Сколько доливать дистиллированной воды в аккумулятор

Если не следить за уровнем электролита — начинается преждевременное разрушение пластин аккумулятора. При этом перелить воду тоже нельзя — тогда падает емкость батареи, а зимой вообще появляется риск замерзания электролита.

Доливать дистиллированную воду нужно на уровень 1,5-2 сантиметра выше края пластин или на 0,5 см над специальным индикатором (“язычков”). Цель — после заливки воды и зарядки батареи добиться плотности электролита АКБ на уровне 1,27 г/см³.

А вы знаете правильный уровень электролита в аккумуляторе, как его определять, как поддерживать на нужном уровне, что доливать и как это делать? Нет — тогда читайте статью.

Содержание

Зачем поддерживать уровень электролита в аккумуляторе?

Поддерживать норму уровня электролита в аккумуляторе, а соответственно и количество дистиллированной воды, необходимо во всех обслуживаемых кислотных АКБ. Делают это по двум причинам.

Состав воды и серной кислоты у свинцово-кислотных батареях

Электролит свинцово-кислотных батарей состоит на 65% из воды и на 35% из серной кислоты. В процессе работы аккумулятора, при перезарядке, электролит может закипать. Этот процесс усиливается когда на улице или под капотом слишком высокая температура. Кислота нелетучая и практически не испаряется. А вот вода, при сильном электролизе, как раз таки испаряется особенно активно. В результате падает уровень электролита, нарушается пропорция воды и кислоты из-за чего растет его плотность.

Есть и другой фактор. В процессе работы (при разрядке) аккумулятора, во время химических реакций, кислота отдает свинцу свой радикал SO4 с образованием PbSO4 (сульфат свинца) который частично оседает на пластинах аккумулятора. И если выкипание было не особенно сильным (например, зимой), то уровень электролита еще в норме, а вот плотность снижается, потому что воды больше чем кислоты. Проблема решается зарядкой батареи — во время этого процесса частицы кислоты “отваливаются” от пластин и возвращаются в электролит.

Нормальная плотность электролита составляет 1,27-1,28 г/см³ (в северных регионах допускается 1,29 г/см3, а в южных 1,25 г/см3). Именно такой показатель соответствует формуле “65 на 35”. Когда вода выкипает, плотность и доля кислоты растет. Что будет, если это не исправить?

Во-первых, переизбыток кислоты в электролите приводит к ускоренному износу пластин аккумулятора. Во-вторых, если совсем не добавлять воду, в электролите остается одна кислота, которой не хватит даже для того, чтобы полностью покрыть пластины АКБ. В итоге они начнут просто осыпаться и разрушаться.

Поэтому очень важно поддерживать правильный уровень дистиллированной воды в аккумуляторе — таким образом вы возвращаете электролит в нормальное состояние и обеспечиваете эффективную работу батареи. Проверку этого параметра стоит делать приблизительно каждые 10-15 тысяч километров.

Иногда батареи, которые производитель декларирует как необслуживаемые, такими не являются. Просто пробки банок скрыты под наклейкой с этикеткой АКБ. Достаточно ее снять, открыть банки, долить воду до нормы и продлить жизнь своей батарее.

Если у вас действительно необслуживаемая батарея, у которой нет пробок, мы не рекомендуем вам сверлить в ней отверстия или проводить другие манипуляции для того, чтобы долить туда воду и продлить им жизнь. Необслуживаемые батареи выполнены по несколько иной технологии, которая не предусматривает сильного испарения воды и такая процедура в регламенте обслуживания не предусмотрена.

Нужно доливать воду или электролит?

В аккумуляторную батарею всегда доливается только дистиллированная вода , за исключением случаев с заменой электролита или поднятия в нем плотности, если было нарушено его соотношение.

Для периодического обслуживания АКБ всегда нужно доливать только дистиллированную воду. Потому что при нормальном функционировании аккумулятора из электролита выкипает только вода и его плотность растет. Устраняется проблема понижением плотности доливая воду.

Доливка электролита может понадобиться только если его плотность сильно снижена. А это означает, что с аккумулятором возникли проблемы. Например, произошла утечка жидкости через трещины. Тогда нужно запаять корпус и долить готовый электролит правильной плотности. Также снижение плотности может быть признаком сильной сульфатации пластин, но в таком случае доливка электролита будет просто не очень эффективным способом продлить ему жизнь.

Долго он уже все равно не прослужит, потому что процесс сульфатации практически необратим. Последний случай необходимости долива электролита — активный перезаряд батареи. Это тоже требует устранения самой причины, а не только следствия.

Как проверить уровень электролита в аккумуляторе?

Пример кислотной батареи со встроенным индикатором, показывающий уровень электролита

Узнать какой уровень электролита в аккумуляторе можно тремя способами. В двух случаях снимать АКБ с автомобиля не нужно. Ведь прежде чем замерять, следует присмотреться к самой аккумуляторной батарее.

Во-первых, некоторые обслуживаемые автомобильные кислотные батареи имеют специальный индикатор. Он показывает несколько её состояний: нормальное, низкий уровень электролита (нужно долить воду), низкая плотность электролита (требуется зарядить). Во-вторых, у некоторых батарей с белым или светлым корпусом есть отметки MIN и MAX. Такие АКБ позволяют оценить уровень электролита на глаз, благодаря относительной прозрачности корпуса.

Но чаще всего уровень электролита определяют методом визуального осмотра. Для этого батарею снимают с автомобиля, откручивают крышки с “банок” и смотрят внутрь. Нормальный или пониженный уровень можно определить двумя способами.

Какой уровень электролита в аккумуляторе нормальный

Как доливать дистиллированную воду, когда отсутствует отметка уровня

В некоторых АКБ есть специальные индикаторы-”язычки”. Они должны быть покрыты электролитом на 0,5 сантиметра, но не больше. Если же таковых нет, то ориентируйтесь по погруженности пластин в жидкости. Нормальный уровень электролита должен быть на 15-20 миллиметров выше края пластин. Если пластины не покрыты — это очень плохо, критически низкий уровень электролита следует немедленно восстановить. Но чтобы понять, что лить, воду или кислоту, и сколько нужно доливать, следует измерить точный уровень и плотность электролита!

Как и чем измерить

Чтобы определить сколько жидкости в аккумуляторе используют специальные стеклянные мерные трубки из еще советских “наборов аккумуляторщика”. Или можно взять корпус обычной прозрачной пластиковой ручки. Сделайте на одном краю отметку на уровне 2 сантиметра от края (насечкой или маркером). Вставляете трубку/ручку в банку, зажимаете верхний край, чтобы перекрыть воздух и поднимаете вверх. Теперь оцениваете визуально уровень жидкости — насколько он ниже 2 сантиметров.

Язычок, измеряющий уровень электролита

Проверка уровня электролита линейкой

Наглядный пример, как измерить электролит при помощи ручки

При осмотре вы можете заодно оценить состояние электролита. Он обязательно должен быть прозрачным. Если жидкость мутная или темная — значит в батарее начались разрушительные процессы и дальнейшие манипуляции не имеют смысла. АКБ нужно заменить.

Измерить плотность электролита можно как ареометром (используется чаще всего) так и рефрактометром. Приобрести его можно в большинстве магазинов автотоваров и он пригодится для оценки качества не только этой, но и других жидкостей автомобиля.

Чтобы измерения были точными проверять уровень электролита и плотность нужно только после полной зарядки батареи от зарядного устройства!

Сколько доливать воды в аккумулятор

Сколько заливать дистиллированной воды в аккумулятор будет зависеть от того, какая его емкость. Так как чем больше батарея, тем больше в ней электролита. Соответственно и ответ на вопрос “сколько дистиллированной воды в аккумуляторе” может быть разным. Более того, объем зависит от конструкции батареи и может отличаться для разных производителей. В таблице указаны средние показатели для АКБ разной емкости.

Емкость АКБ, Ач	Сколько электролита должно быть (общий объем), л	Сколько воды должно быть в аккумуляторе, л
55 Ач	2,5 л	1,63 л
60 Ач	2,7 — 3 л	1,76 — 1,95 л
62 Ач	≈ 3 л	1,95 л
65 Ач	≈ 3,5 л	2,28 л
75 Ач	3,7 — 4 л	2,41 — 2,60 л
90 Ач	4,4 — 4,8 л	2,86 — 3,12 л

Сложность в том, что эти цифры не применимы на практике. Они могли бы пригодиться только если вы полностью сольете весь электролит, добавите воды и зальете обратно. Но так делать крайне не рекомендуется! Также такие данные могут пригодиться если уровень был не просто пониженный, а критически низкий — то есть практически одна кислота.

Рассмотрим такой случай на примере популярного аккумулятора 65 Ач, в котором должно быть 3,5 литра электролита. Если проверка плотности показала 1,4 г/см³, что означает полное отсутствие воды в составе, то вам нужно залить воды в количестве 65% от этого объема. 3,5 литра * 0,65 = 2,28 литра (приблизительно по 460 мл. в каждую банку). Если же там плотность 1,3 г/см³ и не хватает жидкости 1…1,5 см поверх пластин, то попросту доливаем воды до такого уровня. Это и будет ответом “сколько воды нужно залить в аккумулятор 65 Ач”.

Как правильно доливать дистиллированную воду в аккумулятор?

Вливаем шприцем дистиллированную воду, чтобы не перелить

Алгоритм действий выглядит так:

1. Дать отстояться батарее на протяжении 6-8 часов в комнатной температуре.
2. Очистите крышку АКБ и протрите ее содовым раствором, чтобы при откручивании пробок грязь не попала внутрь.
3. Открутите пробки и проверьте уровень электролита, как описано выше. Проверку нужно делать на ровной поверхности, для точности измерений.
4. Начните понемногу доливать дистиллированную воду до нужного уровня. Доливать и отбирать лишнее очень удобно ареометром. Также можно использовать шприц.
5. Закрутите пробки и оставьте АКБ стоять на 6-8 часов — процесс смешивания воды и электролита требует времени.
6. Зарядите аккумулятор. Зарядку нужно прекратить при наступлении бурного электролиза (после закипания электролита).
7. Измерьте плотность электролита ареометром. Она должна быть на нормальном уровне 1,27-1,28 г/см3. Такую АКБ можно установить на автомобиль.

Выполняйте все операции в перчатках и хорошо проветриваемом помощении!

Почему нужно доливать только дистиллированную воду?

В аккумуляторе можно использовать исключительно дистиллированную воду. Потому что в любой другой воде неизбежно присутствуют примеси — хлор, кальций, магний, соли и другие вещества. Все посторонние примеси, которые попадут в АКБ, вступят в химические реакции и ускорят разрушение пластин! Поэтому нужно использовать исключительно дистиллированную воду, которая состоит только из водорода и кислорода и не имеет никаких лишних примесей.

В сети можно найти множество советов какую воду можно использовать вместо дистиллированной (талую, дождевую, конденсат с кондиционера и т.д) или сделать собственный дистиллят. Но использовать такую воду не рекомендуется. Добиться качества промышленной дистилляции все равно невозможно. Ее цена не настолько значительна чтобы на ней экономить. Недостаточно чистой водой можно угробить свой АКБ. Поэтому просто покупайте дистиллированную воду в тех точках продаж, которым можно доверять.

Перелил воды в аккумулятор — что делать?

При помощи ареометра, убирается лишняя вода

Если воды в аккумуляторе больше, чем нужно, это негативно скажется на его работе. Во-первых, плотность электролита будет снижена, а это означает, что его мощность уменьшится и он будет работать хуже. Во-вторых, таким образом снижается его стойкость к замерзанию. Аккумулятор с избытком воды в электролите может просто замерзнуть при температуре минус 15-20 градусов!

Если вы перелили воды, исправить ситуацию очень просто. Возьмите качественный ареометр, грушу или шприц, чтобы отобрать часть воды, не наклоняя аккумулятор. Отберите воду, чтобы она достигала необходимого уровня. Вы не снизите плотность, если сделаете это сразу, потому что перемешивание воды и электролита происходит очень медленно.

Спрашивайте в комментариях. Ответим обязательно!

Электролит или дистиллированная вода для аккумулятора

Как правило, необходимость доливать жидкость в аккумулятор возникает при следующих случаях:

1.      Испарение воды из аккумулятора, и как следствие, снижение уровня электролита вплоть до оголения пластин;

2.      Значительное вытекание электролита по причине плохой спайки крышки к корпусу батареи;

В первом случае — заливается только дистиллированная вода!

Во 2-м и 3-м случае – заливается электролит плотностью 1,26-1,28 г/см3 в соответствующую поврежденную банку АКБ!

В зависимости от повреждения батарею можно отремонтировать. Но, лучше всего это делать в мастерской сервиса.

Оголение пластин аккумулятора ведет к потере емкости автомобильной батареи, короблению свинцовых пластин, т.е. разрушению АКБ и быстрому выходу ее из строя.

Любой обычный кислотно-щелочной аккумулятор залит электролитом.

Электролит состоит из соотношения

—  серной кислоты

—  дистиллированной воды.

Соотношение жидкости составляет примерно 35% кислоты и 65% дистиллированной воды.

Меньшее или большее соотношение не желательно! Большее соотношение кислоты будет увеличивать концентрацию кислоты в аккумуляторе, а значит кислота будет разъедать пакеты свинцовых пластин, что влечет быстрый выход из строя АКБ.

Меньшее соотношение кислоты будет свидетельствовать о разряженности батареи и риск замерзания жидкости в зимнее время.

Плотность электролита – это и есть показатель соотношения концентрации кислоты и воды, который измеряется в граммах на сантиметр кубический.  Плотность можно измерить ареометром.

У полностью заряженной батареи при комнатной температуре плотность электролита составляет 1,27 – 1,28 г/см3.

Жидкость в аккумуляторе должна закрывать верхнюю часть пластин на 1,1-1,5 см.

Для доливки жидкости в обслуживаемый аккумулятор нужно просто выкрутить пробки из заливных отверстий АКБ и залить дистиллированную воду.

После доливки в аккумулятор дистиллированной воды в соответствующую секцию или секции АКБ, батарея заряжается до полной зарядки.

В необслуживаемый АКБ долить дистиллированную воду нельзя.

Стоит помнить, что любое повреждение корпуса является не гарантийным случаем, когда гарантия производителя аннулируется.

Тем не менее, для решения подобных проблем всегда можно обратиться в специализированный сервис для оказания услуг.

Интернет-магазин «Первой аккумуляторной компании»

                                                                                             

Сухозаряженный аккумулятор — ввод в эксплуатацию :: АвтоМотоГараж

Что такое сухозаряженная аккумуляторная батарея (АКБ)? Это «сухая», не содержащая электролит батарея. Пластины в такой АКБ — заряжены перед сборкой на заводе-изготовителе (в процессе производства они проходят «формовку»: зарядку, промывку и просушку в потоке горячего воздуха). При хранении, и до ввода в эксплуатацию заливные отверстия герметично закрыты пробками (или специальной лентой) это необходимо для предохранения пластин аккумулятора от разрушения. Сухозаряженная АКБ может храниться  до трёх – пяти лет. Хранить залитую и заряженную АКБ в режиме «бездействия» более 6 мес. не рекомендуется.

Ниже пошагово описаны действия, которые необходимо выполнить для приведения в рабочее состояние сухозаряженной АКБ.

Примечание:

• Не пренебрегайте защитными средствами от агрессивного воздействия электролита (очки, резиновые перчатки, кислотостойкая одежда, головной убор и обувь). В случае попадания электролита на кожу промойте пораженные места водой и затем – раствором питьевой соды для нейтрализации. Рекомендуется заранее перед заливкой приготовить раствор питьевой соды (например, в ведре) и ветошь.
• Запрещается подключение в электрическую схему незалитого электролитом аккумулятора!
• При заливке температура аккумулятора и электролита должна быть не ниже 15 градусов.

Рассмотрим ввод в эксплуатацию сухозаряженной аккумуляторной батареи GTX14-BS:

Итак поэтапно:

Аккумулятор и ёмкость с электролитом:

1. Открыть суфлирующее отверстие:

2. Удалить защитную ленту с отверстий банок аккумулятора:

3. Далее необходимо распаковать емкость с электролитом. В моем случае это было похоже на луковицу (мягкая упаковка, картонная коробка герметично обмотанная скотчем, полиэтиленовый пакет замотанный скотчем, полиэтиленовый пакет на струнном замке типа zip-lock и последним был запаянный полиэтиленовый пакет):

4. Снимаем пластиковую планку-пробку батареи с ёмкости с электролитом и аккуратно  удаляем защитную фольгу с выводных отверстий:

5. Берём в одну руку АКБ, переворачиваем (держим АКБ в перевёрнутом виде). В вторую руку берём ёмкость с электролитом. Далее неспеша к заливным отверстиям АКБ подносим ёмкость с электролитом, вставляем в эти отверстия и аккуратно переворачиваем всю конструкцию (см. ниже):

6. Ждём когда весь электролит перельётся из ёмкости в АКБ:

Банки аккумулятора должны быть заполнены электролитом с плотностью 1,28 кг/л до отметки на корпусе (при её наличии) или 3-5 мм над пластинами. Использование электролита большей плотности приводит к быстрому выходу батарей из строя.

7. После извлекаем пластиковую ёмкость, и даём аккумулятору пропитаться в течении  30-60 минут. Затем слегка нужно покачать АКБ, и при необходимости долить электролит. При повышении температуры более 20 °С необходимо дать время для остывания батареи. Не ранее, чем через 20 мин., и не позже, чем через 2 часа после заливки, необходимо проконтролировать плотность электролита. Если она не менее 1,25 г/см.куб., то батарея готова к эксплуатации. В противном случае, а также при напряжении без нагрузки менее 12,5 В, батарею необходимо подвергнуть зарядке от стационарного зарядного устройства.

8. Закрываем отверстия АКБ планко-пробкой, и при необходимости удаляем с поверхности аккумулятора частицы электролита:

9. По завершению всех выше перечисленных операций суфлирующее отверстие необходимо закрыть.

Перед подключением АКБ в цепь питания необходимо очистить от окислов  клеммы шлифовальной бумагой (по ситуации) и обязательно обработать их смазкой типа Литол 24.

Примечание:

В случае необходимости подзарядку АКБ необходимо проводить согласно как инструкции по эксплуатации на зарядное устройство так и на АКБ. И не забудьте извлечь пробки для обеспечения хорошей вентиляции.

55, 60, 75, 132, 190, количество, сколько нужно лить, объем

Автор Акум Эксперт На чтение 6 мин Просмотров 1.4к. Опубликовано 15.04.2021 Обновлено

15.04.2021

Самые распространённые автомобильные аккумуляторы – ёмкостью 60 А/ч и выше т.к. модели АКБ меньшей ёмкости просто не обеспечивают силу тока для запуска двигателя большинства машин. А сколько электролита в них лить разберемся в статье.

Таблица объёма электролита в аккумуляторах

Чтобы понять, сколько электролита должно быть в аккумуляторе, исходят из такого принципа: чем выше ёмкость батареи, тем больше потребуется использовать свинца, что скажется на ее объёме. Также нужно больше электролита для нормальной работы батареи.

В продаже имеются упаковки разных объемов — от 1 до 20 литров. Можно купить канистру 5 литров для доливки, её хватит для большинства АКБ. Но электролит — химически активная жидкость, и хранить его больше 1 года в полиэтиленовой канистре не рекомендуется.

Для удобства вычисления значений ёмкости аккумуляторных батарей и объёма заливаемого в них электролита сведены в таблицу. Пользуясь ей, можно быстро определить, сколько электролита в аккумуляторе 60 А*ч и другой ёмкости.

В статье рассматриваются только обслуживаемые АКБ. В необслуживаемых батареях уровень электролита остаётся примерно одинаковым на протяжении всего периода эксплуатации.

Емкость АКБ, А*час	Объем электролита, л
55	2,5
60	2,7-3,0
75	3,7-4,0
90	4,4-4,8
132	9,5
190	10

Для определения ёмкости АКБ, установленной в автомобиле, необходимо правильно расшифровать её маркировку. Аккумуляторы отечественного производства маркируются по ГОСТу 959-91. Маркировка включает 4 категории. Читается слева направо.

Первая, цифровая, говорит о количестве банок в АКБ. Вторая категория, буквенная («СТ»), сообщает, что батарея стартерная. Третья часть, числовая, указывает на ёмкость в ампер*часах (А*час). Четвертая, буквенная, указывает на особенности исполнения батареи.

Например, для батареи 6СТ-75 АЗ расшифровка маркировки указывает на то, что цифра «6» обозначает количество элементов АКБ. Буквы «СТ» указывают, что АКБ стартерная, число «75» — это ёмкость аккумулятора в А*час. Сочетание «АЗ» говорит о том, что в АКБ применена общая для всех элементов крышка. Перед продажей АКБ была заполнена электролитом и заряжена.

Для маркировки АКБ, изготовленных в Европе, применяются два стандарта. ENT является международным, а в Германии используется DIN.

Для расшифровки маркировки, нанесенной по стандарту ENT, надпись нужно поделить на 4 части.

Первая говорит о диапазоне ёмкости батареи в А*ч. Причем цифра «5» сообщает о диапазоне до 99 А*ч, цифра «6» — от 100 до 199 А*ч, а «7» — от 200 до 299 А*ч.

Вторая часть — обозначение точной ёмкости АКБ. В третьей части маркировки, состоящей из трех цифр, указаны конструктивные отличия модели — тип исполнения корпуса, полярность аккумулятора, вид и т. д. Оставшиеся три цифры указывают на пусковой ток в амперах. Для того чтобы его определить, это значение умножается на 10.

Кроме числовых обозначений на маркировке можно увидеть пиктограммы. Они указывают на особенности АКБ — совместимость с другим оборудованием, возможность работы с системой «Старт-стоп», назначение батареи и т. п.

Маркировка по стандарту DIN похожа на нанесённую по стандарту ENT. Она условно делится на 3 части. В первой, состоящей из одной цифры, указан диапазон ёмкости аккумулятора: цифра «5» говорит о ёмкости до 100 А*ч, «6» — до 200 А*ч, «7» — выше 200 А*ч. Вторая и третья цифры обозначают ёмкость АКБ, последняя, четвёртая и пятая — полярность, габариты, тип корпуса и т. п.

Как проверить уровень электролита

В АКБ с полупрозрачным корпусом производитель предусмотрел специальные отметки, по которым определяется содержание электролита. Для этого нужно установить батарею на ровную поверхность и на свету определить его уровень. Он должен находиться между отметок MIN и MAX.

Если корпус аккумуляторной батареи непрозрачный, уровень определяется специальной стеклянной мерной трубочкой. Если такого приспособления нет, подойдёт прозрачный корпус от шариковой авторучки.

Аккумуляторную батарею следует отсоединить от клемм, снять крепления и установить на ровной поверхности. Затем открутить пробки на заливочных горловинах. Замеряется уровень электролита просто — трубочка опускается в каждый отсек АКБ до соприкосновения с пластинами. Большим пальцем руки верхний конец трубочки зажимается, и она вынимается из отсека.

Проверка уровня электролита

По линейке или по отметкам на трубочке определяется уровень. Он должен быть от 12 до 15 мм. Если уровень электролита ниже этих значений, следует долить дистиллированной воды до требуемого. При значительном понижении уровня или для доливки в новую, сухозаряженную АКБ применяется электролит.

Доливать дистиллированную воду нужно потому что в аккумуляторе начинает испаряться вода. Серная кислота в основном не испаряется.

Понижение уровня электролита может быть связано с неисправностью реле-регулятора автомобиля. При этом зарядный ток от генератора не ограничивается, и аккумулятор находится в режиме постоянного заряда. Происходит «закипание» электролита и испарение воды.

Проверка и выравнивание плотности

Кроме замеров уровня нужно . При замере плотности учитываются климатические особенности местности. Для проверки применяют специальные приборы — ареометры. Они бывают двух типов: постоянной массы и поплавковые.

Ареометр прямого измерения

 

Плотность должна находиться в пределах 1,27 г/см³ во всех отсеках для регионов со средним умеренным климатом. Если она низкая, при отрицательных температурах электролит замерзает. Батарея неизбежно выйдет из строя.

Если плотность выше требуемой, срок службы аккумулятора снижается из-за сульфатации пластин и выпадения солей в осадок. Последний при достижении определенного уровня может замкнуть пластины в отсеке АКБ. Это повлияет на ёмкость и пусковой ток аккумулятора.

Плотность электролита замеряется при температуре воздуха +25 °С.

После определения уровня и плотности электролита аккумуляторную батарею нужно зарядить. Но перед этим подождать не менее трех часов для распределения электролитических свойств жидкости.

Перед зарядом аккумуляторную батарею нужно снять с автомобиля, установить на ровной площадке, очистить корпус от загрязнений. Также необходимо зачистить клеммы аккумулятора от оксидной пленки и загрязнений. Пробки заливных горловин всех банок нужно снять.

Подведем итоги

Срок службы аккумуляторной батареи автомобиля зависит от поддержания таких параметров: уровень и плотность электролита и уровень заряда. В противном случае любой, даже самый дорогой аккумулятор от известных мировых производителей быстро выйдет из строя.

Замеры уровня, доливка электролита и заряд аккумуляторной батареи производятся в хорошо проветриваемом помещении с применением средств защиты лица, глаз и рук. Попадание электролита на незащищённые части тела вызывает сильный химический ожог, а вдыхание его паров — отравление и заболевания. Не допускается использование открытого огня вблизи аккумуляторной батареи.

Спасибо, помогло!6Не помогло

Сколько доливать дистиллированной воды в аккумулятор

Часто начинающие автомобилисты задаются вопросом о том, как научиться правильно ухаживать за АКБ — в том случае, если он относится к категории обслуживаемых. Поскольку многим известно, что время от времени для доливки аккумуляторов должна применяться дистиллированная вода, актуальным становится вопрос, сколько доливать дистиллированной воды в аккумулятор, в чем заключается смысл именно такого ухода за батареей и можно ли делать все это в домашних условиях. Для начала разберемся, для чего в батарее применяется именно такой вид воды.

Для чего доливается дистиллированная вода в АКБ автомобиля и что это такое

Определенное количество дистиллированной воды в составе жидкости, находящейся внутри аккумулятора, — необходимая составляющая. Именно она обеспечивает полноценную работу батареи, поддерживая оптимальную плотность ее электролита. Он состоит из нее на 65%, а процента серной кислоты в нем должно быть гораздо меньше — всего 35%.

Поскольку серная кислота — это полезное, но очень опасное и высококонцентрированное химическое соединение, очищенная вода выполняет роль понижателя уровня ее концентрации до полезного, который не навредит батарее.

Более того, уровень соотношения 65:35 в аккумуляторе как раз и обеспечивает процесс накопления внутри него электрической энергии в процессе зарядки. Эта энергия и будет потом расходоваться во время запуска двигателя и движения автомобиля.

Что представляет из себя дистиллированная вода? Это чистая жидкость, которой была проведена дистилляция, то есть очистка. Она состоит из трех атомов, два из которых — это водород, а другой — кислород, и не содержит никаких дополнительных примесей, которые могут состоять из солей и других веществ.

Прежде чем узнать ответ на вопрос, сколько доливать дистиллированной воды в аккумулятор, важно понять, что наливать в АКБ обычную воду нельзя. Большой уровень примесей в виде хлора, солей и даже извести, которые будут оседать на свинцовых пластинах батареи, быстро приведет к сульфатации и выходу ее из строя.

Кипяченую воду заливать в аккумулятор тоже нельзя: простое кипячение без применения определенных технологий не дистиллирует ее состав должным образом, Просто взять и прокипятить воду — не значит очистить ее полностью.

Существует мнение, что дистиллированную воду можно приготовить и в домашних условиях. Но, поскольку этот процесс является довольно трудоемким и энергозатратным, лучше всего приобретать ее в специализированных магазинах, обращая внимания на срок годности, который, в среднем, составляет около года.

Сколько нужно доливать дистиллированной воды в батарею и как правильно это сделать

Если ваш аккумулятор необслуживаемый, никаких манипуляций с жидкостями с ним проводить не нужно. Обслуживаемому же свинцово-кислотному доливка воды будет периодически нужна. Для того чтобы определить, сколько жидкости добавить, нужно снять верхние крышки с банок батареи и проверить плотность аккумулятора и уровень электролита в каждой из емкостей.

Количество воды, которую следует заливать в аккумулятор, может варьироваться, в зависимости от ее емкости и от условий эксплуатации АКБ. Стоит подумать о том, как долить дистиллированную воду в аккумулятор в любое время, потому что уровень жидкости может стать меньше в самый не подходящий момент. Для этого не помешает всегда иметь в машине подходящую емкость для воды, например, литровую бутылку, и добавлять воду вы сможете всегда. Нельзя допускать оголения пластин аккумулятора — они быстро осыпятся в результате нагрева.

Алгоритм того, как правильно залить воду в аккумулятор в домашних условиях, прост:

• Отключите батарею от бортовой сети автомобиля. Выньте ее из машины.
• Следите за тем, чтобы поверхность, на которую она будет поставлена, была ровной.
• Очистите АКБ от пыли и грязи. Можно сделать это раствором соды.
• Для максимальной аккуратности воспользуйтесь одноразовым шприцем. А ради собственной безопасности наденьте технические перчатки, которые обычно используете для дачи или уборки.
• Снимите крышки с батареи для доступа к банкам.
• Проверьте уровень жидкости внутри каждой банки. Помните о том, что в норме электролит должен покрывать пластины аккумулятора на 1-1,5 см.
• Если уровень покрытия пластин меньше, долейте в каждый отсек АКБ от 5 до 10 мл дистиллированной воды.
• Если окажется, что шприц «перелил», просто отсосите небольшой резиновой грушей излишек жидкости до нужного уровня.

Далее будет приведено еще несколько советов, которые касаются эксплуатации аккумулятора. Эта информация будет полезна, если вы не знаете, как долить воду в аккумулятор правильно:

• Нельзя доливать жидкость в АКБ, если вы только что выключили ДВС. Дайте батарее «постоять» в течение 7-8 часов (желательно в домашних условиях). Только после этого открывайте аккумулятор.
• Также и после того как батарея будет наполнена дистиллированной водой, нельзя сразу заводить двигатель.
• Время ожидания после заливки — до утра следующего дня. Иначе батарея сразу может закипеть, а пластины — осыпаться.
• Помните о том, что «дачный» вариант помещения, применяемого для заливки аккумулятора, можно использовать только в теплое время года. Если комната не отапливается, проводить подобные действия с аккумулятором не следует.
• Важно знать о том, что использование дистиллированной воды не вернет аккумулятору прежней емкости, а улучшит показатели его работы на определенный срок.
• Перед тем как заводить двигатель, всегда проверяйте уровень электролита в аккумуляторе, помня о количественных показателях.

Вода, а не электролит — почему?

Когда начинающие автомобилисты спрашивают, что доливать в аккумулятор — воду или электролит, ответ прост: доливать следует воду. При нагревании выкипает гораздо быстрее. Чтобы электролит имел необходимый уровень плотности, его и нужно разбавлять очищенной водой — во избежание накопления критической концентрации серной кислоты. Не лишним будет напомнить водителям о том, что плотность электролита должна составлять 1,27 см³.

Пригодна ли такая вода для питья

В заключение будет не лишним ответить на интересующий многих вопрос, который прямо не связан с нашей тематикой: можно ли пить дистиллированную воду?

Поскольку это очищенная вода, никакой опасности для питья она не представляет. Более того, ее всегда пили при желудочно-кишечных расстройствах. При должном хранении она долго не теряет своих свойств и может использоваться в качестве питьевой.

Не стоит терять время для того, чтобы готовить ее в домашних условиях. Всегда есть возможность приобрести ее в специализированных магазинах для автомобилистов. Выпускается она часто в удобных пластмассовых канистрах. Их можно возить с собой в багажнике, если в нем достаточно места.

Таким образом, мы узнали не только о том, в каком количестве следует заливать в аккумулятор дистиллированную воду, но и о том, как это сделать правильно — чтобы не причинить вреда батарее.

Как восстановить гелевый аккумулятор самостоятельно в домашних условиях

Время прочтения: 5 мин

Дата публикации: 12-08-2020

Аккумуляторная батарея – это важный расходник в системах резервного электроснабжения, мотоциклах, скутерах, автомобилях и в прочих видах транспорта. Несмотря на то, что цена аккумулятора не является заоблачной, часто менять батареи никто не хочет. Чтобы АКБ прослужила долго и безотказно, следует придерживаться требований по эксплуатации. Тем не менее, из-за халатного отношения или невнимательности аккумуляторы часто значительно теряют свои первоначальные характеристики или, иными словами, выходят из строя.

Сперва определимся, что такое гелевая аккумуляторная батарея. Гелевым называют свинцово-кислотный аккумулятор с электролитом, свойства которого близки к сухому. Речь идет об АКБ класса GEL. В ней жидкий электролит абсорбирован гелевым наполнителем. Это наделяет батарею массой полезных свойств и преимуществ по сравнению с традиционными АКБ. Из-за схожести реализации и «маркетинговых трюков» гелевыми также называют аккумуляторы класса AGM. И действительно: принцип тот же, только вместо геля свободное пространство заполнено пористым стекловолоконным наполнителем.

Как GEL, так и AGM аккумуляторы являются необслуживаемыми. Речь идет об отсутствии необходимости доливать дистиллированную воду в связи с протеканием процесса рекомбинации. Многие трактуют это иначе и, например, не поддерживают высокий уровень заряда, хотя это необходимо для любой свинцово-кислотной АКБ. Гелевые аккумуляторы часто эксплуатируются в режимах с длительными периодами хранения. В таких условиях можно запросто упустить недопустимо низкий заряд батареи. Поэтому рекомендуется завести мультиметр и периодически проверять напряжение между клеммами. Только оно опустится ниже 10,5-11В – требуется осуществить обслуживание в виде заряда. Если же ситуацию запустить, возможно придется выполнить восстановление гелевого аккумулятора после глубокого разряда.

Что надо знать о сульфатации и десульфатации

В процессе разряда положительные пластины покрываются слоем сульфата свинца. Когда начинается заряд – образовавшийся слой мелкокристаллического сульфата растворяется и аккумулятор возвращается в первоначальное состояние. Условие необратимого образования крупнокристаллического сульфата свинца – это глубокий разряд. Такой налет не снимется полностью в процессе заряда, снижая активность протекающей между электролитом и электродами реакцию. Существуют различные способы очистки пластин:

• Способ №1. Самый простой и безопасный способ частично избавиться от налета в домашних условиях – это использование режима восстановления, который доступен во многих современных зарядных устройствах. Данный режим заключается в чередовании лавинообразных импульсов тока с периодами разряда, что позволяет добиться некоторого восстановления емкости. От крупнокристаллического сульфата, конечно же, такой способ не поможет.
• Способ №2. Существуют растворы, позволяющие растворить образовавшийся на пластинах сульфат свинца. Если первый способ можно назвать электрическим, то этот – химическим. Химическая очистка сульфата более эффективна и позволяет добиться очищения более крупного налета сульфата.
• Способ №3. Никуда не делся старый добрый механический способ удаления сульфата свинца. Это наиболее опасный способ, который ни в коем случае не рекомендуется использовать. Для этого придется необратимо повредить корпус и, возможно, сами пластины.

Осуществлять какие-либо физические и химические манипуляции над электродами с целью их очистки крайне не рекомендуются. Поэтому важно следить за уровнем заряда и не допускать глубокого разряда, способствующего сульфатации. Только так Вы можете обеспечить длительный срок службы аккумуляторной батареи.

Восстановления электролита

И все же, как восстановить гелевый аккумулятор, если манипуляции с электродами совершать не рекомендуется? Единственное, что Вы можете сделать, не навредив – это долить дистиллированной воды, если та все-таки испарилась. В гелевых аккумуляторах испарения возможны лишь при неправильной эксплуатации. Если ток заряда превышает допустимые значения, электролит может закипать, а образовавшиеся испарения – выходить через предохранительные клапаны.

Если требуется долив воды, необходимо снять крышку и колпачки с банок, после чего заливать дистиллированную воду мелкими порциями. Каждой порции воды следует дать впитаться в наполнитель. Испарение воды – это, повторимся, единственный случай, когда можно довольно безопасно восстановить характеристики гелевого аккумулятора. Во многих остальных случаях батарея не подлежит восстановлению.

Определить, можно ли что-то сделать с аккумулятором, можно визуально. Если аккумулятор потерял емкость, то первое, на что надо обратить внимание – это форма аккумулятора. Если различимо даже малейшее вздутие – эксплуатировать АКБ нельзя. В таком случае только замена. Если же аккумулятор не изменил свою форму, следует убедиться, что с пластинами все в порядке – вполне возможно они попросту начали рассыпаться. Для этого можно потрясти АКБ и постараться расслышать шум от движения трухи, которая отслоилась от электродов. Следующий шаг – это визуальный осмотр через отверстия банок. Снимите колпачки и посветите внутрь, стараясь рассмотреть очертания пластин. Если они рассыпались – пора покупать новый аккумулятор.

Проверяем емкость

Прежде чем делать выводы о состоянии свинцово-кислотной аккумуляторной батареи, надо узнать текущие показатели емкости. А как проверить емкость гелевого аккумулятора, когда вменяемых технических приспособлений для этого попросту нет? Здесь на помощь приходит классический контрольный разряд. Для «эксперимента» потребуется лишь потребитель с известной мощностью (в идеале лампочка) и мультиметр.

Зарядите гелевый аккумулятор до 100% и повесьте на него нагрузку. Следует засечь время, за которое аккумулятор потеряет половину заряда. Сколько осталось заряда, можно определить при помощи мультиметра, измеряя напряжение. Для гелевых аккумуляторов при 50% емкости напряжение будет составлять 12В. Проверять емкость аккумуляторной батареи путем разряда до нуля не рекомендуется по понятным причинам: Вы не только проверите емкость аккумулятора, но и сократите его срок службы глубоким разрядом.

Таким образом, мы приходим к одному важному выводу: практически любые проблемы, связанные с гелевым аккумулятором, вызваны нарушением требований по эксплуатации. Закипание электролита связано с неправильным зарядом, сульфатация пластин — с глубоким разрядом, а их осыпание – с эксплуатацией под высокой температурой.

Следовательно, единственный способ добиться максимально длительного срока службы – это вовремя заряжать аккумуляторную батарею качественным зарядным устройством, а также эксплуатировать АКБ в прохладном помещении. Банальным бережным обслуживанием батареи Вы добьетесь таких показателей длительности работы и срока службы АКБ, каких не добьетесь ни одним существующим способом восстановления.

Какое количество электролита нужно заливать в аккумулятор?

Для заполнения пустого корпуса электролитом АКБ емкостью 75 Ампер-часов понадобится от 3,7 до 4 л раствора, в «90-ый» аккумулятор следует заливать примерно 4,4-4,8 литров.

Сколько литров электролита в аккумуляторе 60?

В пустую АКБ 60 А·ч следует заливать от 2,7 до 3 литров серного раствора (h3SO4), масса заправленного и готового к работе накопителя энергии равна приблизительно 17-18 кг.

Можно ли добавлять в аккумулятор электролит?

Наш ответ – нет. Никогда не добавляйте какой-либо электролит в свинцово-кислотный автомобильный аккумулятор. Если вы обнаружили низкий уровень электролита в своем АКБ, вам следует добавить только чистую воду. И только при некоторых, очень специфических обстоятельствах, в батарею можно добавить серную кислоту.

Нужно ли заряжать аккумулятор после заливки воды?

Чтобы измерить плотность электролита после доливки в него воды или после пуска двигателя стартером, предварительно надо батарею зарядить током 2-3 А в течение 20-30 мин или дать ей постоять 1-2 часа без зарядки для того, чтобы выровнялась плотность электролита.

Сколько электролита в аккумуляторе 132?

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.

Сколько литров электролита в аккумуляторе 55?

Для полной заправки «55-го» аккумулятора требуется примерно два с половиной литра электролита, в зависимости от типа и производителя вес аккумуляторной батареи может несколько отличаться, но в среднем равен 15 килограммам.

Можно ли промыть аккумулятор?

Если автомобильный аккумулятор полностью разрядился, его нужно будет заранее зарядить. Из заряженного АКБ необходимо полностью слить старый электролит, предварительно открутив пробки на крышке, после чего конструкцию можно промыть водой. Как и в предыдущих случаях, для этого лучше использовать дистиллят.

Можно ли добавить электролит в аккумулятор и не заряжать?

Если где-то электролита не хватает, то его количество можно компенсировать дистиллированной водой. Убедитесь, что электролит имеет прозрачный цвет. Если это не так или в нём плавают какие-то хлопья, то заряжать такой аккумулятор нельзя.

Как правильно измерить плотность аккумулятора в домашних условиях?

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

Нужно ли заряжать аккумулятор после доливки дистиллированной воды?

Когда электролит уже «набрал» свою плотность, а зарядный ток не отключился (если ток большой – это еще хуже), то вода из электролита потихоньку выкипает. Это значит, что позднее потребуется доливка дистиллированной воды в электролит до необходимого уровня. … если долили воду – сразу ставьте на зарядку.

Сколько нужно заряжать аккумулятор после добавления дистиллированной воды?

Сколько по времени и как правильно заряжать? После выдерживания в течение 3-х часов аккумулятора, в котором производилось смешение долитой дистиллированной воды с электролитом, его нужно поставить заряжаться.

Что можно заливать в аккумулятор вместо дистиллированной воды?

Что можно заливать вместо дистиллированной воды в аккумулятор?

• Дождевая вода представляет собой конденсат. …
• Такого же происхождения и состава растаявший снег, не соприкасавшийся с поверхностями. …
• Можно в рабочую смесь добавлять конденсат с радиаторов кондиционера.

Сколько литров электролита в аккумуляторе 190?

75 А·ч – 3,7-4 л; 90 А·ч – 4,4-4,8 л; 190 А·ч – порядка 10 л.

Сколько заливать воды в аккумулятор?

Доливать дистиллированную воду нужно на уровень 1,5-2 сантиметра выше края пластин или на 0,5 см над специальным индикатором (“язычков”). Цель — после заливки воды и зарядки батареи добиться плотности электролита АКБ на уровне 1,27 г/см³.

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе?

Как повысить плотность

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

Общие сведения о заполнении литий-ионных батарей электролитом

По мере того, как литий-ионные батареи проникают на более крупный рынок аккумуляторов энергии, особенно в крупных системах, акцент делается на достижении лучшей и равномерной производительности (как с точки зрения плотности энергии, так и возможностей скорости), предсказуемого срока службы и более высокой безопасности для ячеек по более низкой цене. ¹ Одним из этапов производства элементов, на котором все еще есть возможность повлиять на все эти аспекты, является заполнение электролитом.В настоящее время заливка электролита осуществляется путем приложения отрицательного давления к собранной, но не герметичной ячейке. Это трудоемкий (и, следовательно, дорогостоящий) этап, занимающий от 12 до 24 часов в сухом помещении. Известно, что дополнительные факторы, которые могут быть установлены производителем, такие как повышенная температура или сборка электрода и элемента, влияют на смачивание. ²

Если заполнение и смачивание электролитом не завершено, может возникнуть ряд проблем, которые могут отрицательно сказаться на работе, сроке службы и безопасности элемента.Во-первых, если электролит не полностью заполняет поровое пространство электродов и не смачивает активные частицы, межфазный слой твердого электролита (SEI) не будет равномерно расти на активной частице во время цикла формирования, что может привести к разложению электролита во время цикла. более низкая кулоновская эффективность или образование дендритов лития. ^3–5 Для достижения стабильного SEI необходимо полное и однородное смачивание конструкций аккумуляторных батарей электролитом. ⁶ Кроме того, во время работы ячейки, если поры не заполнены электролитом, пути для транспорта лития становятся эффективно закрытыми из-за присутствия остаточной газовой фазы, блокирующей определенные ответвления пор.В зависимости от трехмерной структуры пор это может привести к увеличению извилистости. Повышенная извилистость означает снижение эффективной проводимости лития в пористой структуре и большие перенапряжения, влияющие на производительность и безопасность. ⁷ Кроме того, закрытые транспортные пути могут привести к неоднородной концентрации лития в батарее и неоднородной плотности тока. ^8,9

Это обсуждение выше подчеркивает важность понимания того, как оптимизировать компоненты ячейки для облегчения смачивания электролитом и заполнения пористых электродов и сепараторов.Смачивание пористых компонентов батареи электролитами — это процесс, который зависит от химического состава поверхности твердой фазы (ей), химического состава электролита (включая концентрацию его соли) и трехмерной структуры материала. Большинство текущих исследований по облегчению заполнения пористых компонентов батареи сосредоточено на улучшении физико-химических параметров, особенно электролита батареи и химического состава поверхности. Особое внимание уделяется уменьшению краевого угла смачивания θ , увеличению поверхностного натяжения и снижению вязкости для получения хорошо смачиваемых растворов ( θ <90 °), не склонных к разбиванию на капли (большие) и показывают низкое сопротивление потоку, управляемому давлением (небольшое). ^10,11 Повышение концентрации соли неблагоприятно влияет на смачиваемость электролита. ¹²

Ряд исследований связывает смачивание и заполнение порового пространства с характеристиками, в частности, с эффективной проводимостью лития в пористой среде. Kühnel et al. оценили время смачивания электродов с помощью тензиометра и импедансной спектроскопии, показав, что электролиты на основе органических растворителей имеют улучшенные характеристики смачивания из-за более низкой вязкости. ¹³ Другой метод измерения скорости впитывания электродов путем прямой визуализации фронта впитывания был разработан Davoodabadi et al. ¹² , а свободная поверхностная энергия электродов была связана с их поведением при смачивании. ¹⁴ Исследование структуры анодов показывает, что более крупные частицы графита демонстрируют большее перенапряжение, чем более мелкие частицы, по мере увеличения площади смачивания. ¹⁵ Кроме того, изменение графита с целью сделать его более гидрофильным снижает перенапряжение, в то время как календарная обработка приводит к ухудшению смачивания электродов. ^16,17 Нейтронная визуализация на месте улучшила понимание процесса заполнения электролитными пакетами электродов и была связана с изменениями электрохимического импеданса во время процесса заполнения LIB на производстве. ^18,19 Однако этот метод позволяет только наблюдать фронт смачивания, но не дает представления о процессе в масштабе пор. Для сепараторов литий-ионных аккумуляторов улучшенное смачивание может быть достигнуто за счет определенных модификаций поверхности, например в виде полимерных ²⁰ или керамических покрытий. ^21,22 Распределение электролита в стохастически генерируемых анодах и катодах было изучено с помощью моделирования решеточной Больцмана и показало отрицательное влияние неполного смачивания на характеристики батареи. ⁴

В этой работе мы систематически исследуем, почему экспериментально измеренные эффективные коэффициенты переноса ниже ожидаемых, и какие структурные или физико-химические свойства электролита и границы раздела твердое тело-жидкость объясняют это. В качестве модельной пористой системы для исследования мы выбрали полиэтиленовый (PE) сепаратор, поскольку он состоит из одной твердой фазы с относительно однородным размером пор и изотропной структурой пор, которую мы ранее подробно охарактеризовали. ^8,23 Мы показываем, что неполное смачивание конструкции сепаратора может объяснить расхождения между расчетными и измеренными характеристиками сепараторов. Эта работа подчеркивает важность структуры пор в определении количества остаточного газа в структуре и дает представление о структурах пор, условиях заполнения и составах электролитов, которые являются выгодными для аккумуляторной технологии.

Используя репрезентативную трехмерную реконструкцию конструкции полиэтиленового сепаратора ²⁴ (Рис.1а), мы проводим численное моделирование диффузии и с помощью расчетов находим, что с чисто геометрической точки зрения мы ожидаем, что проводимость лития через заполненную электролитом поровую фазу полиэтиленового сепаратора будет составлять 14% от объемной проводимости лития в электролите ( т.е. мы ожидаем найти число МакМуллина ∼7). Затем мы заполняем образцы сепаратора различными электролитами, включая линейные и циклические карбонаты, а также бинарными смесями карбонатов (свойства указаны в таблице I), каждый из которых содержит LiPF ₆ в концентрации 1 М, и используем спектроскопию электрохимического импеданса (EIS) для определения эффективная проводимость лития σ _eff через сепаратор.На рисунке 1b показаны измеренные числа МакМуллина (N _M = σ _Bulk / σ _eff ). Они варьируются от 11,07 ± 1,00 для диметилкарбоната (DMC) до 14,58 ± 1,79 для смеси пропиленкарбонат: этиленкарбонат (PC / EC) 1: 1, что указывает на то, что перенос лития значительно хуже, чем ожидалось из геометрии сепаратора (N _M = 7, желтая пунктирная линия). Хотя N _M имеет тенденцию к увеличению с увеличением вязкости и угла смачивания, мы не находим простых тенденций, которые могли бы связать одно свойство электролита (угол смачивания, поверхностное натяжение или вязкость) с измеренными числами Мак-Муллина (вспомогательная информация доступна онлайн в стеках). .iop.org/JES/167/100546/mmedia). Как показали фрактальный анализ и анализ случайных блужданий на трехмерных микроструктурах, различия в значениях, измеренных с помощью EIS и диффузии, могут частично объяснить большие, чем ожидалось, измеренные числа МакМуллина. ²⁵ Однако этот анализ не может объяснить различия в числе МакМуллина, измеренных для разных электролитов.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 1. Характеристики сепаратора для различных электролитов (a) Трехмерная микроструктурная визуализация сегментированного сепаратора Targray PE16A. Присутствуют разные неоднородности, например, разные радиусы пор. (b) Числа МакМуллина, рассчитанные на основе измерений спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) с использованием различных электролитов в сепараторе Targray PE16A. Пунктирной линией указано число МакМуллина, рассчитанное на основе численного моделирования диффузии.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Таблица I. Свойства электролитов, использованных в этом исследовании.

Растворитель	Угол контакта с полиэтиленовым сепаратором [°]	Поверхностное натяжение [мН м −1 ]	Вязкость [мПа · с]	Объемная проводимость (с 1 M LiPF 6 ) [мСм см −1 ] a )	Число МакМуллина [-]
DMC	30.0 ± 1,5	32,01 ± 0,22	1,464 ± 0,005	7,1	11,07 ± 1,00
ЭМС	14,5 ± 2,8	29,08 ± 0,28	1,794 ± 0,031	4,6	11,90 ± 1,04
EC / DMC	52,9 ± 1,8	40,13 ± 0,20	3,388 ± 0,006	11,6	14,19 ± 1,01
PC / EMC	45.4 ± 1,5	28,52 ± 0,26	4,084 ± 0,006	8,7	13,84 ± 1,13
EC / EMC	45,4 ± 1,5	34,61 ± 1,15	4,124 ± 0,098	9,7	14,35 ± 0,93
PC / EC	89,99 ± 3,0	46,73 ± 0,04	7,130 ± 0,010	6,8	14,58 ± 1,79
ПК	86.22 ± 2,4	43,75 ± 0,012	8,248 ± 0,016	5,8	13,95 ± 1,61

^a) , как указано производителем.

Чтобы объяснить этот эффект, мы обратимся к теории неполного (или частичного) смачивания, которая до сих пор в значительной степени игнорировалась в сообществе аккумуляторных батарей, но объясняет, как структура порового пространства и физико-химические свойства электролит влияет на процесс смачивания.

Теория неполного (или частичного) смачивания часто применяется в геологии, где закачка воды является обычным способом вытеснения нефти или газа, застрявших в порах в породах микрометрового размера; ²⁶ , однако, это также применимо для понимания заполнения электролитом.

В системе, где гравитационными силами можно пренебречь (что, как объяснено во вспомогательной информации, является допустимым предположением для компонентов батареи, поскольку длина капилляра составляет около 2 мм ²⁷ ), капиллярные и вязкие силы играют роль в процесс заполнения.Капиллярное давление, P _c , в поре определяется уравнением Юнга – Лапласа (), где r — радиус поры. Вязкое давление пропорционально скорости Дарси и динамической вязкости вторгающейся фазы. Известно, что вязкость электролита в пористых компонентах аккумулятора может отличаться от объемного значения у поверхности поры. ^20,28,29 Эти так называемые микровязкости вызваны взаимодействием между ионами электролита и поверхностью элемента батареи.Теория частичного смачивания не рассматривает эти взаимодействия и использует объемные значения для динамической вязкости вторгающейся фазы.

В элементах батареи с небольшими порами преобладают капиллярные силы. В этом случае, когда фаза смачивания (т.е. при θ <90 °) входит в пористую структуру, происходит пропитывание. Для смачивания среды не требуется внешнего давления; однако в порах существует капиллярное давление, которое продвигает фазу смачивания дальше в поровое пространство.С другой стороны, когда вторгающаяся фаза не смачивает, приложенное внешнее давление должно превышать капиллярное давление, чтобы заставить несмачивающую фазу проникнуть в поры. Этот процесс называется дренированием. ²⁶ Поскольку все электролиты, использованные в этом исследовании, являются смачивающими, хотя и в разной степени (см. Таблицу I), а вытесненная фаза (газ) не смачивает, заполнение сепаратора является процессом пропитывания.

В структурах со структурной неоднородностью (например, с переменным радиусом пор, сужением пор и т. Д.)), ни полное пропитывание, ни полный дренаж невозможны, поскольку структурная неоднородность приводит к захвату остаточной фазы в структуре. В случае заполнения сепаратора этой остаточной фазой является газ. Другими словами, невозможно полностью заполнить фазу пор сепаратора жидким электролитом (или, во время слива, полностью удалить весь электролит). На рис. 2а показаны кривые капиллярного давления для пропитывания и дренажа, где количество остаточной фазы обозначено штриховкой.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 2. Смачивание пористой среды. (а) Кривые капиллярного давления, показывающие пропитывание (например, заполнение электролитом) и дренаж (например, удаление электролита) пористой среды. В реальных конструкциях насыщение фазы электролита (фаза смачивания) при заполнении не достигает 100%. Остаточная газовая фаза отображается голубым оттенком. Точно так же во время слива не весь электролит можно удалить (синяя заливка).(b) В поре с переменной площадью поперечного сечения может произойти «откол». В этом сценарии газ задерживается в большом сегменте пор из-за недостаточного капиллярного давления. (c) «Модель поры-дублета» описывает сценарий, когда газ задерживается в одной ветви поры. Это может происходить, когда две параллельные ветви имеют разные радиусы или разную длину, в результате чего жидкая фаза движется в одной поре быстрее, чем в другой.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Во время пропитывания различные структурные особенности могут привести к остаточному насыщению (т.е.е., захваченный газ) в пористой среде. Модель отрыва и модель дублета пор описывают два распространенных сценария, приводящих к улавливанию газа. Откол может происходить в порах с переменной площадью поперечного сечения (рис. 2b). ³⁰ В этом случае капиллярное давление изменяется в зависимости от положения в поре (P _c ∼ 1 / r), и низкое капиллярное давление присутствует в более крупном сегменте поры. Чтобы газ мог двигаться дальше в сужении поры, необходимо поддерживать большее капиллярное давление, что происходит, когда газовая фаза «отрывается», т.е.е., далее по телу поры отключается от газовой фазы. ^31,32

Модель поры-дублета (рис. 2c) применяется, когда поры разветвляются на две параллельные поры с разным диаметром и / или разной длиной, а затем повторно соединяются. Поскольку в этих порах изменяется капиллярное давление, жидкость в одной поре движется быстрее, чем в другой. Жидкость будет двигаться быстрее в маленькой поре, что приведет к захвату газа в более крупной поре. ^26,33,34

Таким образом, количество остаточной фазы зависит от трехмерной структуры порового пространства, а также от капиллярных и вязких сил.Кроме того, из-за роли, которую структура играет в процессе захвата газа, и последовательности, в которой фронт жидкости достигает этих структур, в асимметричной структуре пропитывание будет направленным процессом. Другими словами, смачивание пористой структуры с одного направления может привести к совершенно иному захвату газа, чем смачивание с другого направления.

Анализ структуры сепаратора PE16A показывает поры со средним геометрическим диаметром пор 110 нм. Средний диаметр порового канала лишь немного меньше (~ 85 нм). ⁸ Это приводит к соотношению сторон 1,33, что достаточно мало, чтобы улавливание газа из-за отслаивания было, вероятно, незначительным. ³⁰ Однако структура PE16A сильно связана (связность ∼150 μ м ⁻³ ), длина пор составляет от 10 до 700 нм, а диаметр пор составляет от 20 до 300 нм (см. Вспомогательную информацию), так что захват газа, вероятно, можно описать моделью порового дублета.

Чтобы определить остаточную газонасыщенность, которую мы можем ожидать в сепараторе PE16A, мы рассчитываем кривые капиллярного давления во время моделирования заполнения структуры сепаратора с помощью SatuDict (GeoDict2019, Math3Market GmbH, Кайзерслаутерн, Германия).Моделирование выполняется на десяти различных подобъемах PE16A.

Смоделированные кривые капиллярного давления для трех различных электролитов показаны на рис. 3a. Поскольку пропиленкарбонат (ПК) имеет больший контактный угол ( θ _PC = 86 °) по сравнению с углом контакта EMC ( θ _EMC = 14 °) или EC / EMC ( θ _{EC / EMC} = 45 °), капиллярное давление меньше для ПК. Однако количество остаточной газовой фазы, остающейся в поровом пространстве, оказалось одинаковым для всех электролитов (31 ± 1%).Это происходит из-за того, что моделирование основано на квазистатической модели, которая учитывает только капиллярное давление, а не динамическое вязкое давление.

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 3. Моделирование заполнения сепаратора электролитом. (а) Смоделированные кривые капиллярного давления для пропитывания сепаратора тремя различными электролитами: EMC (красный), EC / EMC (желтый), PC (синий).Из-за квазистатического характера моделирования остаточная газонасыщенность не зависит от физико-химических свойств электролита. (b) Результирующая трехмерная томографическая визуализация сепаратора Targray PE16A, заполненного электролитом. 30% порового пространства составляют камеры остаточного газа.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

На рис. 3b показана структура сепаратора (серый), заполненная в результате моделирования 69% объема пор, содержащим электролит (синий) и 31% остаточной газовой фазы (голубой).Из-за улавливания газа меньше путей через жидкий электролит доступно для диффузии лития. Выполнение численного моделирования диффузии с учетом только связанной жидкой фазы показывает эффективное значение переноса 0,06 ±. 0,009, что приведет к измеренному числу Мак-Маллина ∼18,21 ± 2,93. Сравнивая это с эффективным значением переноса 0,14 (число Мак-Муллина 7) для случая 100% заполненного объема пор, влияние остаточного газа в поровом пространстве на проводимость и диффузию лития очевидно.

Тот факт, что число МакМуллина, рассчитанное для структуры, заполненной моделированием (18,21 ± 2,93), больше, чем экспериментально измеренные числа МакМуллина (от 11,07 ± 1,00 до 14,58 ± 1,79), предполагает, что 31% остаточной газовой фазы, определенной моделированием, является завышение. Это завышение можно объяснить тем фактом, что для такой структуры, как PE16A, где модель дублета поры объясняет большую часть остаточного насыщения, квазистатическое моделирование обеспечивает верхний предел остаточного насыщения пор.Поскольку распространение фронта жидкости в моделировании не зависит от времени, поры заданного размера немедленно заполняются, как только достигается необходимое капиллярное давление. Таким образом, становится изолированным больше пор с большим диаметром, чем если бы также учитывались силы вязкости. Хотя 31% — это завышенная оценка остаточной газовой фазы, концепция остаточного насыщения прекрасно объясняет, почему экспериментально измеренные числа МакМуллина выше, чем если бы все поры предполагались заполненными, и, исходя из экспериментально измеренных чисел МакМуллина, мы оцениваем, что, в действительности можно ожидать, что остаточные газовые фазы составляют примерно 15–25%.

Квазистатическое моделирование заполнения, описанное выше, подчеркивает, что конструкция сепаратора склонна к улавливанию газа во время заполнения, и позволяет нам рассчитать влияние остаточной насыщенности, которое может оказать на эффективный коэффициент переноса. Однако эти квазистатические симуляции заполнения учитывают только капиллярные силы, а не вязкую силу, которая зависит от вязкости и скорости заполнения. Здесь мы показываем, что, рассматривая вязкую силу, можно объяснить, почему измеренные числа МакМуллина находятся в диапазоне от 11.07 ± 1,00 до 14,58 ± 1,79 для разных электролитов.

Было показано, что величина остаточного насыщения зависит от безразмерного капиллярного числа, N _c , которое определяется как соотношение вязких и капиллярных сил:

В геологии величина остаточного насыщения обычно уменьшается с увеличением капиллярного числа (т. е. с увеличением силы вязкости). ³⁵ Это не то, что мы наблюдаем в наших измерениях EIS на сепараторах, где число МакМуллина (которое пропорционально остаточному насыщению) показывает немонотонную зависимость от капиллярного числа и увеличивается для электролитов, состоящих из низкой вязкости, линейные карбонаты перед уменьшением для высоковязких циклических электролитов на основе карбонатов (см.рис.4). Это сложное поведение, контрастирующее с эмпирически определенными, монотонно убывающими кривыми обезвоживания, измеренными в геологии, неудивительно. В геологически значимых системах обычно используются нефть и вода в качестве начальной фазы и фазы вторжения, соответственно. Таким образом, краевой угол в формуле. 1 является постоянным и часто опускается для упрощения. Сделав это для использованных электролитов (т. Е. Предполагая, что все использованные электролиты идеально смачиваются), мы видим, что остаточное насыщение монотонно уменьшается с увеличением капиллярного числа (см. Дополнительную информацию).Однако для смачивания компонентов аккумулятора такой подход не оправдан, так как испытанные электролиты показывают большой разброс угла смачивания (∼40 ° –∼90 °). Следовательно, взвешенное капиллярное число, представленное на рис.4, включает зависимость от угла смачивания и дополнительно умножается на безразмерное вязкостное отношение, которое масштабирует капиллярное число, так что кривые осушения сопоставимы для различных систем жидкость / жидкость и жидкость / газ (для Системы жидкость / жидкость, используемые в геологии, вязкости начальной фазы присутствия и вторжения примерно равны; для систем электролит / газ вязкости различаются более чем на 2 порядка).

Увеличить Уменьшить Сбросить размер изображения

Рисунок 4. Влияние физико-химических свойств электролитов на число МакМуллина.

Загрузить рисунок:

Стандартный образ Изображение высокого разрешения

Когда мы строим график зависимости экспериментально измеренного числа МакМуллина от вязкости электролитов (рис.4), мы различаем хорошее смачивание (углы смачивания от 14 до 53 °) (заштрихованная серым область) и плохо смачиваемые электролиты (углы смачивания ближе к 90 °). ).Число МакМуллина увеличивается с вязкостью в области хорошего смачивания и уменьшается с увеличением вязкости в режиме плохого смачивания.

Цвет каждой точки соответствует взвешенному капиллярному числу. Для хороших смачивающих электролитов взвешенное капиллярное число увеличивается с вязкостью, потому что оно эффективно постоянно и равно приблизительно 1. Таким образом, в этом режиме вязкость электролита (и скорость заполнения) имеют наиболее важное влияние на количество остаточного газа. фаза в структуре, с электролитами более высокой вязкости и более высокими скоростями заполнения, что приводит к большему количеству остаточного газа.Это действительно наблюдается тенденция, когда электролиты с более высокой вязкостью показывают более высокие числа МакМуллина.

Для плохо смачиваемых электролитов увеличение вязкости приводит к улучшенному заполнению и снижению числа МакМуллина. В этом режиме капиллярные силы намного меньше единицы (расхождение косинуса при углах, близких к 90 °). Таким образом, краевые углы преобладают, и увеличение вязкости может даже привести к уменьшению капиллярного числа и меньшему количеству остаточной газовой фазы. Феноменологически увеличение вязких сил может привести к повторной мобилизации газовых кожухов.Однако одновременно с этим процесс смачивания будет медленнее, или жидкость необходимо нагнетать в конструкцию, чтобы поддерживать скорость смачивания.

Это подчеркивает, что для хорошего смачивания электролитов низкая вязкость полезна не только для улучшения проводимости ⁷ , но и для уменьшения присутствующей остаточной газовой фазы. Увеличение скорости заполнения также будет способствовать увеличению объема остаточной газовой фазы, если она не будет уравновешена увеличением капиллярных сил.

Мы продемонстрировали, что теория неполного смачивания, которая на сегодняшний день широко применяется в геологии для объяснения остаточной газовой фазы, применима к пористым средам в батареях.Хотя работа здесь была сосредоточена на сепараторах, она в равной степени применима и к порам электродов. Стоит отметить, что размеры пор и распределение пор электродов батареи и некоторых геологических структур, таких как песчаник, очень похожи, и поэтому могут применяться аналогичные концепции для моделирования их поведения при смачивании.

Это понимание предлагает ряд путей для развития батарей. На сегодняшний день в центре внимания исследований смачивания литий-ионных аккумуляторов является улучшение физико-химических свойств электролитов.Однако улучшение смачивания оказывает лишь ограниченное влияние на степень остаточного насыщения. Фактически, улучшенное смачивание может даже привести к большему количеству ограждений, так как улавливание газа из-за условий «отрыва» становится более актуальным при улучшении смачивания электролитов.

Напротив, наше исследование подчеркивает, что геометрия пористой структуры оказывает большее влияние на остаточное насыщение, чем химический состав электролита. Очень узкое распределение пор по размеру и малое соотношение размеров пор могут предотвратить захват газа.Для более глубокого понимания структурных средств контроля улавливания газа в новых подходах используется сетевой анализ для количественной оценки структуры (т. Е. Топологии) и анализа ее корреляции с количеством остаточного газа. ^36–38 Действительно, если структура хорошо охарактеризована, измерение числа МакМуллина для конкретного электролита может служить приблизительной мерой количества захваченного газа в структуре для этого электролита и набора условий заполнения.

Изучая начальное смачивание конструкций батареи во время заполнения, можно оценить общее количество газовой фазы, которая будет улавливаться в ячейке, и разработать конструктивные решения для минимизации этого остаточного насыщения во время заполнения.Однако важно иметь в виду, что эти газовые образования внутри пористой структуры, образовавшейся во время заполнения, являются метастабильными. Во время работы от батареи происходит множество динамических процессов, таких как изменение объема активных материалов, механическое напряжение ³⁹ , деформация и растрескивание материалов ⁸ или выделение газа. Эти процессы могут привести к большим локальным силам, которые могут привести к перераспределению остаточной газовой фазы в конструкции батареи, что приведет к влиянию времени на производительность и старение батареи.Динамика газовых включений в конструкциях — важная тема для будущего моделирования, чтобы определить влияние заключенного газа на характеристики батареи и старение.

Электролиты

Электролиты, использованные в этом исследовании, содержали 4 различных растворителя: пропиленкарбонат (PC), этиленкарбонат (EC), диметилкарбонат (DMC) и этилметилкарбонат (EMC). Все растворы электролитов были из материала аккумуляторного качества (H ₂ 0 <15 ppm, HF <50 ppm) и были приобретены у Sigma-Aldrich Chemie GmbH (Buchs, Швейцария).Были заказаны ПК, DMC, EMC, EC-DMC и EC-EMC, содержащие 1M LiPF ₆ , и использовались в том виде, в каком они были получены. ЭК нагревали до 60 ° C и добавляли 1M LiPF ₆ (Strem Chemicals, 99,9 +%; сушили в вакууме при 25 ° C в течение одного дня перед использованием). PC-EMC и EC-PC получали смешиванием равных по объему частей компонентов. Все приготовления и измерения проводились в атмосфере инертного аргона.

Сепаратор

Мы исследовали коммерческий мокрый вытянутый полиэтиленовый сепаратор (PE16A, полученный от Targray Technology International Inc., Киркленд, Квебек, Канада). Сепаратор имел толщину 16 мкм м, заданную пористость 40 ± 5% и заданное значение Герли 180 ± 50 с. Мы ранее визуализировали трехмерную микроструктуру этого сепаратора с помощью томографии с фокусированным ионным пучком (FIB-SEM) и определили его эффективные коэффициенты направленного переноса, ^25,40 , его топологические свойства, ²³ и смоделировали его механический отклик и производительность изменяются при приложении внешнего давления. ⁸ Двоичный набор данных структуры разделителя PE16A доступен с открытым исходным кодом. ²⁴

Статические измерения угла смачивания

Статические измерения угла смачивания при комнатной температуре были выполнены с использованием системы измерения угла смачивания Krüss G2 / G40 2.05-D (Krüss GmbH, Гамбург, Германия). Для измерений на поверхность мембран осторожно наносили 5 мкл мкл капель. Через 45 секунд было получено высококонтрастное изображение и проанализировано с использованием процедуры «тангенциального метода 2» (программное обеспечение, поставляемое производителем: DSA 3 Version 1.72). Для каждого электролита было проанализировано минимум 5 индивидуальных измерений.

Измерения поверхностного натяжения

Измерения поверхностного натяжения при комнатной температуре были выполнены с использованием системы измерения угла смачивания Krüss G2 / G40 2.05-D (Krüss GmbH, Гамбург, Германия) с применением метода висящей капли. Для проведения измерений через иглу с диаметром отверстия 0,93 мм было выдано 6 мкм л капель с расходом 200 мкм л мин ^-1 . Были получены высококонтрастные изображения и данные были проанализированы с использованием программного обеспечения, поставляемого производителем (программное обеспечение, поставляемое производителем: DSA 3 Version 1.72). Плотность электролитов, необходимая для расчета поверхностного натяжения, была взята из спецификации производителя (для DMC, EMC, EC / DMC, EC / EMC, PC) или измерена с помощью высокоточных весов (аналитические весы Mettler Toledo XSR; для EC / PC, PC / EMC). Для каждого электролита было проанализировано минимум 5 индивидуальных измерений.

Измерения вязкости

Измерения вязкости проводили с использованием коммерческого реометра (MCR 502; Anton Paar, Грац, Австрия) в геометрии концентрического цилиндра с использованием цилиндра с двойным зазором (DG26.7: внешний радиус 12,33 мм, объем пробы 3,62 мл). Температуру поддерживали на уровне 25 ° C, а изменение скорости сдвига выполняли между 10 с ^-1 и 1000 с ^-1 .

Измерения числа МакМуллина с помощью спектроскопии электрохимического импеданса

Измерения электрохимического импеданса (EIS) выполняли, как описано ранее. ^20,25 Вкратце, сепаратор PE16A был зажат между двумя электродами из нержавеющей стали электрохимической испытательной ячейки ECC-Std (EL-CELL GmbH, Гамбург, Германия) в атмосфере аргона.Электролит заполняли при пониженном давлении приблизительно 15 кПа перед герметичным закрытием ячейки. Ячейку для испытаний помещали в температурную камеру (MK53, Binder, Tuttlingen, Германия) и оставляли не менее 4,5 часов для температурного уравновешивания при 25 ° C. Измерения импеданса выполнялись в диапазоне от 0,1 Гц до 300 кГц и при амплитуде переменного тока 10 мВ с использованием потенциостата VMP3 (Biologic, Claix, Франция). Объемное сопротивление, R _b , пропитанных электролитом сепараторов было определено из высокочастотного пересечения спектров импеданса, а ионная проводимость впоследствии рассчитана в соответствии с где d — толщина мембраны сепаратора (16 мкм м), А — площадь электродов из нержавеющей стали (2.55 см ² ). Числа МакМуллина на основе EIS, N _{m, EIS} , были рассчитаны путем деления проводимости чистого электролита σ ₀ на проводимость сепаратора, заполненного электролитом, σ _eff :

Для каждого электролита было проведено не менее трех независимых экспериментов EIS.

Моделирование заполнения электролитом с помощью Geodict

Мы использовали модуль SatuDict программного обеспечения GeoDict2019 (Math3Market GmbH, Кайзерслаутен, Германия) для моделирования заполнения электролитом сухого сепаратора PE16A.Бинаризованная трехмерная микроструктура этого сепаратора доступна из предыдущих исследований ^25,40 и была импортирована в Geodict. Десять проанализированных структур имели длину кромки 3 мкм м и были выбраны случайным образом из микроструктуры.

Модуль SatuDict использует метод морфологии пор ^41,42 для вычисления распределения двух флюидов с использованием алгоритма, основанного на методе морфологии пор, известного как «максимальные вписанные сферы». Начиная с резервуара с электролитом, программный модуль проталкивает сферы заданного размера через структуру пор, пока они не застрянут.Затем радиус сферы уменьшается и заполнение продолжается. Газ попадает в структуру, если небольшие поры обходятся путем проталкивания сфер, проходящих параллельно с более крупными порами. Результатом этого метода является последовательность квазистационарных двухфазных распределений, которая используется для расчета кривой капиллярного давления, зависящей от насыщения. Для этого капиллярное давление, P _c , рассчитывается из радиуса сфер, которые перемещаются через структуру, с использованием уравнения Юнга-Лапласа.Поскольку SatuDict основан на квазистатической модели, динамические объемные потоки, основанные на гравитационных силах или приложенном гидростатическом давлении, не рассматриваются.

Мы использовали модель Imbibition 3 в SatuDict и смоделировали поглощение электролита электролитами, PC, EMC и EC / EMC. Для моделирования краевые углы и поверхностное натяжение были установлены на значения, измеренные для соответствующего электролита (см. Таблицу I). Предполагалось, что смачивающий резервуар находится над мембраной в направлении сквозной плоскости (Z +).Остальные пять интерфейсов были смоделированы с несмачивающими граничными условиями. Коэффициент диффузии в направлении Z был рассчитан для окончательно заполненной структуры с остаточной несмачивающей фазой с использованием набора инструментов DiffuDict в GeoDict, применяя симметричные граничные условия.

Эта работа была поддержана исследовательским грантом ETH и стартовым грантом ERC (680070). Мы благодарим доктора Микеле Занини (Лаборатория поверхностных исследований и технологий, ETH Zurich) и доктора Thomas Schweizer (Soft Materials, ETH Zurich) за техническую поддержку и использование их лабораторного оборудования.Мы также благодарим доктора Свена Линдена (Math3Market GmbH, Кайзерслаутен) за полезные обсуждения.

DOE объясняет … Батареи | Министерство энергетики

Аккумуляторы и аналогичные устройства принимают, хранят и отпускают электроэнергию по запросу. В батареях используется химия в форме химического потенциала для хранения энергии, как и во многих других повседневных источниках энергии. Например, бревна хранят энергию в своих химических связях, пока при горении энергия не преобразуется в тепло. Бензин — это запасенная химическая потенциальная энергия, пока она не преобразуется в механическую энергию в двигателе автомобиля.Точно так же, чтобы батареи работали, электричество должно быть преобразовано в форму химического потенциала, прежде чем оно может быть легко сохранено. Батареи состоят из двух электрических клемм, называемых катодом и анодом, разделенных химическим материалом, называемым электролитом. Чтобы принимать и высвобождать энергию, батарея подключается к внешней цепи. Электроны движутся по цепи, в то время как одновременно ионы (атомы или молекулы с электрическим зарядом) движутся через электролит. В перезаряжаемой батарее электроны и ионы могут двигаться в любом направлении через цепь и электролит.Когда электроны движутся от катода к аноду, они увеличивают химическую потенциальную энергию, заряжая таким образом аккумулятор; когда они движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электрическую цепь и разряжают батарею. Во время зарядки или разрядки противоположно заряженные ионы перемещаются внутри батареи через электролит, чтобы уравновесить заряд электронов, проходящих через внешнюю цепь, и создать устойчивую перезаряжаемую систему. После зарядки аккумулятор может быть отключен от цепи для хранения химической потенциальной энергии для последующего использования в качестве электричества.

Батареи были изобретены в 1800 году, но их химические процессы сложны. Ученые используют новые инструменты, чтобы лучше понять электрические и химические процессы в батареях, чтобы создать новое поколение высокоэффективных аккумуляторов электроэнергии. Например, они разрабатывают улучшенные материалы для анодов, катодов и электролитов в батареях. Ученые изучают процессы в аккумуляторных батареях, потому что они не полностью меняются, когда батарея заряжается и разряжается.Со временем отсутствие полной замены может изменить химический состав и структуру материалов батареи, что может снизить производительность и безопасность батареи.

Департамент науки и хранения электроэнергии Министерства энергетики США

Исследования, проведенные при поддержке Управления науки Министерства энергетики США и Управления фундаментальных энергетических наук (BES), привели к значительным улучшениям в хранении электроэнергии. Но мы все еще далеки от комплексных решений для хранения энергии следующего поколения с использованием совершенно новых материалов, которые могут значительно увеличить количество энергии, которое может хранить батарея.Это хранилище имеет решающее значение для интеграции возобновляемых источников энергии в нашу систему электроснабжения. Поскольку усовершенствование аккумуляторных технологий имеет важное значение для повсеместного использования подключаемых к электросети электромобилей, хранение также является ключом к уменьшению нашей зависимости от нефти при транспортировке.

BES поддерживает исследования отдельных ученых и в многопрофильных центрах. Самый крупный центр — Объединенный центр исследований в области накопления энергии (JCESR), центр энергетических инноваций Министерства энергетики США. Этот центр изучает электрохимические материалы и явления на атомном и молекулярном уровне и использует компьютеры для разработки новых материалов.Эти новые знания позволят ученым разработать более безопасные накопители энергии, которые служат дольше, заряжаются быстрее и обладают большей емкостью. По мере того как ученые, поддерживаемые программой BES, достигают новых успехов в науке об аккумуляторах, эти достижения используются прикладными исследователями и промышленностью для продвижения приложений в области транспорта, электросетей, связи и безопасности.

Факты о хранении электрической энергии

• Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена совместно Джону Б.Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Йошино «за разработку литий-ионных батарей».
• Компания Electrolyte Genome в JCESR создала вычислительную базу данных, содержащую более 26 000 молекул, которую можно использовать для расчета основных свойств электролита для новых, усовершенствованных аккумуляторов.

Ресурсы и связанные термины

Научные термины могут сбивать с толку. DOE Explains предлагает простые объяснения ключевых слов и концепций фундаментальной науки.В нем также описывается, как эти концепции применяются к работе, которую проводит Управление науки Министерства энергетики США, поскольку это помогает Соединенным Штатам преуспеть в исследованиях по всему научному спектру.

Insight по проникновению электролита в электроды ионно-литиевой батареи с помощью новой решетки с трехмерным разрешением Boltzmann model

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.029Получить права и контент

HIGHLIGHTS

•

Для моделирования инфильтрации электролита литий-ионных батарей использовалась 3D-модель LBM

•

Модель явно учитывает сложную геометрию электродов, газообразный воздух и жидкий электролит

•

Основной особенности кривой насыщения электролита были проанализированы для различных электродов.

•

В исследовании также подчеркивается значение степени смачивания электрода на его электрохимические характеристики

РЕЗЮМЕ

Заполнение электролитом происходит между запечатыванием и формированием в литий-ионном аккумуляторе. Процесс производства аккумуляторов (LIB).Этот шаг имеет решающее значение, поскольку он напрямую связан с качеством LIB и влияет на последующий трудоемкий процесс смачивания электролитом. Хотя быстрое, однородное и полное смачивание имеет первостепенное значение, этот процесс недостаточно изучен и полностью изучен. Например, экспериментально доступных данных недостаточно, чтобы полностью зафиксировать сложное взаимодействие при заполнении электролитом и воздухом внутри пористого электрода. Здесь мы впервые сообщаем о трехмерной модели решеточного метода Больцмана (LBM), способной моделировать заполнение электролитом при приложении давления пористых электродов LIB, полученную как в результате экспериментов (микрорентгеновская томография), так и расчетов (стохастическая генерация, моделирование производственный процесс с использованием крупнозернистой молекулярной динамики и метода дискретных элементов).Модель позволяет получить расширенное представление о влиянии мезоструктур электродов на скорость пропитки и смачивания электролита, подчеркивая важность пористости, распределения пор по размерам и взаимосвязи пор для динамики заполнения. Кроме того, мы определяем сценарии, в которых появляются объемы с воздухом в ловушке (мертвые зоны), и оцениваем их влияние на электрохимическое поведение электродов.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

Литий-ионные аккумуляторы

Производственный процесс

Заполнение электролитом

Моделирование решетки Больцмана

Гидродинамика

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

© 2021 Автор (ы).Опубликовано Elsevier BV

Рекомендуемые статьи

Цитирующие статьи

Монокарборановый кластер как стабильный электролит кальциевой батареи, не содержащий фтора

Во-первых, атомные отношения Ca, Cs и B в CMC были определены с помощью ICP-MS и ICP- OES (Таблица S1). Поскольку соотношение Cs / Ca было менее 1/10 000, соль Cs почти полностью превращалась в соль Ca. Кроме того, соотношение Са / В составляло 1 / 21,96, что близко к теоретически определенному соотношению 1/22 в КМЦ (Ca [CB ₁₁ H ₁₂ ] ₂ ).Чтобы охарактеризовать [CB ₁₁ H ₁₂ ] ^— анион и H ₂ O в CMC, измерения спектроскопии комбинационного рассеяния и измерения ЯМР были оценены для CMC и CMC‧nH ₂ O (рис. 1a, b) . Спектры комбинационного рассеяния света CMC и CMC‧nH ₂ O демонстрируют различные моды деформационных колебаний [CB ₁₁ H ₁₂ ] ^— ниже 1200 см ^-1 . Кроме того, пик комбинационного рассеяния при 3050 см ⁻¹ был приписан валентной C – H-моде аниона [CB ₁₁ H ₁₂ ] ^– (рис.1c) ³⁴ . Пик комбинационного рассеяния, наблюдаемый при 3600 см ⁻¹ для CMC · nH ₂ O, приписываемый моде O – H H ₂ O ³⁵ , не был обнаружен для CMC, что указывает на то, что гидратированная вода может быть в основном удаляется из КМЦ простым нагреванием, аналогичным удалению комплексного гидрида Са клозо-типа CaB ₁₂ H ₁₂ ^{30, 32} . Эти результаты согласуются со спектрами ЯМР ¹¹ B и ¹ H ^{28, 36} . Для детального исследования содержания воды в CMC и CMC‧nH ₂ O метод титрования Карла-Фишера был применен для двух электролитов, приготовленных из 5 мл DME / THF (содержание воды менее 10 ppm) с 20 мг CMC или CMC‧nH ₂ O.Содержание воды в КМЦ в ДМЭ / ТГФ было измерено как 15 ч. / Млн, в то время как содержание воды в КМЦ‧nH ₂ O в ДМЭ / ТГФ было измерено как 1178 ч. / Млн. Разница в 5 частей на миллион в содержании воды не повлияет на работу батареи; это различие может быть компенсировано добавлением молекулярных сит в электролит CMC. При расчете содержания воды CMC · nH ₂ O можно выразить как CMC · 6H ₂ O, что согласуется с потерей веса, вызванной термообработкой, определенной термогравиметрическим анализом (рис.S1).

Рис. 1

( a ) Рамановские спектры монокарборана кальция (CMC) (оранжевый) и CMC · nH ₂ O (синий). ( b ) ¹¹ B и ¹ H спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) CMC (оранжевый) и CMC · nH ₂ O (синий). ( c ) Геометрия аниона [CB ₁₁ H ₁₂ ] ^— (черные, зеленые и синие сферы обозначают атомы C, B и H соответственно). ( d ) Фотографии КМЦ, диспергированной / растворенной в 1,2-диметоксиэтане (ДМЭ), тетрагидрофуране (ТГФ) и смеси ДМЭ / ТГФ.( e ) Диаграмма растворимости CMC в смесях DME / THF с различными соотношениями растворителей. ( f ) Взаимосвязь между проводимостью и растворимостью CMC (подробности см. В таблице S2 и на рис. S2). Термическая стабильность показана на рис. S4. Электропроводность твердофазной КМЦ была измерена с помощью EIS и показана на рис. S5.

Ca электролиты были приготовлены растворением КМЦ в слабо координирующих растворителях, что позволило диссоциации солей Ca ^37,38,39 . В качестве слабо координирующих растворителей были выбраны ТГФ, ДМЭ и смесь ДМЭ / ТГФ (1: 1, об. / Об.), А растворимость КМЦ была оценена методом ICP-OES с использованием насыщенных растворов.На рис. 1d показаны фотографии 5 мг КМЦ, растворенных или диспергированных в 1 мл растворителя. Интересно, что хотя растворимость КМЦ в ДМЭ и ТГФ была очень низкой (<0,0033 и 0,0026 М соответственно), в ДМЭ / ТГФ она была высокой (> 0,75 М). Исследование поведения растворимости КМЦ в бинарных смесях ТГФ и ДМЭ было проведено при комнатной температуре, где на рис. 1д показана диаграмма растворимости КМЦ в смешанных растворителях ДМЭ / ТГФ с различным соотношением. Наибольшая растворимость на диаграмме наблюдается при соотношении растворителей приблизительно 1/1 (об. / Об.).Об аналогичном улучшении растворимости сообщалось при использовании смешанных растворителей для нескольких солей, содержащих комплексные гидридные анионы кластерного типа, таких как Mg (CB ₁₁ H ₁₂ ) ₂ , Li ₂ B ₁₀ Cl ₁₀ и Li ₂ B ₁₂ Cl ₁₂ ^{29, 40} . Одна из возможностей улучшенной растворимости, наблюдаемой в настоящем исследовании, заключается в том, что смешанные растворители могут быть функционализированы монокарборановым кластерным анионом одним или несколькими фрагментами ⁴¹ .Механизм и роль смешанного растворителя могут быть выяснены с помощью расчетов квантовой химии и рентгеновской абсорбционной спектроскопии электролита ^{42, 43} , которые предоставят информацию о координационной структуре, окружающей катион Ca ²⁺ и [CB ₁₁ H ₁₂ ] ^— анион; мы планируем провести такие исследования в наших будущих исследованиях. Эти электропроводности были определены с использованием симметричной ячейки с Au-электродом, при этом константа ячейки была получена путем калибровки ячейки с использованием 0.08% KCl и использовались для расчета электропроводности электролита. Расчетная проводимость 0,5 M CMC / DME / THF (4,0 мСм см ^-1 ) была больше, чем у CMC / DME (0,073 мСм ^-1 ) и CMC / THF (0,036 мСм см ^-1 ). , и того же порядка, что и у ранее описанного электролита Ca [B (hfip) ₄ ] ₂ (рис. 1f, S2, S3 и таблица S2) ¹³ .

Электрохимические исследования проводились с использованием 0,5 М КМЦ / ДМЭ / ТГФ. Гальваническое покрытие / удаление Ca проводили посредством CV при 20 мВ с ^-1 с трехэлектродной установкой с использованием металлического Ca в качестве электрода сравнения и противоэлектрода и металла Au в качестве рабочего электрода.Типичное поведение металлического покрытия / снятия изоляции наблюдалось при катодном / анодном сканировании (рис. 2а). Осаждение кальция началось при –220 мВ при катодном сканировании, а при анодном сканировании ток начал возрастать при ∼ 80 мВ, что указывает на удаление нанесенного покрытия из Ca. После кондиционирования в течение трех циклов (рис. S6) нанесение покрытия / снятие покрытия продолжалось с меньшим перенапряжением и улучшенной обратимостью. Более того, кулоновский КПД увеличился до прибл. 88% в течение первых нескольких циклов, а затем оставались стабильными в течение 30-го цикла (рис.2б). Недостаточная кулоновская эффективность, по-видимому, является результатом частично разложившегося электролита CMC / DME / THF на Au-электроде и образования мертвого Ca, который электрически изолирован от электрода. Это будет обсуждаться в другом разделе этого документа вместе с результатами SEM / EDS. Даже если рабочий электрод Au заменить электродом из другого металла (например, Pt, Cu и SUS), все равно будут получены низкие перенапряжение, обратимость и умеренная кулоновская эффективность (рис.S7). С другой стороны, при использовании электролитов 0,1 M CMC в диглиме и 0,1 M CMC в триглиме не наблюдалось поведения покрытия / удаления Ca (рис. S8). Учитывая влияние типа эфирного растворителя и координации анионов на Са, некомпетентность этих электролитов возникает из-за того, что координация Са с диглимом и триглимом более сильна, чем координация Са с ДМЭ и ТГФ ³⁷ .

Рисунок 2

( a ) Циклические вольтамперограммы осаждения / снятия Ca после циклов кондиционирования при 20 мВ с ^-1 с трехэлектродной установкой с использованием Au в качестве рабочего электрода и Ca в качестве электрода сравнения и противоэлектрода в комнате температура.Циклические вольтамперограммы для начальных трех циклов в качестве процессов кондиционирования показаны на рис. S6. ( b ) Кулоновский КПД, определенный из циклических вольтамперограмм. На вставке: баланс заряда за циклы 4–10.

Чтобы предоставить прямые доказательства ионной проводимости Ca через электролит CMC / DME / THF, мы собрали Ca | CMC / DME / THF | Au ячейка и нанесенный Ca на Au электрод при комнатной температуре. В разобранной ячейке отложения выглядели как черный порошок на Au-электроде, который был промыт DME / THF (рис.3а). Черный порошок на Au-электроде и сепараторе был удален и собран для измерения XRD, которое показало, что преобладающим продуктом является металлический Ca в форме α-Ca и β-Ca, а также небольшое количество CaH ₂ (рис. . S9). Эти широкие пики с низкой интенсивностью указывают на небольшой размер и низкую кристалличность всех нанесенных материалов. Затем морфология отложений на Au-электродах в электролите CMC / DME / THF была исследована с помощью SEM и EDS и показала однородно диспергированные сферические частицы (рис.3b, c и S10). Отложения сферических частиц имеют форму, аналогичную форме отложений Ca, приготовленных в электролите Ca (BH ₄ ) ₂ –LiBH ₄ –THF ⁴⁴ . Профиль EDS показывает, что отложения в основном состоят из Ca, O и C со следовыми количествами B (рис. 3b). Большое количество O образовалось из высокореактивных свежих отложений Ca, которые ненадолго подвергались воздействию воздуха перед наблюдением EDS (рис. 3c). Умеренные количества C и B, вероятно, были вызваны восстановлением электролита при низких потенциалах или остаточной КМЦ.Массовая доля Са в типичной частице была рассчитана как 84%, если исключить вклад содержания Au. Соответственно, мы сделали вывод, что носителем заряда в этой системе является Ca.

Рис. 3

( a ) Оптическое изображение Au-электрода после процесса покрытия Ca. ( b ) Профиль энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) в желтом квадрате. ( c ) Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) отложений Ca на Au-электроде после осаждения Ca в Au | CMC / DME / THF | Клетки Ca и карты EDS для Ca, Au, O и B.

Кроме того, черные отложения наблюдались на сепараторе стекла после его отслаивания от Au электрода (рис. S11). Отложения собирали из стеклянного сепаратора для анализа SEM и EDS, наклеивая углеродную ленту на стекло, а затем снимая ее. Полученные изображения показывают, что отложения содержат металлический Ca и их размер относительно больше, чем на Au-электроде (Рис. S12). Плохая адгезия к Au-электроду указывает на то, что они легко теряют контакт с электродом, что приводит к образованию мертвого Ca.Это образование мертвого Ca и восстановление электролита при низких потенциалах может вызвать недостаточную кулоновскую эффективность во время процессов покрытия / удаления кальция.

Чтобы исследовать анодную стабильность системы электролита CMC / DME / THF, дальнейшие измерения CV были выполнены с использованием Au-электродов с различными диапазонами напряжения (рис. 4). Плотность тока увеличивалась при потенциале примерно 4 В с последующим подавлением дальнейшего пробоя электролита и отсутствием значительной катодной плотности тока во время обратной развертки потенциала даже при более высоком напряжении ~ 7 В.Этот результат согласуется с поведением, наблюдаемым в электролитах, содержащих анионы карборана с катионами магния и тетраэтиламмония, а не в электролитах, содержащих анионы BH ₄ ^{17, 45} .

Рисунок 4

Циклические вольтамперограммы при 1 мВ с ⁻¹ с различными диапазонами напряжения выше 5 В (синий), 6 В (оранжевый), 7 В (зеленый) и 8 В (фиолетовый). Стрелки указывают направление движения во время вольтамперометрии. (d) Циклические характеристики Ca | CMC / DME / THF | Ячейка Ca при плотности тока 0.02 мА см ⁻² .

Наконец, чтобы исследовать возможность использования электролита CMC, мы провели исследовательский тест с использованием Ca – S батареи, которая является очень многообещающей системой из-за ее высокой теоретической плотности энергии 3202 Вт · ч л ^{-1 46} . Батарея Ca – S, а именно. Ca | CMC / DME / THF | S / C был протестирован с плотностью тока 167,2 мА g ^-1 (0,1 C на S) при комнатной температуре (рис. 5a). Начальная разрядная и зарядная емкости катода S / C составляли до 805 и 750 мАч g ⁻¹ соответственно.Кроме того, он показал плоское плато напряжения ~ 2,4 В относительно Ca ²⁺ / Ca, соответствующее окислительно-восстановительным реакциям серы с Ca (вставка на рис. 5a) ^{47, 48} . Чтобы получить информацию о реакции конверсии катода S / C с Ca, измерения XPS были выполнены на исходном электроде и электроде после разряда. Спектры S 2p исходного катода S / C демонстрируют дублет спин-орбитального расщепления для элементарной S с пиками S 2p _3/2 и S 2p _1/2 при 164.0 и 165,2 эВ соответственно (рис. 5б вверху). После того, как электрод разряжен до 0,5 В, спектры сигнала S 2p можно деконволюционировать на три дублетных пика. Помимо пиков элементарной S, новые пики при 160,3 эВ и 162,2 эВ, приписываемые концевому атому серы в полисульфидах CaS _x (2 ≤ x <8) и сульфиде кальция (CaS), соответственно, отражают эффективное превращение S в сульфиды (нижняя часть рис. 5б). Этот результат демонстрирует практическую применимость электролита CMC для батарей Ca – S при комнатной температуре с металлическим анодом из Ca.

Рисунок 5

( a ) Электрохимические характеристики Ca – S батарей с электролитом CMC / DME / THF в диапазоне напряжений от 0,5 до 3,2 В; на вставке показаны дифференциальные емкости (dQ / dV), полученные из соответствующей кривой заряда-разряда. ( b ) Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) S 2p-спектры S / C-электродов в исходном (вверху) и разряженном (внизу) состояниях.

Таким образом, мы разработали высокостабильный и эффективный кальциевый электролит, не содержащий фтора, на основе монокарборан-аниона, а именно.электролит CMC для кальциевых батарей комнатной температуры. Соли КМЦ были успешно получены с помощью простых процессов катионообмена и нагревания, что указывает на то, что синтетический метод с использованием водного раствора масштабируем и очень перспективен с точки зрения применения. Соль КМЦ демонстрирует низкую растворимость в ТГФ и ДМЭ, но высокую растворимость в смешанном растворителе ДМЭ / ТГФ (1/1, об. / Об.). Электролит CMC при 0,5 M показал наиболее многообещающие электрохимические характеристики, а именно высокую проводимость, широкий диапазон напряжений и обратимое покрытие / удаление Ca с высокой кулоновской эффективностью.В технико-экономическом обосновании мы использовали электролит CMC в Ca – S батарее, демонстрирующей обратимые возможности разряда и заряда, а также высокую емкость 805 мАч g ^–1 , демонстрируя, что электролит CMC совместим с батареей Ca – S система. Разработка многообещающего кандидата в электролит на основе сложных гидридов, совместимых с батареями Ca, создаст в будущем возможности для изучения других родственных сложных гидридных соединений, таких как соли Ca ^{26, 49,50,51,52} . Кроме того, отсутствие фтора и образования CaF ₂ в этих материалах, по сути, проложит путь для достижения высокой циклируемости в батареях с кальцием.Эти открытия будут способствовать разработке практических электролитов для перезаряжаемых кальциевых батарей при комнатной температуре.

Новый электролит аккумулятора может повысить производительность электромобилей — ScienceDaily

Новый электролит на основе лития, изобретенный учеными Стэнфордского университета, может проложить путь для следующего поколения электромобилей с батарейным питанием.

В исследовании, опубликованном 22 июня в журнале Nature Energy , исследователи из Стэнфорда демонстрируют, как их новая конструкция электролита повышает производительность литий-металлических батарей — многообещающей технологии для питания электромобилей, ноутбуков и других устройств.

«Большинство электромобилей работают на литий-ионных батареях, которые быстро приближаются к своему теоретическому пределу по плотности энергии», — сказал соавтор исследования И Цуй, профессор материаловедения, инженерии и фотоники в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. «Наше исследование было сосредоточено на литий-металлических батареях, которые легче, чем литий-ионные, и потенциально могут обеспечивать больше энергии на единицу веса и объема».

Литий-ионные батареи

, используемые во всем, от смартфонов до электромобилей, имеют два электрода — положительно заряженный катод, содержащий литий, и отрицательно заряженный анод, обычно сделанный из графита.Раствор электролита позволяет ионам лития перемещаться между анодом и катодом, когда батарея используется и когда она заряжается.

Литий-металлический аккумулятор может содержать примерно вдвое больше электроэнергии на килограмм, чем современный литий-ионный аккумулятор. Литий-металлические батареи делают это путем замены графитового анода металлическим литием, который может хранить значительно больше энергии.

«Литий-металлические батареи очень перспективны для электромобилей, где вес и объем имеют большое значение», — сказал соавтор исследования Женан Бао, специалист K.К. Ли Профессор инженерной школы. «Но во время работы анод из металлического лития вступает в реакцию с жидким электролитом. Это вызывает рост микроструктур лития, называемых дендритами, на поверхности анода, что может привести к возгоранию батареи и ее выходу из строя».

Исследователи потратили десятилетия, пытаясь решить проблему дендритов.

«Электролит был ахиллесовой пятой литий-металлических батарей», — сказал соавтор исследования Чжао Юй, аспирант по химии.«В нашем исследовании мы используем органическую химию, чтобы рационально спроектировать и создать новые, стабильные электролиты для этих батарей».

Для исследования Ю и его коллеги выяснили, могут ли они решить проблемы стабильности с помощью обычного, коммерчески доступного жидкого электролита.

«Мы предположили, что добавление атомов фтора к молекуле электролита сделает жидкость более стабильной», — сказал Юй. «Фтор — широко используемый элемент в электролитах для литиевых батарей. Мы использовали его способность притягивать электроны, чтобы создать новую молекулу, которая позволяет металлическому литиевому аноду хорошо работать в электролите.«

В результате получилось новое синтетическое соединение, сокращенно FDMB, которое можно легко производить в больших объемах.

«Конструкции электролитов становятся очень экзотичными, — сказал Бао. «Некоторые из них оказались многообещающими, но их производство очень дорогое. Молекулу FDMB, которую придумал Чжиао, легко производить в больших количествах и она довольно дешевая».

Команда Стэнфорда провела испытания нового электролита в литий-металлической батарее.

Результаты были впечатляющими. Экспериментальная батарея сохранила 90 процентов своего первоначального заряда после 420 циклов зарядки и разрядки.В лабораториях типичные литий-металлические батареи перестают работать примерно через 30 циклов.

Исследователи также измерили, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом во время зарядки и разрядки, это свойство известно как «кулоновская эффективность».

«Если вы зарядите 1000 ионов лития, сколько вы получите обратно после разрядки?» — сказал Цуй. «В идеале вы хотите 1000 из 1000 для 100-процентного кулоновского КПД. Чтобы быть коммерчески жизнеспособным, элемент батареи должен иметь кулоновский КПД не менее 99.9 процентов. В нашем исследовании мы получили 99,52 процента в половинных ячейках и 99,98 процентов в полных ячейках; невероятная производительность ».

Для потенциального использования в бытовой электронике команда Стэнфордского университета также провела испытания электролита FDMB в безанодных литий-металлических ячейках — коммерчески доступных батареях с катодами, которые поставляют литий на анод.

«Идея состоит в том, чтобы использовать литий только на катодной стороне, чтобы уменьшить вес», — сказал соавтор исследования Хансен Ван, аспирант в области материаловедения и инженерии.«Безанодная батарея проработала 100 циклов, прежде чем ее емкость упала до 80 процентов — не так хорошо, как эквивалентная литий-ионная батарея, которая может выдерживать от 500 до 1000 циклов, но все же одна из самых эффективных безанодных элементов. »

«Эти результаты показывают многообещающие результаты для широкого диапазона устройств», — добавил Бао. «Легкие безанодные батареи будут привлекательным элементом для дронов и другой бытовой электроники».

Министерство энергетики США (DOE) финансирует большой исследовательский консорциум под названием Battery500, чтобы сделать литий-металлические батареи жизнеспособными, что позволит производителям автомобилей создавать более легкие электромобили, способные преодолевать гораздо большие расстояния между зарядками.Это исследование было частично поддержано грантом консорциума, в который входят Стэнфорд и SLAC.

За счет улучшения анодов, электролитов и других компонентов Battery500 стремится почти в три раза увеличить количество электроэнергии, которое может выдать литий-металлическая батарея, с примерно 180 ватт-часов на килограмм, когда программа стартовала в 2016 году, до 500 ватт-часов на килограмм. Более высокое отношение энергии к весу, или «удельная энергия», является ключом к решению проблемы запаса хода, которую часто испытывают потенциальные покупатели электромобилей.

«Батарея без анода в нашей лаборатории обеспечивает мощность около 325 ватт-часов на килограмм удельной энергии, приличное число», — сказал Цуй. «Нашим следующим шагом могла бы стать совместная работа с другими исследователями Battery500 над созданием ячеек, которые приблизятся к цели консорциума — 500 ватт-часов на килограмм».

Помимо более длительного срока службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее воспламеняем, чем обычные электролиты.

«Наше исследование в основном обеспечивает принцип конструкции, который люди могут применять для создания более качественных электролитов», — добавил Бао.«Мы только что показали один пример, но есть много других возможностей».

Сколько воды должно быть в 12-вольтовой батарее? — Домашний аккумулятор банк

Покупка свинцово-кислотных аккумуляторов — не самое захватывающее занятие в мире, и, если вы хотите приобрести аккумулятор для какой-то конкретной цели, поиск подходящего аккумулятора может оказаться трудным. После того, как покупка совершена, большинство людей устанавливают ее и расслабляются — никогда больше не думать о батарее.

Не попадитесь в эту ловушку! Если у вас нет герметичной / необслуживаемой свинцово-кислотной батареи , такой как гелевый элемент или AGM, свинцово-кислотной батарее , залитой водой , время от времени требуется небольшая TLC для проверки раствора воды и электролита.

Количество воды (электролита) в батарее с мокрым элементом должно быть на 1/8 ″ -1/4 дюйма ниже дна заливных трубок, которые проходят вниз от отверстия каждой батареи. Для заполнения низкого уровня воды следует использовать только дистиллированную воду.

Тем не менее, в пошаговом процессе из 10 частей я расскажу, как подготовиться к этой задаче, как часто следует проверять воду и как правильно проверять и обслуживать аккумулятор, с некоторыми ошибками новичка, на которые следует обратить внимание. из-за разбросанных повсюду.

---

Шаг 1.

Носите одежду, в которой нет дыр (длинный рукав, закрывающий кожу), носите защитные очки и резиновые перчатки . У меня также есть небольшое ведро с водой на всякий случай, если мне придется что-нибудь окунуть в него, чтобы разбавить кислоту, прежде чем отправиться к раковине.

• Здесь мы имеем дело с аккумуляторной (серной) кислотой. В случае попадания брызг он съест вашу одежду и обожжет кожу. Не рискуй!

Защитные очки и перчатки не подлежат обмену при работе с аккумуляторной кислотой!

Шаг 2:

Отсоедините от стены все, что прикреплено к вашей батарее, с помощью зажимов из крокодиловой кожи! Не беспокойтесь о кабелях, которые подключены к аккумуляторной батарее в вашем автомобиле, если они в хорошем состоянии.Кабели, которые надежно закреплены гайкой на резьбовом полюсе батареи, подходят. Просто убедитесь, что все активные зарядные устройства выключены.

• Область, где больше всего накапливается водород, находится прямо под крышкой. Газообразный водород чрезвычайно огнеопасен и взрывоопасен. Меньше всего мы хотим, чтобы был избыток газообразного водорода, чтобы вы ударили зажимом типа «крокодил» из клеммы, чтобы он зажег искру. Плохие вещи случаются с хорошими людьми! Не позволяйте этому случиться с вами!

Шаг 3:

Очистите верхнюю часть аккумулятора от грязи и мусора.

• Одноразовая тряпка с обычной водой или средство для мытья окон подойдет для этой задачи. Сотрите все, что видите. Высушите все намокшие поверхности.
• Вы собираетесь обнажить элементы батареи и не хотите, чтобы грязь или что-либо смешалось с кислотой.
• Особенно с моим автомобильным аккумулятором, который накапливает на нем много грязи и мертвых насекомых, я использую промышленный пылесос, чтобы пропылесосить любые щели вокруг крышек аккумуляторных элементов.

Шаг 4:

Чтобы получить доступ к элементам аккумулятора, удалите прямоугольные пластины на верхней части автомобильного или морского аккумулятора или поверните крышку аккумуляторного отсека на аккумуляторе тележки для гольфа.

• Вам понадобится отвертка с плоским жалом или аналогичный инструмент, чтобы приподнять пластину на автомобильном или морском аккумуляторе. Аккуратно двигайтесь по краю.
• Если было слишком много грязи или мусора, я рекомендую осторожно приподнять только небольшое количество (1/16 дюйма) со всех сторон и быстро нанести еще раз пылесосом по краям пластины, чтобы удалить все, что было прижато. там раньше.
• Не позволяйте используемому инструменту касаться обеих клемм аккумулятора.Опять же, газообразный водород не подвергается воздействию, и в это время нам не нужна искра.

Шаг 5:

Осмотрите уровень воды в каждой камере с помощью фонарика.

Красная линия — это край заправочной трубки с прорезями. Синий — это водная кривая под ним. Зеленый цвет — это промежуток 1/8 дюйма между предлагающими отражение. Вы можете увидеть свинцовые пластины в нижней части отверстия и прорезь для заливной трубки в верхней части отверстия.

• Уровни воды должны быть одинаковыми, а в идеале примерно на ⅛ дюйма ниже дна заливных трубок, идущих вниз от отверстия каждого из аккумуляторных элементов.
• Если мой автомобильный аккумулятор работал нормально и не доставлял мне проблем, а уровень воды выглядел хорошо, то на этом я закончил процесс. Я просто надеваю колпачок на место и продолжаю жить.
• Если ячейки неровные или очень низкие, мы переходим к следующему шагу.

Шаг 6:

Решите, нужно ли добавить дистиллированную воду (см. Ниже)

• Добавляйте воду только в том случае, если аккумулятор уже полностью заряжен .
• Если аккумулятор заряжен не полностью, но свинцовые пластины обнажены в элементе, вам нужно добавить столько воды, чтобы покрыть пластины. Зарядите аккумулятор (вручную или немного управляя им), а затем добавьте необходимое количество воды. После этого снова зарядите.

Шаг 7:

Добавьте дистиллированную воду

• Я считаю, что самый простой и безопасный способ сделать это — с помощью шприца. Имея детей, я обычно получаю их бесплатно с любым лекарством, которое я беру в местной аптеке.Просто слейте немного дистиллированной воды и осторожно добавьте столько, сколько вам нужно. Если вы не безрассудны, он устраняет разбрызгивание кислоты повсюду, переполнение, просто выливая кувшин, и всегда дает точные результаты каждый раз!
• Добавьте столько, чтобы было на 1/8 дюйма ниже наполнительной трубки с разрезным кольцом, которая частично выступает вниз от отверстия ячейки. Максимальное количество воды должно быть там, где она просто касается края заливной трубки.
• Мы используем только дистиллированную воду! Водопроводная вода, вода из колодца и все другие источники воды содержат минеральные отложения, химические вещества и примеси, которые со временем уменьшат емкость и срок службы вашей батареи.Вот почему так важно правильно очистить верхнюю часть батареи, чтобы ничего не попало в открытые элементы!

Шаг 8:

Установите на место крышку автомобильного или морского аккумулятора или поверните обратно крышку аккумулятора на аккумуляторе гольф-кары.

Шаг 9:

Вытрите пролитую или капли аккумуляторной кислоты влажной бумажной салфеткой или одноразовой тряпкой. Вытереть насухо. Сначала разведите в небольшом ведре с водой, а затем выбросьте тряпки.

Шаг 10:

Снова подключите зарядное устройство (если оно не подключено к машине).

• Если вы проверяете автомобильный аккумулятор, не беспокойтесь о том, чтобы сразу же запустить его, чтобы зарядить аккумулятор, если уровень воды был немного низким и его нужно было долить. Если с аккумулятором возникли какие-то проблемы или вы просто добавили воды из-за того, что пластины были обнажены, рекомендуется завести автомобиль и дать ему поработать некоторое время. Достаточно проехать пару миль по дороге, не включив кондиционер.
• Хорошее зарядное устройство всегда будет отличной идеей, если у вас есть аккумулятор, который испытывал некоторые проблемы.
• Если вам пришлось закрыть пластины из-за того, что они были обнажены, просто знайте, что ваша батарея уже испытала необратимые повреждения. Обязательно сначала следите за уровнем воды каждые пару дней, чтобы убедиться, что у вас нет треснувшей ячейки, которая протекает.

---

Важность удельного веса

Просто помните, что аккумуляторная кислота / электролит состоит в основном из 75% дистиллированной воды и 25% серной кислоты. Когда аккумулятор нагревается или проходит полную зарядку, он естественным образом теряет немного воды из-за испарения.Вот почему мы снова добавляем воду в аккумулятор. Кислоту обратно в аккумулятор не добавляем !

Простое добавление воды туда, где она должна быть, — отличный способ поддерживать порядок, но уровни воды показывают вам только одну часть уравнения. Нам также необходимо время от времени проверять «удельный вес», чтобы убедиться, что наша батарея в порядке.

Удельный вес — это в основном плотность электролита в каждой ячейке, или, другими словами, степень обводнения ячейки между соотношениями серной кислоты и воды в данный момент времени.Это меняется в зависимости от того, насколько заряжен аккумулятор, когда вы его измеряете.

Плотность серной кислоты меняется в каждой ячейке в зависимости от заряда батареи. Чем больше он заряжен, тем плотнее серная кислота в каждой ячейке. Чем больше батарея использовалась без зарядки, тем менее плотная серная кислота. Это связано с тем, что теперь он соединился со свинцовыми пластинами и изменил форму. При подзарядке аккумулятор снова попадает в электролитную смесь в элементе.

Для проверки удельного веса вам понадобится ареометр. Большинству людей, вероятно, сойдет с рук недорогой, вроде того, что можно увидеть здесь, на Amazon.

Погрузите трубку в электролит, осторожно сожмите ее несколько раз, чтобы перемешать электролит. Наберите большое количество электролита, пока он не достигнет линии наполнения, и убедитесь, что в нем нет пузырьков воздуха. Осторожно постучите по ареометру, чтобы устранить дисбаланс. Позвольте ему уладиться, и вы получите свое чтение. Убедитесь, что вода находится на уровне линии наполнения, и не держите ареометр под углом для получения точных показаний!

Помните, что когда вы закончите, промойте ваш ареометр изнутри дистиллированной водой , всасывая немного воды несколько раз.Я совершил эту ошибку и позволил ареометру простоять месяц без полоскания. Кислота сильно повредила лампочку.

Поврежден ареометр из-за того, что не промыл его дистиллированной водой после проверки батареи.

---

---

Заключение

Проверка и обслуживание батареи кажется утомительным процессом. Мы все время принимаем их как должное. Я поворачиваю ключ в машине, и она заводится. Что может пойти не так?

Когда вы думаете о том, насколько они важны для нашей повседневной жизни, вероятно, стоит проверять их почаще.Если вы делаете это только один раз в год, попробуйте делать это два раза в год. Если вы делаете это два раза в год, стремитесь раз в месяц. Чем чаще вы это делаете, тем меньше нужно чистить и тем быстрее идет процесс.

Именно такие детские шажки сохранят ваш аккумулятор в надлежащем состоянии заряда, когда он вам понадобится больше всего. Позаботьтесь о нем, и он позаботится о вас. Я надеюсь, что это помогло вам получить базовое представление об обслуживании аккумулятора и помочь вам чувствовать себя более комфортно, выполняя это самостоятельно. Если вы все еще пугаетесь или не уверены в каком-либо этапе процесса, было бы неплохо обратиться к тому, кто может наставлять вас в этом процессе!

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 журнале 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 первым сообщило 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.

.