Аккумулятор электролит: Электролит: основа свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов

Электролит: основа свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов

В качестве стартерных батарей в автотранспорте используются свинцово-кислотные аккумуляторы. Функционирование аккумулятора обеспечивается специальным раствором серной кислоты — электролитом. О том, что такое аккумуляторный электролит, каких типов он бывает, и как его использовать — читайте в статье.

Что такое электролит?

Аккумуляторный электролит — водный раствор серной кислоты, предназначенный для использования в свинцово-кислотных аккумуляторных батареях (АКБ). Электролит готовится путем растворения концентрированной серной кислоты в дистиллированной воде, молекулы кислоты в данном растворе диссоциируют (распадаются) на ионы — это явление наделяет электролит электропроводящими свойствами.

Аккумуляторный электролит имеет следующее назначение:

• Изготовление аккумуляторных батарей;
• Ввод в эксплуатацию сухозаряженных батарей;
• Восстановление АКБ при загрязнении или утечке электролита, коротких замыканиях между пластинами и других неисправностях.

Но прежде, чем применять электролит для той или иной цели, необходимо разобраться в его характеристиках и особенностях применения.

Зачем в аккумуляторе электролит?

Электролит, свинцовые пластины и пористый диоксид свинца (PbO₂) — три основных компонента свинцово-кислотного аккумулятора. Именно в присутствии кислотного электролита протекают электрохимические реакции, делающие возможным накопление и отдачу аккумулятором электрического заряда.

Во время разряда АКБ металлический свинец и оксид свинца вступают в реакцию с серной кислотой (точнее — с ее отрицательными ионами SO₄ и положительными ионами H), образуя сульфат свинца (PbSO₄) и воду, при этом на анодных пластинах выделяются избыточные электроны. На катодных пластинах, напротив, наблюдается недостаток электронов, благодаря этому при замыкании анода и катода между ними возникает электрический ток. Во время заряда АКБ проходят обратные реакции — под действием тока от стороннего источника из сульфата свинца образуются чистый свинец, диоксид свинца и кислота.

В ходе данных реакций количество серной кислоты и воды в электролите изменяется, что приводит к изменению его плотности и объема. При разряде АКБ концентрация кислоты понижается, а концентрация воды немного увеличивается, что приводит к падению плотности и к некоторому увеличению объема электролита. В процессе заряда плотность повышается, а объем несколько понижается.

Типы и характеристики электролитов

Электролит изготавливается смешиванием концентрированной серной кислоты и дистиллированной воды в строго определенных пропорциях. Для изготовления электролита используется специальная аккумуляторная серная кислота (по ГОСТ 667-73) и дистиллированная вода (по ГОСТ 6709-72). Данный раствор используется во всех типах современных свинцово-кислотных аккумуляторов.

Главная характеристика электролита — плотность. Для нормальной работы АКБ плотность электролита должна лежать в пределах 1,23-1,4 г/куб. см, так как именно при такой плотности раствор имеет максимальную электропроводность. Однако плотность концентрированной серной кислоты составляет 1,83 г/куб. см, поэтому для достижения необходимой плотности кислота смешивается с водой.

Плотность электролита в значительной степени зависит от двух параметров: температуры и степени заряда аккумулятора.

О зависимости плотности электролита в зависимости от заряда АКБ мы сказали выше: при заряде плотность повышается, при разряде — понижается. Зависимость плотности электролита от температуры простая: при снижении температуры плотность падает, при повышении — возрастает. Поэтому нормальная плотность определяет при температуре +25°C, а чтобы верно измерять плотность при любой температуре, используют таблицу поправок к показаниям ареометра:

Температура электролита, °C	Поправка к показаниям ареометра, г/куб. см
-55 … -41	-0,05
-40 … -26	-0,04
-25 … -11	-0,03
-10 … +4	-0,02
+5 … +19	-0,01
+20 … +30	0
+31 … +45	+0,01
+46 … +60	+0,02

Например, если электролит при температуре +25°C имеет плотность 1,28 г/куб. см, то при температуре -15°C он имеет плотность 1,25 г/куб. см, а при нагреве до +50°C (что часто бывает в подкапотном пространстве автомобиля) плотность повышается до 1,3 г/куб. см.

Чтобы компенсировать изменение плотности электролита в АКБ транспортных средств, эксплуатируемых в различных климатических поясах, применяются электролиты большей или меньшей плотности:

• Летние и для жаркого климата — плотностью 1,23-1,24 г/куб.см;
• Для умеренного и холодного климата — 1,27-1,28 г/куб.см;
• Зимние и для холодного климата — 1,3-1,34 г/куб.см.

Кроме того, при повышении плотности электролита повышается его морозоустойчивость — более плотные электролиты устойчивы к замерзанию, поэтому они лучше подходят для эксплуатации в холодное время года и в холодных климатических поясах.

Сегодня можно купить электролит необходимой плотности, освободив себя от непростой процедуры приготовления правильного по характеристикам электролита из кислоты и воды. Электролит продается в тарах емкостью от 1 до 20 литров, поэтому всегда можно приобрести нужный для работы объем.

Использование аккумуляторного электролита

Сразу нужно отметить, что электролит не используется для текущего обслуживания аккумулятора. Наиболее часто в АКБ снижается уровень электролита и падает его уровень, в этом случае обслуживание выполняется добавлением воды. Дело в том, что в процессе работы аккумулятора из электролита испаряется вода, а кислота остается на месте. Также потеря воды может возникать в случае перезаряда аккумулятора — при достижении определенной плотности концентрация серной кислоты в электролите снижается и ее уже не хватает для нормального протекания указанных выше электролитических реакций. В этих условиях начинается процесс электрохимического разложения воды на водород и кислород — это проявляется «кипением» электролита, а образовавшиеся газы улетучиваются. В обоих случаях — при испарении и разложении воды — плотность электролита повышается, для ее восстановления необходимо использовать воду.

Наиболее часто электролит применяется для восстановления работы аккумулятора в случае замерзания электролита с последующей потерей его характеристик. Если электролит в АКБ замерз, то, прежде всего, необходимо занести его в теплое помещение и дождаться оттаивания. После этого аккумулятор следует поставить на зарядку с малым током — рекомендуется ток около 1 ампера и срок зарядки до 2 суток. В ходе зарядки нужно измерять плотность электролита, если она начнет повышаться, то его можно нормально зарядить и эксплуатировать.

Если же ни при каких условиях плотность не повышается, то следует произвести замену электролита. Это выполняется следующим образом:

1. Слить электролит из всех банок батареи;
2. Промыть банки дистиллированной водой;
3. Добавить новый электролит до указанного уровня;
4. Оставить аккумулятор на 2-3 часа для пропитки пластин электролитов;
5. Зарядить АКБ малым током 0,5-1 ампер в течение 2 суток.

Зарядку следует остановить, когда плотность электролита и напряжение на клеммах будут стабильными в течение хотя бы двух часов.

Но если замерзание аккумулятора вызвало деформацию или разрушение пластин, то менять электролит уже бесполезно — нужно покупать новую батарею.

Аналогично устраняются и другие проблемы с аккумулятором — утечка или загрязнение электролита, ремонт АКБ после короткого замыкания и т.д. Но в этих случаях прежде нужно проверить аккумулятор на целостность и ремонтопригодность, при обнаружении трещин и других физических повреждений батарея ремонту не подлежит, ее нужно утилизировать.

Особый случай — ввод в эксплуатацию сухозаряженных аккумуляторов, которые поставляются без электролита. Обычно для подготовки такого аккумулятора его нужно заполнить электролитом и дождаться достижения необходимой плотности — все эти действия обязательно прописаны в инструкции к аккумулятору. Предварительную зарядку сухозаряженного АКБ проводить не нужно!

Во всех случаях необходимо правильно рассчитывать объем электролита, чтобы сделать правильную покупку. Объем электролита в АКБ зависит от его напряжения и электрической емкости. Наиболее распространенные 12-вольтовые аккумуляторные батареи емкостью 55-60 А·ч вмещают 2,5-3 литра, емкостью 75-90 А·ч — от 3,5 до 5 литров. Большие 24-вольтовые АКБ емкостью свыше 100 А·ч могут содержать 10 и более литров электролита. При покупке рекомендуется брать электролит с небольшим запасом, так как в процессе работы возможны непредвиденные потери и утечки.

Технология залитого аккумулятора от VARTA®

VARTA® предлагает обширную линейку залитых свинцово-кислотных аккумуляторов для широкого диапазона автомобилей. Каждый аккумулятор создан, чтобы отвечать специфическим требованиям наших потребителей во всем мире — как производителей оборудования, так и покупателей на рынке компонентов.

Залитые свинцово-кислотные аккумуляторы являются наиболее распространенным типом аккумуляторов. Жидкий электролит, состоящий из серной кислоты и воды, покрывает все внутренние детали. Залитые аккумуляторы VARTA обладают герметичной конструкцией, поэтому они защищены от протеканий.

Залитые аккумуляторы для легковых автомобилей

Наши залитые 12-вольтовые аккумуляторы разработаны, чтобы удовлетворять потребности в электроэнергии современных автомобилей, и обеспечивают надежную пусковую мощность снова и снова в самых сложных климатических условиях. В них используется наша эксклюзивная технология решетки PowerFrame®.

Залитые аккумуляторы для водного транспорта

Мы предлагаем широкий диапазон пусковых аккумуляторов и аккумуляторов глубокого цикла для водного транспорта, которые позволяют нашим покупателям дольше быть на воде. Мы предлагаем аккумуляторы для водного транспорта на любой вкус: от высокомощных стартерных аккумуляторов до стандартных или улучшенных аккумуляторов глубокого разряда с жидким электролитом. В отличие от стандартных залитых аккумуляторов, аккумуляторы VARTA Professional Dual Purpose защищены от разлива и позволяют наклонять себя до 90° на короткое время.

Преимущества:

• Стартерные аккумуляторы обеспечивают короткий и мощный импульс для запуска двигателя.
• Аккумуляторы глубокого разряда запускают двигатели и питают приборы, если двигатели не запущены.
• Более прочная конструкция с улучшенными характеристиками работы в циклическом режиме продлевают время эксплуатации для применений с глубоким разрядом.

Залитые аккумуляторы для гольф-мобилей

Нужен ли вам аккумулятор для перемещения по полю для гольфа или надежный источник энергии для промышленного применения, типа ножничных подъемников или поломоечных машин, наши аккумуляторы для гольф-мобилей обеспечивают необходимую производительность в режиме глубокого разряда.

Преимущества:

• Активная масса высокой плотности и сплав решетки со специальной формулой позволяют аккумулятору выдерживать нагрузку множественных циклов разряда.
• Механически соединенные отверстия для удобного долива воды.
• Прочные пластины и плотная установка компонентов для виброустойчивости.

Залитые аккумуляторы для газонокосилок и садовой техники

Наши аккумуляторы для газонокосилок и садовой техники разработаны так, чтобы обеспечивать надежную пусковую мощность раз за разом. Характеристики продукта:

• Удобная конструкция, не требующая обслуживания.
• Конверты-сепараторы защищают пластины, обеспечивают необычайную пусковую мощность и предотвращают от внутреннего замыкания.

Залитые аккумуляторы для тяжелых грузовиков

Наши аккумуляторы высокой мощности для коммерческого применения обеспечивают высочайшую производительность и увеличенный срок службы в циклах для самых сложных условий. Технология решетки PowerFrame® обеспечивает более длительный срок службы, устойчивость к коррозии и до 70 % лучшее прохождение тока.

Кроме того:

• Усиленные полюсные мостики и горячий компаунд на ушках пластин увеличивают устойчивость к вибрации.
• Встроенные складные ручки обеспечивают простую переноску и установку.
• Устойчивый к ударам корпус с усиленными торцевыми стенками для большей прочности.
• Прочные сепараторы предотвращают короткие замыкания.

Создан электролит, который способен в два раза увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов

Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали электролит, который обещает до двух раз увеличить ёмкость литиевых аккумуляторов. Важность подобного изобретения трудно переоценить. Для транспорта на электрической тяге двукратное повышение ёмкости батарей без увеличения объёма и веса аккумуляторов стало бы настоящей революцией.

Слева литиевый анод в трещинах при работе в обычном электролите, справа целый — в перспективном. Источник изображения: MIT

Интересно, что новый электролит первоначально был разработан для перспективных литиево-воздушных аккумуляторов. Но они появятся ещё не скоро, зато разработка показала себя необычайно хорошо в составе литиево-металлических аккумуляторов.

Известная проблема литийметаллических аккумуляторов — это разрушение электродов (анода и катода). В частности, анод из металлического лития, который существенно повышает ёмкость и эффективность работы литийметаллических аккумуляторов, в процессе работы теряет литий путём его безвозвратного растворения в электролите.

Испытания нового электролита в составе литиево-металлического аккумулятора с металлическим анодом и катодом из оксидов лития, никеля, марганца и кобальта показало, что поверхности электродов не теряют металлы (не растрескиваются) и самоочищаются во время циклов заряда и разряда.

«Электролит химически устойчив к окислению высокоэнергетических материалов, богатых никелем, предотвращая разрушение частиц и стабилизируя положительный электрод во время цикла, — сказал Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn) из Массачусетского технологического института. — Электролит также обеспечивает стабильную и обратимую очистку и покрытие металлического лития, что является важным шагом на пути создания перезаряжаемых литийметаллических батарей с энергией, вдвое превышающей энергию современных литийионных батарей.

В перспективе с новым электролитом ёмкость литийметаллических аккумуляторов может достичь 420 Вт·ч/кг, тогда как современные литийионные аккумуляторы с среднем демонстрируют 260 Вт·ч/кг. К сожалению, вещество, на котором основан перспективный электролит, современная промышленность не производит. Учёные обещают разработать техпроцессы, чтобы исправить это положение.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Что подливать в современные АКБ: воду или электролит?

Большинство автомобилистов предпочитает покупать именно необслуживаемые аккумуляторы, они хороши тем, что не требуют к себе никакого внимания весь срок своей службы. Но кроме таких АКБ, в продаже доступны и классические – обслуживаемые батареи. За ними требуется регулярный уход, вот только не все водители умеют правильно это делать. Сегодня разберём, что нужно доливать в аккумулятор – электролит или дистиллированную воду.

Куда делся электролит?

В процессе работы аккумулятора из него постепенно испаряется электролит, что приводит к снижению его ёмкости, она начинает быстро разряжаться и не набирает полную зарядку. Стоит отметить, что электролит выкипает из всех типов аккумуляторов, даже из тех, которые не нуждаются в обслуживании. Практически во всех батареях производители предусматривают смотровое окошко, через которое можно контролировать уровень электролита — после испарения достаточного объёма происходит оголение свинцовых пластин. На обслуживаемых АКБ предусмотрены специальные крышки, открутив которые, вы можете посмотреть уровень жидкости и при необходимости долить.

Что долить в аккумулятор?

В большинстве случаев при уменьшении объёма электролита в аккумулятор добавляют дистиллированную воду. На дне батареи остаётся серная кислота, и, чтобы получить электролит, её необходимо разбавить водой. Процедура довольно простоя: покупаете в автомобильном магазине воду и доливаете её до уровня в аккумулятор. Но иногда это не помогает, и в этом случае в батарею нужно заливать уже готовый электролит. Такое бывает в случаях перезаряда АКБ из-за сломавшегося генератора. Это приводит к тому, что электролит начинает активно выкипать, и батарея остаётся буквально сухой. Тогда дистиллированная вода не поможет, и придётся доливать готовый электролит, его можно также купить в автомагазине.

После заливки дистиллированной воды или электролита обязательно нужно проверить его плотность при помощи ареометра. Нормальной плотностью для электролита считается 1,27 грамм/см3.

Фото: интернет-ресурсы

Что делать, если электролит замерз в аккумуляторе

Первые зимние морозы в этом году застали меня врасплох. А все потому, что в силу своей загруженности я не подготовил свой любимый автомобиль надлежащим образом к эксплуатации в зимнее время. Конечно же масло в двигателе и фильтр я поменял, так же проверил другие технические жидкость, но вот аккумулятор, не заслужено, остался без моего должного внимания. И как результат при падении температуры до каких то -25 градусов Цельсия стартер даже не пытается повернуть двигатель. Такой «сюрприз», если честно, я не ожидал, так как был уверен, что мой годовалый 60 амперный Titan Standart справится с любыми сюрпризами погоды. К тому же, автомобилю необходима всего лишь 45 амперная аккумуляторная батарея. Но моя необоснованная уверенность, в купе с кратковременной эксплуатацией автомобиля, при которой я совершал непродолжительные, минут по 10, поездки от дома до работы и обратно, дали свой результат – аккумулятор полностью разрядился в результате чего электролит потерял свою плотность и по сути превратился в воду, а вода как известно при -25 имеет свойство застывать, что и случилось с электролитом.

Первое что необходимо сделать в подобной ситуации это незамедлительно снять аккумулятор с автомобиля и поставить в теплое место, например занести домой. Далее необходимо тщательно осмотреть корпус батареи на предмет трещин, так как при застывании электролит, как и вода расширяется, а это может повредить корпус. Если при осмотре дефектов не найдено, тогда необходимо просто дождаться когда электролит разморозится при комнатной температуре. Если же трещины в корпусе имеют место быть и могут привести к вытеканию электролита, тогда скорее всего придется задуматься о покупке нового аккумулятора.

После того, как электролит полностью разморозится и не будет видно следов льда, необходимо тщательно очистить клеммы и корпус батареи. Для того, чтобы исключить паразитные токи, которые могут привести к разряду аккумулятора, необходимо верхнюю часть корпуса протереть слабым раствором пищевой соды. Особое внимание необходимо уделить корпусу вокруг клемм.

Когда аккумулятор будет приведен в надлежащий вид, очищен от грязи, необходимо замерить плотность электролита с помощью ареометра, прибора для измерения плотности жидкостей. Кстати данный прибор должен быть в гараже у каждого уважающего себя автолюбителя. Измерения плотности скорее всего покажут значения близкие к 1 г/см3. Это как раз и говорит о глубоком разряде батареи и о том, что электролит превратился в воду. Далее необходимо проверить уровень жидкости, электролита должны быть столько, чтобы пластины были полностью погружены в электролит. Если электролита мало, то необходимо добавить дистиллированной воды, ни в коем случае не добавляйте электролит, так как это может вызвать разрушение пластин.

После этого необходимо приступить к восстановлению работоспособности стартерной батареи. Для этого необходимо на вооружении иметь зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов. Кстати в интернете бытует мнение, что старые советские зарядники на основе обычного трансформатора, дают результаты лучше, чем современные зарядные устройства с импульсным трансформатором. Подтвердить или опровергнуть данное утверждение я не могу, так как считаю, что качество зарядника в первую очередь зависит от качества тока на выходе, а не от способа его получения. И так аккумулятор необходимо вынести в проветриваемое помещение, например в гараж или же на балкон, так как при зарядке выделяются газы, которые могут негативно повлиять на здоровье и между прочим являются взрывоопасными, в их составе имеются водород и кислород. Далее необходимо открыть банки батарей, к клеммам аккумулятора подключить выводы от зарядного устройства соблюдая полярность (плюс к плюсу, минус к минусу) ручку регулировки тока на зарядном устройстве поставить в минимальное значение и после этого включить зарядник в сеть. Далее ток на выходе необходимо довести до 1/10 емкости аккумулятора, то есть если батарея емкость 60 Ампер часов, то необходимо выставить ток на выходе 6 Ампер. Так как батарея полностью разрядилась и находится по сути в критическом для неё состоянии, необходимо регулярно проверять процесс зарядки, и примерно через час-полтора ток заряда необходимо уменьшить в два раза, в нашем случае до 3 Ампер. Таким током продолжаем зарядку еще около полутора часов и опять понижаем ток заряда в два раза и продолжаем процесс реанимации батареи током 1,5 Ампера. Заряд данным током ведем до тех пор пока электролит не начнет обильно кипеть с выделением газов и характерным звуком, чтобы не пропустить момент необходимо регулярно проверять процесс зарядки. После того как электролит начал обильно кипеть понижаем ток до минимальных значений при которых кипение практически прекращается, ток в данном случае составит от 0,5 до 1 Ампера. До этого момента, как правило, с начала зарядки пройдет около 3-7 часов и можно сделать непродолжительный перерыв, для того чтобы сделать промежуточные замеры плотности электролита в банках. Плотность за данное время должна подняться и начать выравниваться по всем банкам, значение будет около 1,20 г/см3, но может отличаться в ту или иную сторону.

После промежуточных измерений возвращаем аккумулятор обратно и подсоединяем к зарядному устройству. Ток заряда не должен превышать 1 Ампер, даже лучше 0,5 Ампера. Данным пониженным током заряд ведем до тех пор пока плотность электролита не достигнет требуемых значений для вашей батареи, это как правило, 1,27 г/см3. Процесс зарядки будет продолжать примерно сутки, но бывают случаи когда с целью поднятия плотности и выравнивания её значений по всем банкам, процесс зарядки продолжается и двое суток. Более продолжительный процесс зарядки без изменения параметров плотности в нужном направлении нецелесообразен и будет свидетельствовать о необходимости покупки новой батареи.

QuantumScape заявил о революции в производстве аккумуляторов

Американская компания QuantumScape представила результаты тестирования новой ячейки для аккумуляторной батареи электромобиля. Главные особенности разработки таковы: во-первых, зарядка до 80% емкости за 15 мин, что почти вдвое быстрее, чем у литий-ионной батареи электромобиля Tesla Model 3, одной из лидеров по этому показателю.

Во-вторых, сохранение свыше 80% емкости после 800 циклов заряда и разряда, что говорит о потенциальном сроке службы батареи в несколько сотен тысяч километров (Tesla дает гарантию до 240 000 км). И в-третьих, объемная плотность энергии в 1000 Вт ч/л, что примерно на 80% больше, чем у самых современных литий-ионных ячеек. Это значит, что и емкость батареи будет соответствующей, а по запасу хода электромобили на таких батареях сравняются с автомобилями с ДВС. Что не менее важно, ячейка сохраняет свои характеристики до температур около -30 градусов по Цельсию, в то время как литий-ионные батареи демонстрируют снижение показателей в таких условиях. Да, и новая батарея не воспламеняется.

Ячейка QuantumScape построена по технологии твердотельных батарей: в них используется твердый электролит, а не жидкий, как в наиболее часто используемых сегодня литий-ионных батареях. Твердотельные батареи уже несколько десятков лет считаются одной из самых перспективных технологий, однако нерешенные технические проблемы пока не позволяли исследователям говорить о коммерческих перспективах.

Калифорнийский стартап QuantumScape был основан в 2010 г. профессором Стэнфордского университета Фрицем Принцем и выпускником этого университета Джагдипом Сингхом. С 2012 г. компания начала работать с Volkswagen, а в 2018 г. немецкий автогигант вложил в стартап $100 млн, став крупнейшим акционером. В том же году представители обеих компаний заявили, что начинают подготовку к массовому производству твердотельных батарей. В июне 2020 г. Volkswagen инвестировал в QuantumScape еще $200 млн. В ноябре 2020 г. QuantumScape провела IPO на Нью-Йоркской бирже путем слияния с уже вышедшей на биржу специализированной компанией для поглощений (SPAC). Сделка помогла стартапу привлечь еще $700 млн, которые будут направлены на организацию производства, а котировки акций компании с тех пор выросли уже втрое до уровня в $75 за акцию. По словам представителей QuantumScape и Volkswagen, производство начнется в 2025 г.

Ячейку QuantumScape отличает ряд особенностей. Для формирования анода ей не требуется даже минимальное количество лития, что удешевляет процесс производства. Кроме того, в ячейке используется особый тончайший керамический сепаратор, который разделяет электроды. На его разработку компании потребовалось пять лет, и точное описание материалов, используемых для его изготовления, является главной коммерческой тайной компании. А основной задачей QuantumScape теперь будет создание многослойных ячеек и составление из них целой аккумуляторной батареи. Как отмечают специалисты, эта задача не так проста, как может показаться, поэтому компания еще может столкнуться со сложностями, которые могут привести к сдвигу заявленных сроков начала производства и даже к полной неудаче проекта.

QuantumScape и Volkswagen не единственные компании, которые проводят исследования в этой области. Японский автопроизводитель Toyota ранее заявлял о планах наладить выпуск электромобилей с твердотельными аккумуляторными батареями к 2025 г. Другой американский стартап, Solid Power, основанный шесть лет назад, заручился поддержкой таких автокомпаний, как BMW, Ford и Hyundai, и рассчитывает запустить производство в 2026 г. Однако до демонстрации работающего аккумулятора дело пока не дошло ни у кого.

Аккумуляторы с жидким электролитом | Полезная информация «EnerSys»

Для питания погрузчиков и другой техники используют свинцово-кислотные АКБ с жидким электролитом. Какими преимуществами и особенностями обладают батареи такого типа?

Тяговый аккумулятор с жидким электролитом обеспечивает работоспособность погрузочно-разгрузочной техники в течение длительного времени.

В каталоге продукции EnerSys представлены свинцово-кислотные аккумуляторные батареи с жидким электролитом:

• Hawker perfect plus – классическая батарея для эксплуатации в разных режимах,
• Hawker Water Less – тяговые батареи с увеличенным временем работы и длительными интервалами между доливами воды.

Water Less® обеспечивает повышенную гибкость при погрузочно-разгрузочных операциях и увеличенное время работы благодаря более длительным интервалам между доливами воды: 4, 8 или 13 недель в зависимости от модели. Это означает снижение трудозатрат на долив воды в батареи до 60 % (при использовании зарядных устройств Hawker® на 50 Гц) и до 75 % (при использовании модульных зарядных устройств Hawker). Тяговые аккумуляторные батареи Hawker Water Less обеспечивают высокую производительность и надежность при использовании на погрузочной технике даже в самых тяжелых условиях благодаря расширенному диапазону емкости. Модельный ряд батарей Hawker Water Less — это образец передовых технологий, которые повышают эффективность бизнеса. Установленный на батареи индикатор низкого уровня электролита сообщает о необходимости долить воду.

Все элементы батарей Hawker Water Less® изготавливаются по проверенной технологии PzS. Положительные электроды представляют собой литые под давлением трубчатые пластины (PzS), а повышенную эффективность им придают используемые при изготовлении современные компоненты. Отрицательные пластины плоские и покрыты активной пастообразной массой. Отсеки заполняются микропористым материалом.

«Less» в названии Hawker Water Less, то есть «меньше», в данном случае означает «больше». Меньше долив воды — больше преимуществ

Еще одно достоинство тяговых аккумуляторов с жидким электролитом – доступная цена. Такие АКБ стоят дешевле гелевых батарей.

Приобрести продукцию EnerSys на выгодных условиях можно в официальном представительстве EnerSys в Москве и у дилеров в регионах России. Цены на тяговые батареи уточняйте у официальных дилеров. Их адреса и телефоны указаны на сайте.

Новый аккумуляторный электролит может расширить ассортимент электромобилей

Марк Шварц

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.

Слева — обычный (прозрачный) электролит, а справа — новый Стэнфордский электролит №
. (Изображение предоставлено: Чжиао Юй)

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

Литий-ионные в сравнении с металлическим литием

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 в два раза больше электроэнергии на килограмм, чем современные литий-ионные аккумуляторы.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, K.K. 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 для рационального проектирования и создания новых стабильных электролитов для этих батарей».

Электролит новый

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 Ю. «Фтор — широко используемый элемент в электролитах для литиевых батарей. Мы использовали его способность притягивать электроны, чтобы создать новую молекулу, которая позволяет аноду из металлического лития хорошо функционировать 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. Молекула FDMB, которую придумал Чжиао, легко производить в больших количествах и довольно дешево ».

«Невероятная производительность»

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.

Докторанты и ведущие авторы Хансен Ван (слева) и Чжиао Ю (справа) тестируют
экспериментальную ячейку в своей лаборатории. (Изображение предоставлено Hongxia Wang.)

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 кулоновскую эффективность не менее 99,9 процента. В нашем исследовании мы получили 99,52 процента в половинных ячейках и 99,98 процентов в полных ячейках; невероятная производительность ».

Безанодный аккумулятор

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 ячеек».

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

Аккумулятор 500

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 обеспечить литий-металлический аккумулятор, 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.

«Безанодная батарея в нашей лаборатории показала около 325 ватт-часов на килограмм удельной энергии, что является приличным показателем», — 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».

Испытание на воспламеняемость обычного карбонатного электролита (слева) и нового электролита FDMB (справа), разработанное
в Стэнфорде. Обычный карбонатный электролит воспламеняется сразу после контакта с пламенем, но электролит
FDMB может выдерживать прямое пламя в течение как минимум трех секунд.(Кредит Чжиао Ю)

Помимо более длительного срока службы и лучшей стабильности, электролит FDMB также гораздо менее воспламеняем, чем обычные электролиты, как исследователи продемонстрировали во встроенном видео.

«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».

Среди других соавторов Стэнфордского университета Цзянь Цинь , доцент кафедры химического машиностроения; докторанты Сянь Конг, Кеченг Ван, Вэньсяо Хуанг, Снехашис Чоудхури и Чибуезе Аманчукву; аспиранты Уильям Хуанг, Ючи Цао, Дэвид Маканич, Ю Чжэн и Саманта Хунг; и студенты Ютинг Ма и Эдер Ломели.Синьчан Ван из Университета Сямэня также является соавтором. Чжэнань Бао и И Цуй — старшие научные сотрудники Стэнфордского Института энергетики прекурс . Цуй также является ведущим исследователем в Стэнфордском институте материаловедения и энергетики , совместной исследовательской программе SLAC / Стэнфорд.

Эта работа также была поддержана программой исследования материалов для аккумуляторов Департамента транспортных технологий Министерства энергетики США. Двое из соавторов поддерживаются Программой стипендий для аспирантов Национального научного фонда и стипендией Центра TomKat в области устойчивой энергетики в Стэнфорде.Средство, используемое в Стэнфорде, поддерживается Национальным научным фондом.

Школа инженерии Массачусетского технологического института | »Как работает аккумулятор?

Как работает аккумулятор?

Ваши часы, ноутбук и лазерная указка питаются от одного и того же: химии…

Мэри Бейтс

Существует много разных типов батарей, но все они работают на основе одной и той же концепции. «Батарея — это устройство, способное накапливать электрическую энергию в виде химической энергии и преобразовывать эту энергию в электричество», — говорит Антуан Алланор, научный сотрудник отдела материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института.«Вы не можете улавливать и хранить электричество, но вы можете хранить электрическую энергию в химических веществах внутри батареи».

Батарея состоит из трех основных компонентов: две клеммы, сделанные из разных химикатов (обычно металлов), анод и катод; и электролит, разделяющий эти выводы. Электролит — это химическая среда, которая обеспечивает прохождение электрического заряда между катодом и анодом. Когда устройство подключено к батарее — лампочке или электрической цепи — на электродах происходят химические реакции, которые создают поток электрической энергии к устройству.

Более конкретно: во время разряда электричества химическое вещество на аноде высвобождает электроны на отрицательный вывод и ионы в электролите в результате так называемой реакции окисления. Между тем, на положительном выводе катод принимает электроны, замыкая цепь для потока электронов. Электролит служит для того, чтобы привести различные химические вещества анода и катода в контакт друг с другом таким образом, чтобы химический потенциал мог уравновеситься от одного вывода к другому, преобразовывая накопленную химическую энергию в полезную электрическую энергию.«Эти две реакции происходят одновременно», — говорит Алланор. «Ионы переносят ток через электролит, в то время как электроны текут во внешней цепи, и это то, что генерирует электрический ток».

Если батарея одноразовая, она будет вырабатывать электричество до тех пор, пока не закончатся реагенты (одинаковый химический потенциал на обоих электродах). Эти батареи работают только в одном направлении, преобразуя химическую энергию в электрическую. Но в других типах аккумуляторов реакция может быть обратной.Перезаряжаемые батареи (например, в вашем мобильном телефоне или в вашем автомобиле) спроектированы таким образом, что электрическая энергия от внешнего источника (зарядное устройство, которое вы подключаете к стене или динамо-машина в вашем автомобиле) может подаваться на химическую систему и наоборот. его работу, восстанавливая заряд аккумулятора.

Лаборатория Group Sadoway в Массачусетском технологическом институте работает над созданием более эффективных батарей для многоцелевого использования. Для крупномасштабного хранения энергии команда работает над жидкометаллической батареей, в которой электролит, анод и катод являются жидкими.Для портативных приложений они разрабатывают тонкопленочные полимерные батареи с гибким электролитом из негорючего геля. Еще одна цель лаборатории — создать батареи с использованием ранее не изученных материалов, уделяя особое внимание распространенным, дешевым и безопасным веществам, которые имеют такой же коммерческий потенциал, как и популярные литиевые батареи.

Спасибо 18-летнему Стивену Минкусу из Гленвью, штат Иллинойс, за этот вопрос.

Отправлено: 1 мая 2012 г.

Замена обычных добавок в электролит аккумуляторных батарей производными диоксолона для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии

1.

Гуденаф, Дж. Б. и Ким, Ю. Проблемы перезаряжаемых литиевых батарей. Chem. Матер. 22 , 587–603 (2010).

CAS Статья Google Scholar

2.

Тараскон, Дж. М. и Арман, М. Проблемы и проблемы, с которыми сталкиваются перезаряжаемые литиевые батареи. Nature 414 , 359–367 (2001).

ADS CAS PubMed Статья Google Scholar

3.

Арико, А. С., Брюс, П., Скросати, Б., Тараскон, Дж. М. и ван Шалквейк, В. Наноструктурированные материалы для передовых устройств преобразования и хранения энергии. Nat. Матер. 4 , 366–377 (2005).

ADS PubMed Статья CAS Google Scholar

4.

Лю К., Ли, Ф., Ма, Л. П. и Ченг, Х. М. Современные материалы для хранения энергии. Adv. Матер. 22 , E28 – E62 (2010).

CAS PubMed Статья Google Scholar

5.

Чае, С., Чой, С. Х., Ким, Н., Сунг, Дж. И Чо, Дж. Интеграция графитовых и кремниевых анодов для коммерциализации высокоэнергетических литий-ионных батарей. Angew. Chem. Int. Эд. 58 , 2–28 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

6.

Liu, W. et al. Насыщенный никелем слоистый оксид переходного металла лития для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Angew. Chem. Int. Эд. 54 , 4440–4457 (2015).

CAS Статья Google Scholar

7.

Мантирам А., Найт, Дж. К., Мюнг, С. Т., О, С. М. и Сан, Ю. К. Катоды из слоистого оксида с высоким содержанием никеля и лития: прогресс и перспективы. Adv. Energy Mater. 6 , 1501010 (2016).

Артикул CAS Google Scholar

8.

Касаваджула, У., Ван, К. и Эпплби, А. Дж. Вставные аноды на основе нано- и объемного кремния для литий-ионных вторичных элементов. J. Источники энергии 163 , 1003–1039 (2007).

ADS CAS Статья Google Scholar

9.

Макдауэлл, М. Т., Ли, С. В., Никс, В. Д. и Цуй, Ю. Статья, посвященная 25-летию: понимание литиирования кремния и других легирующих анодов для литий-ионных аккумуляторов. Adv.Матер. 25 , 4966–4985 (2013).

CAS PubMed Статья Google Scholar

10.

Чен, З., Шеврие, В., Кристенсен, Л. и Дан, Дж. Р. Конструирование электродов из аморфного сплава для литий-ионных аккумуляторов. Electrochem. Solid State Lett. 7 , A310 – A314 (2004).

CAS Статья Google Scholar

11.

Чой, Н.-S. и другие. Влияние добавки фторэтиленкарбоната на межфазные свойства кремниевого тонкопленочного электрода. J. Источники энергии 161 , 1254–1259 (2006).

ADS CAS Статья Google Scholar

12.

Shobukawa, H., Alvarado, J., Yang, Y. & Meng, Y. S. Электрохимические характеристики и межфазное исследование композитного кремниевого анода для литий-ионных аккумуляторов в полных элементах. J. Источники энергии 359 , 173–181 (2017).

ADS CAS Статья Google Scholar

13.

Zhao, H. et al. Пленкообразующие добавки к электролиту для литий-ионных аккумуляторов: прогресс и перспективы. J. Mater. Chem. А 7 , 8700–8722 (2019).

CAS Статья Google Scholar

14.

Xu, G. et al. Назначение функциональных добавок для устранения плохих характеристик высоковольтного (класс 5 В) LiNi0.5 литий-ионных аккумуляторов Mn1,5 O4 / MCMB. Adv. Energy Mater. 8 , 1701398 (2018).

Артикул CAS Google Scholar

15.

Han, J. G. et al. Несимметричный фторированный малонатоборат как амфотерная добавка для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии. Energy Environ. Sci. 11 , 1552–1562 (2018).

CAS Статья Google Scholar

16.

Haregewoin, A. M., Wotango, A. S. & Hwang, B. J. Электролитные добавки для электродов литий-ионных аккумуляторов: прогресс и перспективы. Energy Environ. Sci. 9 , 1955–1988 (2016).

CAS Статья Google Scholar

17.

Choi, N.-S. и другие. Проблемы, с которыми сталкиваются литиевые батареи и электрические двухслойные конденсаторы. Angew. Chem. Int. Эд. 51 , 9994–10024 (2012).

CAS Статья Google Scholar

18.

Jo, H. et al. Стабилизация межфазного слоя твердого электролита и циклические характеристики кремний-графитового анода батареи с помощью бинарной добавки фторированных карбонатов. J. Phys. Chem. C 120 , 22466–22475 (2016).

CAS Статья Google Scholar

19.

Nguyen, C. C. & Lucht, B.L. Улучшенная циклическая характеристика анодов из наночастиц Si за счет введения метиленэтиленкарбоната. Electrochem. Commun. 66 , 71–74 (2016).

CAS Статья Google Scholar

20.

Чен, Л., Ван, К., Се, X. и Се, Дж. Влияние виниленкарбоната (ВК) в качестве добавки к электролиту на электрохимические характеристики кремниевого пленочного анода для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 174 , 538–543 (2007).

ADS CAS Статья Google Scholar

21.

Далави, С., Гудуру, П. и Лучт, Б. Л. Добавки к электролиту, улучшающие характеристики литий-ионных батарей с кремниевыми анодами. J. Electrochem. Soc. 159 , A642 – A646 (2012).

CAS Статья Google Scholar

22.

Etacheri, V. et al. Влияние фторэтиленкарбоната (FEC) на характеристики и химию поверхности анодов литий-ионных аккумуляторов с Si-нанопроволокой. Langmuir 28 , 965–976 (2012).

CAS PubMed Статья Google Scholar

23.

Xu, C. et al. Улучшенные характеристики кремниевого анода для литий-ионных аккумуляторов: понимание механизма модификации поверхности фторэтиленкарбоната как эффективной добавки к электролиту. Chem. Матер. 27 , 2591–2599 (2015).

CAS Статья Google Scholar

24.

Jaumann, T. et al. Срок службы и производительность: понимание роли FEC и VC в литий-ионных батареях высокой энергии с нанокремниевыми анодами. Energy Storage Mater. 6 , 26–35 (2017).

Артикул Google Scholar

25.

Kim, K. et al. Понимание термической нестабильности фторэтиленкарбоната в электролитах на основе LiPF6 для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 225 , 358–368 (2017).

CAS Статья Google Scholar

26.

Schiele, A. et al. Критическая роль фторэтиленкарбоната в газовыделении кремниевых анодов для литий-ионных аккумуляторов. ACS Energy Lett. 2 , 2228–2233 (2017).

CAS Статья Google Scholar

27.

Schwenke, K.U., Solchenbach, S., Demeaux, J., Lucht, B.L. и Gasteiger, H.A. Воздействие CO ₂ возникло из VC и FEC во время образования графитовых анодов в литий-ионных батареях. J. Electrochem. Soc. 166 , A2035 – A2047 (2019).

CAS Статья Google Scholar

28.

Aurbach, D. et al. Об использовании виниленкарбоната (ВК) в качестве добавки к растворам электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 47 , 1423–1439 (2002).

CAS Статья Google Scholar

29.

Buqa, H. et al. Формирование пленки SEI на высококристаллических графитовых материалах в литий-ионных батареях. J. Источники энергии 153 , 385–390 (2006).

ADS CAS Статья Google Scholar

30.

Michan, A. L. et al. Восстановление фторэтиленкарбоната и виниленкарбоната: понимание добавок к электролиту литий-ионных аккумуляторов и межфазного образования твердого электролита. Chem. Матер. 28 , 8149–8159 (2016).

CAS Статья Google Scholar

31.

Ushirogata, K., Sodeyama, K., Okuno, Y. & Tateyama, Y. Аддитивный эффект на восстановительное разложение и связывание карбонатного растворителя с образованием межфазной фазы твердого электролита в литий-ионной батарее. J. Am. Chem. Soc. 135 , 11967–11974 (2013).

CAS PubMed Статья Google Scholar

32.

Ота, Х., Саката, Ю., Иноуэ, А., Ямагути, С. Анализ слоев SEI, полученных из виниленкарбоната, на графитовом аноде. J. Electrochem. Soc. 151 , A1659 – A1669 (2004).

CAS Статья Google Scholar

33.

Wang, Y., Nakamura, S., Tasaki, K. & Balbuena, PB Теоретические исследования для понимания химического состава поверхности угольных анодов для литий-ионных батарей: как виниленкарбонат играет свою роль в качестве добавки к электролиту ? Дж.Являюсь. Chem. Soc. 124 , 4408–4421 (2002).

CAS PubMed Статья Google Scholar

34.

Херстедт, М., Андерссон, А.М., Ренсмо, Х., Зигбан, Х. и Эдстрем, К. Характеристика SEI, образованного на природном графите в электролитах на основе ПК. Электрохим. Acta 49 , 4939–4947 (2004).

CAS Статья Google Scholar

35.

Zhang, S. S., Xu, K. & Jow, T. R. Исследование EIS по образованию твердой поверхности раздела электролита в литий-ионной батарее. Электрохим. Acta 51 , 1636–1640 (2006).

CAS Статья Google Scholar

36.

Son, H. B. et al. Влияние восстанавливающих циклических карбонатных добавок и линейных карбонатных сорастворителей на быструю заряжаемость ячеек LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 / графит. J. Источники энергии 400 , 147–156 (2018).

ADS CAS Статья Google Scholar

37.

Deng, B. et al. Влияние потенциала отсечки заряда на добавку электролита для полных ячеек с мезоуглеродными микрогранулами LiNi0.6Co 0.2Mn0.2O2. Energy Technol. 7 , 1800981 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

38.

Zuo, X. et al. Влияние трис (триметилсилил) бората на сохранение высоковольтной емкости LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 / графитовые ячейки. J. Источники энергии 229 , 308–312 (2013).

CAS Статья Google Scholar

39.

Deng, B. et al. Исследование влияния высоких температур на циклическую стабильность катода LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 с использованием инновационной добавки к электролиту. Электрохим. Acta 236 , 61–71 (2017).

ADS CAS Статья Google Scholar

40.

Han, J.-G., Kim, K., Lee, Y. & Choi, N.-S. Поглощающие материалы для стабилизации LiPF6-содержащих карбонатных электролитов для литий-ионных аккумуляторов. Adv. Матер. 31 , 1804822 (2019).

Артикул CAS Google Scholar

41.

Фен, П., Ли, К. Н., Ли, Дж. У., Чжан, С. и Нгаи, М. Ю. Доступ к новому классу синтетических строительных блоков посредством трифторметоксилирования пиридинов и пиримидинов. Chem. Sci. 7 , 424–429 (2016).

CAS PubMed Статья Google Scholar

42.

Alpegiani, M., Zarini, F. и Perrone, E. О получении 4-гидроксиметил-5-метил-1,3-диоксол-2-она. Synth. Commun. 22 , 1277–1282 (1992).

CAS Статья Google Scholar

43.

Liu, J. B. et al. Серебро-опосредованное окислительное трифторметилирование фенолов: прямой синтез арилтрифторметиловых эфиров. Angew. Chem. Int. Эд. 54 , 11839–11842 (2015).

CAS Статья Google Scholar

44.

Фарлоу, М. В., Ман, Э. Х. и Таллок, Д. В. Карбонилфторид. Неорганические синтезы (Rochow, E.G. ed.) Vol. 6, 155–158 (McGraw-Hill Book Company, Inc., 1960). https://doi.org/10.1002/9780470132371.ch58.

45.

Аватанео, М., Де Патто, У., Галимберти, М. и Маркионни, Г.Синтез α, ω-диметоксифторполиэфиров: механизм реакции и кинетика. J. Fluor. Chem. 126 , 631–637 (2005).

Артикул Google Scholar

46.

Petzold, D. et al. Опосредованное видимым светом высвобождение и превращение фторфосгена in situ. Chem. Евро. J. 25 , 361–366 (2019).

CAS PubMed Статья Google Scholar

47.

Xu, W., Vegunta, S. S. & Flake, J. C. Аноды из кремниевых нанопроволок с модифицированной поверхностью для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 196 , 8583–8589 (2011).

ADS CAS Статья Google Scholar

48.

Zhang, J. et al. Прямое наблюдение неоднородной межфазной границы твердого электролита на аноде из MnO с помощью атомно-силовой микроскопии и спектроскопии. Nano Lett. 12 , 2153–2157 (2012).

ADS CAS PubMed Статья Google Scholar

49.

Wan, G. et al. Подавление роста дендритного лития путем образования на месте химически стабильной и механически прочной межфазной границы твердого электролита. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10 , 593–601 (2018).

CAS PubMed Статья Google Scholar

50.

Снеддон, И.Н. Связь между нагрузкой и проникновением в осесимметричной задаче Буссинеска для штампа произвольного профиля. Внутр. J. Eng. Sci. 3 , 47–57 (1965).

MathSciNet МАТЕМАТИКА Статья Google Scholar

51.

Колле, Дж. П., Шуман, Х., Леджер, Р. Э., Ли, С. и Вайзель, Дж. У. Эластичность отдельного фибринового волокна в сгустке. Proc. Natl Acad. Sci. США 102 , 9133–9137 (2005).

ADS CAS PubMed Статья Google Scholar

52.

Zhan, C., Wu, T., Lu, J. и Amine, K. Растворение, миграция и осаждение ионов переходных металлов в литий-ионных батареях на примере катодов на основе Mn — критический обзор . Energy Environ. Sci. 11 , 243–257 (2018).

CAS Статья Google Scholar

53.

Гилберт, Дж.А., Шкроб И. А. и Абрахам Д. П. Растворение переходных металлов, миграция ионов, электрокаталитическое восстановление и потеря емкости в полных литий-ионных элементах. J. Electrochem. Soc. 164 , A389 – A399 (2017).

CAS Статья Google Scholar

54.

Ravdel, B. et al. Термостойкость электролитов литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 119-121 , 805–810 (2003).

ADS CAS Статья Google Scholar

55.

Ko, M. et al. Масштабируемый синтез графита, внедренного в кремний в нанослой, для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Nat. Энергетика 1 , 16113 (2016).

ADS CAS Статья Google Scholar

56.

Делли Б. Полностью электронный численный метод решения функционала локальной плотности для многоатомных молекул. J. Chem. Phys. 92 , 508–517 (1990).

ADS CAS Статья Google Scholar

57.

Делли Б. От молекул к твердым телам с помощью подхода DMol ³ . J. Chem. Phys. 113 , 7756–7764 (2000).

ADS CAS Статья Google Scholar

58.

Кламт, А. и Шюрманн, Г. COSMO: новый подход к диэлектрическому экранированию в растворителях с явными выражениями для экранирующей энергии и ее градиента. J. Chem. Soc. Perkin Trans. 2 , 799–805 (1993).

Артикул Google Scholar

59.

Холл, Д. С., Селф, Дж. И Дан, Дж. Р. Диэлектрические постоянные для квантовой химии и литий-ионных аккумуляторов: смеси растворителей этиленкарбоната и этилметилкарбоната. J. Phys. Chem. С 119 , 22322–22330 (2015).

CAS Статья Google Scholar

60.

Лойенга, Х. Диэлектрические проницаемости гетерогенных смесей. Physica 31 , 401–406 (1965).

ADS CAS Статья Google Scholar

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

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

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

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

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

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

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

---

Что сохраняется в файле cookie?

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

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

Электролит препятствует переходу на магниевый аккумулятор

Недорогой недендритный металлический магний является идеальным анодом для литий-ионной батареи. В настоящее время развитие магниевых электролитов определяет скорость прогресса в этой области, поскольку свойства электролита определяют класс используемых катодов.Здесь представлен обзор последних достижений в области электролита для магниевых аккумуляторов и перспективы решения существующих проблем. Во-первых, было показано, что теория функционала плотности предсказывает потенциальное окно магниевых электролитов на инертных электродах. Во-вторых, мы сообщаем о первоначальных усилиях, направленных на преодоление коррозионных свойств этих органоалюминатов магния по отношению к менее благородным металлам, таким как нержавеющая сталь. Это серьезная проблема при разработке высоковольтных магниевых электролитов, необходимых для батарей, работающих при напряжении выше 3 В.Наконец, мы коснемся кандидатов в катоды, включая классы вставки и преобразования. Одним из конверсионных катодов, на который мы обращаем особое внимание, является электрофильная сера, которая может быть соединена с анодами металлического магния с использованием ненуклеофильных электролитов, полученных простой кристаллизацией in situ , генерируемых органоалюминатами магния. По сути, ненуклеофильные электролиты открывают двери для исследований магниево-серных батарей.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз?

Электролит для батарей — обзор

Введение

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

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

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

Модели

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

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

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

Материалы	Прогнозирование	Метод	Основные выводы	Ссылки
NaNi 1/3 Mn 1/3 Co 903 903 903 903 903 90 Na-ion аккумуляторы	Для моделирования и оптимизации процесса производства материала положительного электрода для натрий-ионных аккумуляторов	Кластер симплексного алгоритма с синхронизированной перекрестной проверкой и векторной регрессией	Полученное оптимизированное значение емкости составляет 176 мАч −1 для 99 циклов, что лучше, чем у обычных батарей, используемых для коммерческого хранения	[55]
Катодные материалы с высоким содержанием никеля: LiNi x Co 1-xy Mn 1-xyz O 2 (NCM) для электромобилей.	1 . Построить прогнозную модель, чтобы предложить оптимизированные экспериментальные параметры, которые удовлетворяют целевым спецификациям. 2 . Поиск идеального процесса синтеза катодных материалов с высоким содержанием никеля, ведущего к ускоренной разработке литий-ионных аккумуляторов с большей емкостью и более длительным сроком службы для электромобилей. 3 . Разрабатывайте, прогнозируйте и улучшайте электрохимические характеристики катодных материалов с высоким содержанием никеля: LiNixCo1-x-yMn1-x-y-zO2 (NCM) для электромобилей	1.Модели регрессии ML: вспомогательная векторная машина (SVM), дерево решений (DT), гребенчатая регрессия (RR), случайный лес (RF), чрезвычайно рандомизированное дерево (ERT) и нейронная сеть (NN) с многослойным персептроном. Модель ML (ERT + AdaBoost). 2. Пакет машинного обучения на основе Python scikit-learn	1. Оптимизированные синтетические параметры для катодных материалов с высоким содержанием никеля, LiNi x Co 1-xy Mn 1-xyz O 2 (NCM), с x & gt; 0,85 для улучшения электрохимических характеристик.2. Показано, что температура прокаливания и размер частиц являются определяющими факторами для достижения длительного срока службы. 3. Подтверждено, что структуры с более высокими температурами прокаливания, более высоким содержанием Ni и большим размером первичных частиц приводят к ухудшению показателей жизненного цикла. 4. Модель машинного обучения (ERT + AdaBoost) показала лучшую производительность для прогнозирования начальной емкости, остаточного Li и срока службы. 5. Схема обратного проектирования была успешно использована, чтобы предложить идеальные экспериментальные параметры для выполнения целевых спецификаций.	[56]
Li 5 B 7 S 13 , Li 2 B 2 S 5 , Li 3 ErCl 6 , LiSO 3 , LiSO 3 Li 3 InCl 6 , Li 2 HIO, LiMgB 3 (H 9 N) 2 и CsLi 2 BS 3 · Li 5 B 7 S	Для разработки модели на основе машинного обучения (ML) для прогнозирования суперионной литий-ионной проводимости	Модель прогнозирования на основе машинного обучения (ML) для выбора материала и моделирования молекулярной динамики (DFT-MD) для расчета ионной проводимость	1.Обнаружено много новых твердых материалов с предсказанной суперионной литий-ионной проводимостью (≥10 −4 См / см) при комнатной температуре: Li 5 B 7 S 13 , Li 2 B 2 S 5 , Li 3 ErCl 6 , LiSO 3 F, Li 3 InCl 6 , Li 2 HIO, LiMgB 3 (H 9 N) 2 и CsL 2 BS 3 . 2. Li 5 B 7 S 13 , имеет предсказанную DFT-MD проводимость RT Li (74 мСм см -1 ), во много раз большую, чем самые быстрые из известных литий-ионных проводников	[19]
LiPF 6 электролит для литий-ионных аккумуляторов	Для определения неизвестных концентраций основных компонентов в электролитах типичных литий-ионных аккумуляторов.	Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье и машинное обучение	Подтверждено, что концентрация LiPF 6 снизилась на 10–20%, когда клетки прошли 200 циклов при 55 ° C. Отказ ячейки из-за потери большого количества солей	[57]
Углеродные молекулярные электродные материалы	Для определения перспективных материалов положительных электродов с высокими характеристиками	Основа машинного обучения DFT	1. Разработанный углерод- на основе молекулярных электродных материалов.2. Обнаружено, что сродство к электрону имеет наибольший вклад в окислительно-восстановительный потенциал, за которым следуют количество атомов кислорода, ВЗМО – НСМО, количество атомов лития, НСМО и ВЗМО в порядке, соответственно,	[58]
Катодные материалы со слоистой структурой для литий-ионных батарей	Для прогнозирования электрохимических свойств: плотность энергии разряда и затухание емкости	Алгоритм искусственной нейронной сети	Предлагаемая модель 3D-QANN: модель количественной взаимосвязи структуры и свойств для прогнозирования физических свойств неорганических кристаллических твердых частиц и новые материалы для конструкции	[59]
LiFePO 4	Срок службы литий-ионных батарей	Байесовский LS-SVR и нейронная сеть с вейвлетами	Прогнозируемый срок службы аккумулятор за очень короткое время прогноза (в пределах 1.41 с), при этом средняя ошибка составляет лишь около одной трети от ошибки традиционного алгоритма	[60]
Литий-ионные батареи	Емкость батареи	Регрессия гауссова процесса	Оценка емкости на месте превышает короткие периоды гальваностатического режима	[61]

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

«Повышение уровня электролита» повышает производительность двухионных водных аккумуляторов

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

Исмаэль Родригес Перес сформулировал новый тип химии ячеек для двойных ионных батарей, названный графитом || водно-цинковая двухионная двухионная батарея (фото Андреа Старр | Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория)

Благодаря ученым из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) , возможно, мы на шаг приблизимся к реализации этого видения.

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

Успешное применение графитового катода в водном электролите

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

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

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

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

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

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

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

Более безопасные и экологичные аккумуляторы

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

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

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

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

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

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

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

Потрясающий потенциал для стационарного хранения энергии в сети

Механизм DIB делает его особенно привлекательным вариантом для электросети.

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

В двойных ионных батареях и катионы, и анионы (отрицательно заряженные ионы) активны и движутся параллельно от электролита к аноду и катоду, соответственно, подобно гармошке (рисунок Кортланда Джонсона, адаптированный из изображений Исмаэля Родригеса Переса | Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория).

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

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

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

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