этих двух в новую химию.

Для этого Родригес Перес и его команда усилили водный электролит, используя высококонцентрированный раствор «вода в бисоле».Раствор расширяет окно электрохимической стабильности электролита и делает возможным использование графита в качестве катодного материала в практической водной системе, что ранее считалось невозможным. Это помогает стабилизировать электролит при высоких напряжениях, позволяя графиту электрохимически окисляться перед водным электролитом.

«Это просто большая смесь действительно крутых вещей, — сказал Родригес Перес. «Концентрация солевых ионов настолько невероятно высока, что кажется, что воды больше нет.Таким образом, водный электролит не разлагается под напряжением, как обычно, что позволяет использовать графит. Это самый удивительный результат ».

Родригес Перес опирается на предыдущие исследования, проведенные Кан Сюй из Исследовательской лаборатории армии США и Чуншенг Ван из Университета Мэриленда, которые впервые разработали эти высококонцентрированные водные электролиты в 2015 году.

Батарея показала многообещающую производительность во время тестирования. Приблизительно в 2.От 3 до 2,5 вольт, он обеспечивает один из самых высоких рабочих потенциалов среди всех водных аккумуляторов.

«Мы работаем при более высоком напряжении, чем любые другие водно-цинковые батареи, а также любые другие водные двух-ионные батареи», — добавил Родригес Перес.

Родригес Перес и его сотрудники описали новый тип химии аккумуляторных элементов в статье «Использование природного графита в высоковольтных водно-графитовых двухионно-металлических батареях с цинком», опубликованной прошлой осенью в журнале Advanced Energy Materials.

Более безопасные и экологичные батареи

Но новый химический состав элементов не только улучшает характеристики батареи, но и способствует защите окружающей среды.

Катоды, изготовленные из материалов на основе углерода, в большом количестве, таких как природный графит, менее затратны и более устойчивы, чем экологически вредные, дефицитные и дорогие металлы, такие как никель и кобальт, которые регулярно используются в литий-ионных батареях. Использование водного электролита также делает DIB более безопасными, поскольку они негорючие по сравнению с коммерческими литий-ионными батареями, в которых используются исключительно неводные электролиты.

«При исследовании аккумуляторов мы пытаемся достичь нескольких результатов, которые имеют решающее значение для роста и внедрения рынка», — сказал Родригес Перес. «Мы хотим использовать более доступные, менее дорогостоящие и более экологичные материалы, а самое главное — увеличить срок службы батареи и сохранить умеренную плотность энергии».

«Химический состав элементов из графита || металлического цинка со специально разработанным водным электролитом может продемонстрировать преимущества в отношении стоимости, устойчивости и безопасности по сравнению с литий-ионными аккумуляторами из-за используемых материалов», — объясняет Тобиас Плакке, руководитель группы материалы в Исследовательском центре батарей MEET.

В DIB положительный катод и отрицательный электрод могут быть изготовлены из недорогих углеродных материалов, таких как графит. Это делает DIB особенно многообещающим решением для поддержки повсеместного внедрения возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнце, для энергосистемы.

Но до сих пор использование графита в качестве катода ограничивалось узкой электрохимической стабильностью воды, которая достигает значения 1,23 вольт. Окно электрохимической стабильности — это диапазон потенциалов, в котором электролит не окисляется и не восстанавливается (разлагается), и является важной мерой для измерения эффективности электролита, контактирующего с электродом.Графит потребует гораздо более широкого окна стабильности.

И это именно то, что делает эта новая химия клетки.

Захватывающий потенциал для стационарного хранения энергии в сети

Механизм DIB делает его особенно привлекательным вариантом для электросети.

Вообще говоря, каждый аккумуляторный элемент состоит из трех основных частей: положительного электрода, называемого катодом, отрицательного электрода, называемого анодом, и электролита. В литий-ионных батареях энергия генерируется, когда ионы лития (положительно заряженные ионы или катионы) текут от катода к аноду и обратно в качалке через электролит.Это уравновешивает заряд, когда электроны проходят через внешнюю цепь от катода к аноду, создавая электричество.

В DIB как катионы, так и анионы (отрицательно заряженные ионы) активны и движутся параллельно от электролита к аноду и катоду, соответственно, подобно гармошке; это позволяет использовать потенциально мощные приложения, такие как суперконденсаторы, при этом можно использовать умеренно высокую энергию, например батареи.Кроме того, этот механизм делает ионы в электролите активными, что позволяет дополнительно оптимизировать аккумулятор.

Но есть над чем поработать. DIB по-прежнему работают примерно на треть от емкости литий-ионных аккумуляторов, поэтому они пока не могут конкурировать. Литий-ионные аккумуляторы по-прежнему обладают одной из самых высоких плотностей энергии среди всех сопоставимых систем, что означает, что они могут обеспечивать значительное количество энергии и при этом оставаться небольшими. Это преимущество — одна из основных причин их использования в мобильных приложениях, таких как смартфоны и электромобили.

Но Родригес Перес видит решение этой проблемы: увеличивать DIB в три раза.

«Если мы сможем достичь достаточно высокого напряжения для аккумулятора, даже если производительность будет ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, мы сможем увеличить размеры двухионных аккумуляторов и сделать их подходящим кандидатом для приложений хранения энергии в сети», — сказал Родригес. Перес. «Хотя вы, возможно, не сможете использовать его для питания своего телефона, местное коммунальное предприятие может использовать его для хранения энергии для вашего дома, стабилизации сети и повышения надежности.”

Яркое будущее для двойных ионных батарей

Международный союз теоретической и прикладной химии включил DIB в список «Десять новых технологий в химии 2020», чтобы признать их потенциал в решении «основных глобальных проблем» в будущем.

Продолжение развития науки, лежащей в основе аккумуляторных батарей для сетевой энергии, может дать новые подходы и новый химический состав элементов и приблизить нас к широкому распространению возобновляемых источников энергии для электросетей.

Именно этим и намерены заниматься Родригес Перес и его команда в PNNL. Следующий шаг включает оптимизацию водного электролита «вода в бисоле» — в настоящее время соль, используемая в химии электролизера, дороже, чем оба электрода.

«PNNL находится на первом этаже с этой многообещающей технологией», — сказал Родригес Перес. «В двойных ионных батареях так много возможностей для инноваций».

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 высокое рабочее напряжение 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 было приложено много усилий для разработки батарей из металла K, 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 с соавторами 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 позволяет получить удельная емкость до ∼110 мАч г ⁻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 g ⁻¹ при 50 мА g ⁻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) комнатной температуры по своей природе негорючие и потенциально могут уменьшить проблемы с безопасностью аккумуляторной батареи. На данный момент существует только один отчет об электролите IL для полностью заряженной батареи K-металла, содержащего 0,5 M бис (трифторметилсульфонил) имида калия (KTFSI) и 1-метил-1-пропилпирролидиния TFSI (Py ₁₃ TFSI), демонстрирующих ионную проводимость 2,1 мСм см ⁻¹ при 25 ° C (23). Это обеспечило обратимое покрытие / снятие K-покрытия при очень низкой плотности тока 6.4 мкА см ⁻² , и обеспечивала низкую удельную емкость всего 16−38 мАч г ⁻¹ для K meta-K ₂ Ni _2-x Co _x TeO ₆ батарей при Скорость 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 фазы 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 буфером KCl с добавлением двух важных добавок, то есть дихлорида этилалюминия (EtAlCl ₂ ) и КФСИ.Электролит показал самую высокую ионную проводимость ~ 13,1 мСм · см ^-1 по сравнению с предыдущими органическими электролитами и электролитами IL, что позволяло осуществлять обратимое нанесение / снятие K-покрытия на Ni в течение ~ 200 циклов. Мы также разработали берлинскую лазурь, легированную кобальтом, на листах 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 также максимальную плотность энергии и мощности 381 Вт · ч · 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 цикличности металлических батарей K.

Результаты и обсуждение

Буфер KCl AlCl

Хлоралюминатные ИЖ, содержащие AlCl ₃ и ([EMIm] Cl), представляют собой классическую систему ИЖ-электролитов с негорючестью, нелетучестью, низкой вязкостью, высокой проводимостью и высокой термической стабильностью (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.g., 1,2 для получения кислой ИЖ при комнатной температуре (обозначаемой как «1,2 AlCl ₃ / [EMIm] Cl электролит») с последующей буферизацией до нейтральности путем добавления избытка KCl (обозначается как «забуференный 1,2 AlCl _3»). / [EMIm] Cl электролит »). Затем были добавлены две ключевые добавки, т. Е. EtAlCl _2, и KFSI, чтобы получить конечный хлоралюминатный IL с буфером KCl (называемый «забуференный K-Cl-IL») электролита (рис. 1 A и см. Приложение SI , 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 ^— видов в ИЖ через реакции [ 1 — 3] были исследованы 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 Al ₂ Cl ₇ ^— пиков (309 и 430 см ⁻¹ ) и упрочнение 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 нерастворенным KCl, образуя 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.

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, то есть 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 при контакте 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 IL 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 забуференного аналога Na-Cl-IL (29, 31).

Термостабильность нашего буферного 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 выполняли в ячейке из фольги K-Ni с использованием буферного электролита K-Cl-IL при плотности тока 0,5 мА · см ^-2 и продолжительности покрытия 30 мин, достигая CE ∼94,2% ( SI Приложение , рис. S2). В отсутствие добавки KFSI не наблюдалось покрытия / 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 с последующим коротким замыканием и быстрым распадом 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 структура с открытым каркасом 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 , характеризуемые 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 циклов 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 Mn ³⁺ / Mn ²⁺ и Co ³⁺ / Co ²⁺ смешанному восстановлению 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 работе 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 сайт 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 увеличенную 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 термостабильностью 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 .

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 г ^-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 включали в цикл 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 полученный аккумулятор показал 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 г ^-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, образованного 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 5,5 мг / см ^-2 батарея показала удельную емкость 99 мАч / г ^-1 при 25 мА · г ^-1 . Приблизительно 87% начальной емкости могло 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% CE, несмотря на постоянное снижение емкости из-за ограниченного источника K ( 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. (Рис.3 В ). Батарея K-metal-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.

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-металл-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 .

K Батарея: между фазами твердого электролита и между фазами катода и электролита.

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 не наблюдалось в этом состоянии ( SI Приложение , рис. S18, A и B ). Кроме того, осаждение K на подложке Ni не продемонстрировало 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 г ^-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 в других щелочно-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 также было идентифицировано на пиках Al 2p ∼74,4 и ∼72,7 эВ, соответственно, из-за реакций металла K, анионов FSI и хлоралюминатов ( 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 аноде K ( 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 / снятия в буферном электролите K-Cl-IL в диапазоне температур.

Межфазный катод-электролит (CEI) в батарее одинаково 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 свидетельствует о реакциях хлоралюмината и анионов FSI на катоде во время 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 ( СИ 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 ).

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 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 линейки, 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 от батареи K металл-KMCFC @ rGO, циклически меняющейся при 100 мА г ^-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 образован 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, использующих электролит 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, позволял осуществлять обратимые процессы K-покрытия / снятия изоляции , 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 металла K-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 60 ° C, близкой к температуре плавления K-металла, батарея демонстрирует приемлемую стабильность при циклических нагрузках с достигнутым высоким значением CE (∼99,7%) (рис. 3 C ). Это было захватывающим достижением для высокотемпературных батарей из металла K.

Наконец, катодный материал KMCFC @ rGO имел кобальт, образующий дыры в валансной полосе для баланса заряда, что приводило к увеличению 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.

Производство электролита для литий-ионных аккумуляторов в Леверкузене, Германия

LANXESS выходит на рынок химии аккумуляторов, сотрудничая с Guangzhou Tinci Materials Technology Co.(Tinci), ведущий мировой производитель материалов для литий-ионных аккумуляторов. Уже со следующего года LANXESS будет производить составы электролитов для литий-ионных аккумуляторов по разрешению китайской компании.

Электролит отвечает за транспортировку ионов лития в аккумуляторном элементе и, таким образом, является ключевым компонентом литий-ионных аккумуляторов. Высокоэффективные составы электролитов из Леверкузена позволят Tinci стать внутренним поставщиком для производителей аккумуляторных элементов в Европе.

Для производства LANXESS будет использовать высокотехнологичный завод, управляемый дочерней компанией Saltigo, ведущим мировым производителем нестандартных изделий. На этом заводе электролиты могут быть приготовлены в соответствии с самыми высокими требованиями к качеству. Saltigo привнесет в партнерство свой обширный химический опыт, в то же время продолжая расширять свой опыт в области производства электролитов.

«Подъем электронной мобильности ускоряется. В настоящее время в Европе строятся многочисленные новые заводы по производству аккумуляторных элементов.Этот быстрорастущий рынок также предлагает LANXESS большие возможности, особенно в области химии аккумуляторов. Мы уже производим много сырья для производства аккумуляторов. Сотрудничество с Tinci — еще один шаг к утверждению нас на этом рынке », — сказал Анно Борковски, член правления LANXESS.

Tinci — один из ведущих мировых производителей электропроводящих солей и электролитов, владеющий тремя производственными площадками для составов электролитов в Китае и еще тремя строящимися площадками.

Широкий ассортимент решений для аккумуляторной техники

LANXESS уже производит множество химикатов и материалов, важных для производства аккумуляторных элементов. Например, специализированная химическая компания является одним из ведущих производителей фтористоводородной кислоты и фосфорных химикатов в Европе. Оба являются ключевым сырьем для производства высокочистой проводящей соли гексафторфосфата лития (LiPF6). В США Группа также работает над коммерческим извлечением лития аккумуляторного качества, важного сырья для производства катодных материалов и проводящих солей.Литий должен быть извлечен экологически безопасным способом из рассола, используемого для извлечения брома на предприятии LANXESS в Эльдорадо, Арканзас, США.

LANXESS делает ставку на новую мобильность

LANXESS видит большие возможности для роста на рынке новых мобильных устройств. Таким образом, в 2020 году LANXESS выступил с инициативой Группы по электронной мобильности и экономике замкнутого цикла. «С помощью этой инициативы мы объединяем важные будущие темы, в которых мы видим стратегический потенциал LANXESS. Наша цель — разработать устойчивые бизнес-модели, создающие ценность, на основе новой мобильности и экономики замкнутого цикла.В этом отношении сотрудничество с Tinci является многообещающим проектом », — сказал Филипп Юнге, руководитель инициативы LANXESS.