Электролит для щелочных аккумуляторов: Что такое щелочной электролит? Как произвести замену щелочного электролита?

Электролит щелочной

Электролит щелочной калиево-литиевый

Описание: Электролитом для аккумуляторов служит водный раствор гидрата окиси калия технического высшего сорта плотностью (1200+) кг/куб.м (1,19-1,21 г/куб.см) с добавкой 20 г/л гидрата окиси лития. 

При температуре окружающей среды от — 20 град.С  до — 40 град.С плотность электролита должна быть 1,26-1,28 г/куб.см без добавки гидрата окиси лития.

Для уменьшения испарения воды из раствора электролита рекомендуется залить в каждый аккумулятор индустриальное масло И-20А ГОСТ 20799-88 слоем 4-5 мм, сдерживающее накопление карбонатов.

Предлагаем электролит гарантированно высокого качества, изготовленный по ТУ 2384-006-52124071-2008. Плотность 1,2. Готов к использованию в нормальных условиях эксплуатации (от + 35 до  — 20 град С). Упакован в полиэтиленовые канистры емкостью 10 литров.

Состав электролита

Таблица расчета требуемого количества электролита (в литрах) для заливки  АКБ  различных типов

По вопросам приобретения продукции обращайтесь в отдел продаж нашей компании.
Наш адрес: 197374, г. Санкт-Петербург, ул. Мебельная, 1/2

Наши телефоны: 8 (812) 324-18-02
Факс: 8 (812) 324-18-01
E-Mail: [email protected]
Контактное лицо: Валькова Валентина Ивановна

Каталог продукции

Щелочной электролит для аккумулятора

Щелочной электролит имеет большое количество преимуществ перед другими видами токопроводящих веществ, поэтому широко используется в современных перезаряжаемых источниках питания. Об основных характеристиках, а также о свойствах и химическом составе этого вещества будет подробно рассказано далее.

Что такое щелочной электролит

Щелочной электролит представляет собой химическое соединение, принимающее активное участие при накоплении аккумулятором электроэнергии. Благодаря определённым свойствам такое вещество может многократно участвовать в восстановительно-окислительных реакциях без потери качества.

В щелочных аккумуляторах используются различные химические составы, поэтому аккумуляторы этого типа могут существенно отличаться по многим показателям.

Свойства и химический состав

Наиболее часто в аккумуляторах применяются щелочные электролиты следующих составов:

• Калиево литиевый.
• Натриевый.
• Никель-кадмиевые.
• Никель-металлогидридные.

Натриевые электролиты обладают большим сроком эксплуатации, но совершенно непригодны для использования при отрицательной температуре воздуха.

Калиево-литиевые в этом отношении значительно превосходят натриево-литиевые составы по морозостойкости, но для работы в тропических условиях не подходят из-за ограничения максимальной эксплуатационной температуры на отметке 35˚С.

применяются в современной электронике, но наличие эффекта памяти налагает на использование таких изделий определённые ограничения.

лишены этого недостатка, но их стоимость довольно велика, что является серьёзным препятствием на пути широкого применения элементов этого типа в качестве портативных источников электроэнергии.

Области применения

Они могут использоваться для заправки аккумуляторных батарей различной ёмкости и вольтажа. Такие изделия широко используются в следующих областях:

• Системы сигнализации.
• В качестве стартерных батарей для военной техники.
• Резервные источники питания для пассажирских вагонов, троллейбусов и трамваев.
• В качестве тяговых устройств для мощных электроустановок.

Компактные батареи с щелочным электролитом могут применяться также в электроинструменте, различных гаджетах и детских игрушках.

Кроме применения в аккумуляторных батареях щелочной электролит может быть использован для меднения стали. Такой метод является одним из самых эффективных для покрытия медью других металлов.

Аналогичные щелочные смеси можно сделать для цинкования. Наиболее часто таким образом покрываются цинком изделия, имеющие сложные геометрические формы.

Как заправлять аккумуляторы

Если восстановить работоспособность аккумулятора с помощью зарядки не удаётся, то возможно потребуется замена щелочного электролита. От правильного выполнения такой работы будет зависеть продолжительность эксплуатации АКБ. Рекомендуется осуществлять замену жидкости в такой последовательности:

• Отсоединить аккумулятор от потребителей электроэнергии.
• Надеть защитные очки и перчатки. Не лишним будет защитить одежду от едкого вещества с помощью прорезиненного фартука.
• Удалить пробки и вылить старую жидкость из банок.
• Произвести подготовку нового электролита.
• Залить до рекомендуемого заводом-изготовителем аккумулятора уровня.
• Установить на место пробки.
• Подключить аккумулятор к зарядному устройству.

Если причина неработоспособности аккумулятора заключалась в некачественном электролите, то после замены химического состава и полной зарядки, АКБ можно будет использовать в стандартном режиме.

Меры предосторожности

Как уже было сказано выше использование перчаток и очков является обязательным условием при выполнении работ с щелочными растворами. Игнорирование этого правила может привести к очень серьёзным последствиям. Например, можно получить серьёзные ожоги слизистой оболочки глаз или повредить кожные покровы верхних конечностей.

Если в результате выполнения работ попадания едкого вещества на кожу не удалось избежать, то поражённые участки следует немедленно промыть большим количеством воды, с добавлением уксуса или лимонной кислоты. Про попадании электролита в глаза также необходимо промыть поражённый орган зрения и немедленно обратиться за медицинской помощью.

При работе с элетролитом и зарядке батареи не рекомендуется курить или разводить открытый огонь в помещении. Несоблюдение этого требования может закончиться взрывом горючего газа, который может образоваться в процессе протекания химических реакций.

Как приготовить щелочной электролит

Его можно приобрести в специализированных магазинах, но если такой возможности нет, то жидкую смесь для заливки в аккумулятор можно приготовить своими руками. Для

выполнения этой работы следует подготовить твёрдую щёлочь, дистиллированную воду и неметаллическую посуду. Приготавливается натриево или калиево-литиевый электролит в такой последовательности:

• Налить в посуду необходимое количество воды.
• В воду аккуратно всыпать заранее приготовленную порцию щёлочи.
• Медленно перемешать стеклянной или пластмассовой лопаткой смесь.
• Произвести замер плотности электролита. Если этот параметр находится на слишком низком уровне, то следует добавить сухое вещество, если слишком высокий, то добавить воды (оптимальное значение 1,2 г/мм3).
• Накрыть посуду крышкой и дать отстояться раствору в течение 3 часов.
• Аккуратно слить разбавленную щелочь таким образом, чтобы осадок остался на дне ёмкости.

Приготовленный раствор следует хранить в стеклянной таре с плотно закупоренными горлышками. В качестве крышек рекомендуется использовать резиновые заглушки либо любой материал, не реагирующий на щёлочь.

При приготовлении электролита также следует соблюдать осторожность и использовать защитные очки и перчатки.

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

Электровоз ВЛ60 | Электролит в щелочных аккумуляторах

В щелочных аккумуляторах применяют составной электролит — раствор едкого кали марки А (твердый) или В (жидкий) плотностью 1,19-1,21 г/см3 (23- 25° по Боме) с добавкой моногидрата лития 20 г на 1 л (моногидрат лития содержит не менее 50 % едкого лития). На этом электролите можно работать при температуре от -19 до -4-35 °С. Допустимы кратковременные повышения температуры до 45 °С. Составной электролит обеспечивает наиболее длительный срок службы аккумуляторов (примерно 750 циклов).

При температуре ниже -20 °С аккумуляторы должны работать на растворе едкого кали повышенной плотности 1,25-1,27 г/см3 (20-31° по Боме) или составном калиево-ли-тиевом электролите плотностью 1,25-1,27 г/см3. Для этого аккумуляторы, которые до перехода на электролит повышенной плотности работали на едком натре, сначала заливаются (на 2-3 цикла) раствором едкого кали плотностью 1,19 г/см3 (23° по Боме), после чего производится смена электролита раствором едкого кали плотностью 1,25-1,27 г/см3 или составным ка-лиево-литиевым электролитом плотностью 1,25-1,27 г/см3. Составной электролит, вылитый из аккумуляторов перед заливкой электролитом из едкого кали плотностью 1,25- 1,27 г/см3, следует хранить в герметически закрытой посуде. Его можно вновь использовать в случае перевода аккумуляторов на постоянную работу при температуре выше -19 °С.

Если нет едкого кали, можно применять составной электролит — раствор едкого натра (каустическая сода, сорт А) — плотностью 1,17- 1,19 г/см3 (21-23° по Боме) с добавкой 10 г моногидрата лития на 1 л. На этом электролите можно работать в пределам температур от 10 до 45 °С.

При отсутствии моногидрата лития в случае эксплуатации аккумуляторов при температуре от +15 до -15 °С их заливают раствором едкого кали плотностью 1,19- 1,2 г/см3, при температуре от 10 до 30 °С — едким натром плотностью 1,17-1,19 г/см3 (21-23° по Боме). В этом случае (без добавки моногидрата лития в электролит) срок службы аккумуляторов уменьшается до 250-350 циклов.

Состав щелочи

Состав щелочи — сорт А — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,04 и 0,045; сорт Б — смесь едкого кали и едкого лития с соотношением 0,028 и 0,032 — выпускают в готовом виде для приготовления составного электролита. Составные щелочи поставляются в гранулированном состоянии или в жидком концентрированном виде (плотность не менее 1,41 г/см3) в герметически закупоренных железных или стеклянных сосудах.

Приготовление электролита. Для растворения едкого кали или едкого натра пригодна дистиллированная вода, дождевая вода, собранная с чистой поверхности, и вода, полученная при таянии чистого снега. В случае необходимости разрешается применять для приготовления электролита для щелочных аккумуляторов любые естественные воды (грунтовые, речные, озерные), признанные санитарным надзором годными для питья (кроме минеральных). Питьевую воду можно для приготовления электролита применять в сыром виде.

Твердую щелочь и моногидрат лития следует хранить в герметичных сосудах во избежание поглощения углекислоты из воздуха.

Чтобы приготовить электролит из твердых щелочей, берут для получения следующих растворов: едкого натра плотностью 1,17- 1,19 г/см3- 1 весовую часть твердого едкого натра на 5 весовых частей воды; едкого кали плотностью 1,19- 1,21 г/см3- 1 весовую часть твердого едкого калия на 3 весовые части воды; едкого кали плотностью 1,25- 1,27 г/см3- 1 весовую часть едкого кали на 2 весовые части воды.

Количество электролита в литрах, необходимое для заливки аккумуляторов батареи, определяют умножением числа, указывающего количество электролита для заливки одного аккумулятора данного типа, на число аккумуляторов в батарее.

Чтобы определить массу твердого кали или натра в килограммах, необходимого для приготовления требуемого количества электролита, надо разделить количество электролита в литрах:

на 5, если требуется приготовить раствор едкого натра плотностью 1,17-1,19 г/см3;

на 3, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21 г/см3;

на 2, если требуется приготовить раствор едкого кали плотностью 1,25-1,27 г/см3.

После растворения едкого кали или едкого натра как в дистиллированной, так и в естественных водах необходимо дать раствору отстояться до полного осветления (обычно от 3 до 6 ч), а затем слить осветлившуюся часть. Отстоявшийся и остывший до температуры не выше 20 °С раствор пригоден для заливки в аккумуляторы.

Растворение щелочи в воде можно производить в чистой металлической, рластмассовой или стеклянной посуде. Запрещается пользование оцинкованной, луженой, алюминиевой, медной, керамиковой и свинцовой посудой, а также посудой, предназначенной для приготовления электролита для свинцовых аккумуляторов. Даже ничтожно малое количество кислоты разрушает щелочные аккумуляторы.

Отвешенное количество щелочи помещают в посуду и заливают необходимым количеством воды. Воду перемешивают стеклянной или железной палочкой для ускорения растворения щелочи. Остывший раствор щелочи доводят до требуемой плотности по ареометру, добавляя воду или твердую щелочь, и перемешивают.

В случае применения жидкой щелочи разбавляют ее водой до требуемой плотности. Приготовленному раствору дают отстояться (от 3 до 6 ч), сливают осветлившуюся часть и заливают аккумуляторы.

В каждый аккумулятор после заливки электролита вливают несколько капель вазелинового масла. Заливать аккумулятор можно только остывшим электролитом температурой не выше -4-30 °С. Приготовленный электролит необходимо хранить в сосудах, плотно закрытых пробками.

Для приготовления составного электролита берется готовый раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21 г/см3 (23-25° по Боме) и к нему при тщательном перемешивании железной, стеклянной или эбонитовой палочкой добавляется моногидрат лития из расчета 20 г на 1 л раствора (например, к Юл раствора добавляется 200 г моногидрата).

Составной электролит приготовляют следующим образом:

из щелочей в твердом виде — берется 1 кг калиевой составной щелочи на 3 л воды; для натриевого составного электролита .- 1 кг натриевой составной щелочи на 5 л воды. В случае применения твердой составной щелочи необходимо вскрыть банку и небольшими порциями во избежание сильного разогревания класть содержимое банки в сосуд с водой, перемешивая. Все содержимое банки необходимо растворить одновременно;

из щелочей в жидком концентрированном виде — берется 1 л калиевой составной щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1 л воды;

для натриевого составного электролита — 1 л натриевой щелочи плотностью 1,41 г/см3 на 1,5 л воды.

Плотность калиевого составного электролита при температуре 25 °С должна быть 1,19-1,21 г/см3, натриевого составного — 1,17- 1,19 г/см3.

Отсыпав необходимое количество моногидрата лития, сосуд, где он хранится, следует тут же герметически закрыть, чтобы предотвратить порчу моногидрата лития вследствие поглощения углекислоты из воздуха.

После полного растворения моногидрата и отстаивания раствора электролит употребляют для заливки.

Электролит должен, как правило, находиться в бутылях, плотно закрытых пробками.

Меры предосторожности при приготовлении электролита:

а) для предотвращения разбрасывания осколков щелочи при откалывании зубилом необходимо прикрыть щелочь чистой тряпкой;

б) при добавлении моногидрата лития в раствор едкого кали необходимо пользоваться стальной, пластмассовой или фарфоровой ложкой;

в) во избежание попадания осколков щелочи и раствора на глаза, кожу и одежду необходимо надевать защитные очки, резиновый фартук и резиновые перчатки;

г) участки кожи и одежду, облитые щелочью, следует промыть 3 %-ным раствором борной кислоты или струей воды так, чтобы удалить признаки щелочи.

Смена электролита. Если аккумуляторы работают круглый год в неизменных температурных условиях, т. е. зимой в отапливаемых помещениях, то составной электролит меняют через каждые 100 циклов, но не реже одного раза в год. В случае заметного снижения емкости аккумулятора электролит необходимо сменить ранее указанного срока.

Если аккумуляторы работают при температуре ниже -15°С, следует заменить электролит раствором едкого калия плотностью 1,25-1,27 г/см3 (29-30 °С по Боме).

Перед сменой электролита батарею разряжают нормальным током 8-часового режима до напряжения 1,0 В на аккумулятор.

Старый электролит выливают, энергично встряхивают аккумулятор для удаления грязи из сосуда. Слитые растворы следует собирать (составной электролит из едкого кали и отдельно составной электролит из едкого натра) и отправлять на склады для регенерации.

После удаления старого электролита аккумуляторы промывают подщелоченной отстоенной или дистиллированной водой, энергично встряхивая.

Аккумуляторы, промытые дистиллированной водой, воспрещается оставлять без электролита во избежание коррозии. Промытые аккумуляторы заливают электролитом, через 2 ч проверяют плотность электролита и доводят ее до требуемой, после чего закрывают аккумуляторы пробками.

После смены электролита производят усиленный заряд аккумуляторов.

| ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ | | Электровоз ВЛ60 | | заряд аккумуляторов |

Свойства щелочных электролитов | Аккумуляторные батареи

Страница 13 из 26

4.2. Свойства щелочных электролитов

Электролитом для щелочных аккумуляторов с электродами из железа и окиси никеля служит раствор едкого кали. К этому раствору для аккумуляторов Эдисона добавляют небольшое количество гидроокиси лития. Гидроокись лития имеет полезное влияние на работу аккумуляторов, но она не является необходимой для основных реакций, которые протекают в них. Применение гидроокиси лития скорее основано на опытных результатах, чем на теоретических соображениях.
Прибавка лития влияет на срок службы эдисоновских щелочных аккумуляторов, в то время как без него кривая испытаний на срок службы имеет падающий характер, с его добавкой кривая в течение значительного времени повышается, прежде чем начнется ее падение.
Концентрация и химический состав щелочных электролитов, рассматриваемые в целом, не меняются в течение заряда, поэтому их измерение имеет меньшее значение, чем для сернокислотного электролита, применяемого в свинцовых аккумуляторах. Однако периодические измерения удельного веса все же должны производиться ввиду того, что происходит постепенное ослабление электролита, сопровождающееся уменьшением емкости батареи. Когда емкость упадет ниже известного предела, электролит должен быть заменен новым.
Щелочные электролиты для аккумуляторов Эдисона применяются трех составов: электролит для первого наполнения, для второго наполнения и электролит для возобновления. Первый состоит из 21%-ного водного раствора едкого кали с добавкой 50 г едкого лития  на 1 л раствора. Второй также состоит из 21%-ного раствора едкого кали с добавкой х граммов едкого лития, где х – количество лития, приблизительно равное тому количеству, которое найдено в первоначальном электролите после формирования. Третий состоит из 25%-ного раствора едкого кали с 15 г едкого лития на 1 л. Применение этих растворов в общем указано уже самими их названиями. Начальное заполнение элементов на заводе производится электролитом первого наполнения из наиболее сухого едкого лития с тем, чтобы обеспечить правильное количество его на единицу веса положительного активного материала. Второй род электролита применяется главным образом для тех батарей, которые после формирования отправляются в сухом виде. Электролит для вторичного наполнения применяется также для возмещения потерь при проливании, или когда требуется заменить электролит вследствие его загрязнения. Третий раствор для возобновления применяется, когда электролит в аккумуляторе достиг низшей границы удельного веса. Этот электролит готовится более концентрированный, чем первый, чтобы компенсировать разбавление ослабленным электролитом, находящимся в порах пластин.
Удельные веса этих электролитов до заливки их в аккумуляторы следующие:
Растворы едкого калия
уд. вес при 15,50C
Электролит для первого наполнения. От   1,288             до          1,230
″          второго наполнения …………… ″         1,210                ″          1,215
″          возобновления……………………… ″         1,248                ″          1,250
Когда удельный вес электролита в процессе работы уменьшился до 1,160, он должен быть возобновлен. При определении удельного веса должны быть приняты некоторые меры предосторожности. Электролит нужно пополнить до надлежащего уровня и тщательно перемешать, доведя батарею до состояния полного заряда; проба, взятая для измерения удельного веса, не должна иметь пузырьков газа. Если измерения производятся при температуре, отличной от стандартной температуры 15°С, необходимо ввести соответствующие поправки. В нормальных условиях электролит требует замены 2 или 3 раза в течение полезного срока службы батареи. Необходимо время от времени производить химический анализ электролита и воды, применяемой для доливки элементов.
Когда результаты тщательных измерений показывают, что требуется возобновление электролита, необходимо приготовить достаточное количество нового электролита. Если это удобно, батарея должна быть разряжена до нулевого напряжения, а затем подвергнута короткому замыканию группами не более чем по пяти элементов в течение 2 ч. При выливании старого электролита батарею надо сильно встряхивать для того, чтобы сполоснуть, таким образом, аккумуляторные пластины. Если элементы велики, то следует споласкивать каждый из них в отдельности. Пользоваться водой для споласкивания пластин не следует. После опорожнения каждого элемента следует его сейчас же наполнить новым электролитом, а по наполнении всей батареи ее надо зарядить нормальным 15-часовым режимом. Во время заряда необходимо время от времени измерять температуру, и если она достигает установленного предела 45°С, то следует прервать заряд до тех пор, пока батарея остынет.
Гидрат окиси калия или едкое калия – белое твердое тело, расплывающееся при хранении в открытом виде и легко растворяющееся в воде. Оно растворяет кожу и целый ряд органических веществ. Едкое кали как в твердом состоянии, так и в растворе поглощает углекислоту из воздуха, поэтому необходимо защищать раствор в аккумуляторах от загрязнения углекислотой, пользуясь газовыми вентилями в выходном отверстии. Эти вентили имеют назначением предотвратить доступ углекислого газа, позволяя в то же время газу, образующемуся внутри элемента, свободно выходить наружу. Едкое кали может быть приготовлено электролитическим путем из хлористого калия. Едкий литий получается в растворе действием извести на раствор карбоната лития. Это бесцветная весьма едкая жидкость.
Кристаллы едкого лития содержат всего 54%   гидрата окиси лития.

Щелочные аккумуляторы электролит — Справочник химика 21

    Процессы, протекающие в электролите. Процессы разряда и заряда щелочных аккумуляторов в суммарном виде можно представить реакциями [c.88]

    Электролит за счет углекислоты воздуха постепенно обогащается углекислым калием, который снижает напряжение, увеличивает внутреннее сопротивление и уменьшает емкость аккумулятора. Для устранения действия углекислоты щелочные аккумуляторы при бездействии и разряде должны быть всегда закрыты. Электролит сменяется примерно один раз в год. [c.160]

    Формирование щелочных аккумуляторов заключается в проведении одного или нескольких циклов заряд — разряд. При этом обычно применяют электролит (плотность 1,18—1,20 г/см )—раствор едкого кали и 4—15% гидроокиси лития. Иногда в электролит добавляют АзгОз или 5ЬгОз. Заряд ведут в течение 7—12 ч, а разряд— от 2 до 8 ч до напряжения 1,1 В. [c.98]

    Электролит калиево-литиевый—раствор едкого кали и едкого лития. Применяют для щелочных аккумуляторов. [c.119]

    Щелочные никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы по сравнению с НЖ-аккумуляторами обладают лучшей работоспособностью при пониженной температуре и повышенной токовой нагрузке. Саморазряд НК-аккумуляторов значительно меньше. Все эти преимущества связаны прежде всего со своеобразием электрохимических свойств кадмиевого электрода. Так, различие в сохранности заряда щелочных аккумуляторов объясняется тем, что железо в щелочном электролите термодинамически неустойчиво, тогда как потенциал кадмия в тех же условиях положительнее равновесного потенциала водородного электрода, и самопроизвольное окисление чистого кадмия в обескисло- [c.226]

    Пластины и электролит щелочных аккумуляторов помещ т в закрытый сосуд из стали. Преимущество этих аккумуляторов перед кислотными в простоте обслуживания и высокой механической прочности. Кроме того, они не требуют постоянного контроля за концентрацией электролита. Рабочее напряжение заряженных аккумуляторов 1,30 — 1,34 В (для никель-кадмиевых) и 1,37 — 1,41 В (для железо-никелевых). [c.58]

    Электролит в этих аккумуляторах, в отличие от свинцовых и щелочных аккумуляторов, в реакциях заряда и разряда не участвует, поэтому его можно брать очень мало. Это обстоятельство позволило создать аккумуляторы, имеющие очень эффективную конструкцию электроды помещены вплотную друг к другу и разделены только тонким слоем целлофана. Весь электролит находится в порах электродов. Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют больщую емкость, высокую энергию и высокую мощность на единицу массы и объема, поэтому они широко применяются там, где необходимы аккумуляторы небольшого размера. [c.602]

    В качестве анода используют фольговые оксидно-никелевые электроды щелочных аккумуляторов либо аноды из устойчивых в щелочной среде материалов, например графита. Нели при электрохимическом синтезе карбоновых кислот в щелочной электролит ввести сульфат никеля, то в процессе электролиза на поверхности таких анодов осаждается слой гидроксидов никеля, которые окисляют спирт наряду с гидроксидами, находящимися в объеме раствора. [c.208]

    Введение гидроокиси лития в электролит щелочного аккумулятора увеличивает емкость и срок службы аккумулятора при обычных температурах и удлиняет рабочий интервал в сторону высоких температур. Это полезное действие, однако, наблюдается лишь при умеренных концентрациях едкого лития в электролите, превышение которых, наоборот, приводит к ухудшению свойств аккумулятора. Установлено, что при большой концентрации едкого лития в электролите он может образовать с. массой положительного электрода электрохимически инертное соединение Ь ЫЮ2, от чего емкость электрода падает. [c.138]

    Кадмиево-никелевые (КНА) и железо-никелевые (ЖНА) щелочные аккумуляторы имеют между собой много общего. В этих аккумуляторах положительным электродом служит Ы10(0Н), а отрицательным в ЖНА — железо, в КНА — кадмий электролит—раствор щелочи КОН. При разомкнутой цепи на электродах устанавливается электрохимическое равновесие  [c.158]

    Электролит, как кислотный, так и щелочной, при изготовлении сильно нагревается горячий раствор наливать в аккумуляторы нельзя, надо дать ему остыть до комнатной температуры. В аккумулятор наливается (через стеклянную воронку) такое количество раствора, чтобы уровень последнего был не менее как на 10— 12 мм выше пластин о высоте этого уровня можно судить, опуская в отверстие для пробки стеклянную палочку. После заполнения раствором отверстия в крышке плотно прикрываются ( ) металлическими пробками у щелочных аккумуляторов и резиновыми (но не корковыми) пробками у свинцовых. Так как раствор частично впитывается в пластины, через некоторое время нужно его долить и затем, не откладывая, поставить аккумулятор на первую зарядку. [c.405]

    Гидроксид калия КОН (едкое кали) служит исходным веществом для получения солей калия и, кроме того, применяется в производстве жидких мыл, некоторых красителей и как электролит в щелочных аккумуляторах. [c.404]

    Заслуживает упоминания применение ЬЮН в качестве добавки к щелочным аккумуляторам. Добавка ЫОН к КОН-Ь + МаОН повышает емкость аккумулятора на 12%, удельное сопротивление на 21%, срок службы железо-никелевого аккумулятора удлиняется в 2—3 раза (приведенные данные относятся к случаю добавки 21 г/л ЬЮН-НгО в электролит КОН с Р= 1,19—1,21 г см ). [c.13]

    Электролит для щелочных аккумуляторов [c.133]

    Электролиты для щелочных аккумуляторов в процессе работы поглощают углекислый газ из воздуха и переходят в карбонаты. Наличие в электролите карбонатов в больших количествах вызывает возрастание удельного сопротивления электролита и умень- [c.133]

    Электролит калиево-литиевый — раствор едкого кали и едкого лития. Применяется для заполнения щелочных аккумуляторов. [c.92]

    При длительном перерыве в эксплуатации аккумуляторов необходимо щелочные аккумуляторы зарядить и хранить заполненными (2—2,5 месяцев), а кислотные, после полного разряда, слив электролит, промыть дистиллированной водой и хранить с закрытыми пробками в сухом виде. [c.406]

    Рассчитать падение напряжения в электролите межэлектродного пространства щелочного аккумулятора типа НЖ-22, имеющего две положительные пластины габаритами 140 Х 95 мм и три отрицательные пластины габаритами 145 X 99,5 мм при разрядном токе 22 А. Межэлектродное расстояние 1,2 мм. Электролит —раствор КОН плотностью 1,20 (21,15%-ный раствор КОН) с удельной электропроводностью =0,520 Ом- -см . [c.68]

    Как приготовляют электролит для свинцового и щелочного аккумуляторов  [c.139]

    В СССР для кадмиево-никелевых щелочных аккумуляторов, работающих при температуре окружающей среды не ниже — 15°, в качестве электролита применяется водный раствор едкого кали с удельным весом 1,19 — 1,21 с добавкой 21 1 г л моногидрата лития. В железо-никелевых аккумуляторных батареях электролит для работы при температуре от + 20° до + 35° состоит из водного раствора едкого кали с удельным весом 1,19—1,21, добавляется 20 1 г/л моногидрата лития. Кондиции на литий едкий аккумуляторный установлены ГОСТом 8595-57 [c.44]

    Цель работы. Ознакомление с установкой и методом определения электрохимического эквивалента. Принадлежности для работы. Свинцовый или щелочной аккумулятор амперметр реостат ключ медный кулонометр (ванна с электролитом и двумя медными электродами) секундомер, миллиметровая линейка аналитические весы 5-процентный раствор USO4 провода для монтажа прибора. Описание работы. При прохождении через электролит определенного количества электричества количество вещества т, выделяющегося на электроде, равно [c.74]

    Многочисленными исследованиями установлено,, что реакции, происходящие в щелочном аккумуляторе, заключаются в переносе кислорода с одной пластины на другую. В течение разряда аккумулятора кислород отнимается у положительной пластины и присоединяется к отрицательной. При заряде происходит обратное. Электролит в целом не испытывает изменений ни в своем составе, ни в плотности. Но в электролите, находящемся в порах пластин, происхо-дят существенные изменения. [c.205]

    Из гидроксидов щелочных металлов наиболее важное значение имеют NaOH и КОН. Гидроксид натрия — один из основных продуктов химической промышленности он совместно с КОН широко применяется как в самой химической промышленности, так и в других производствах. Наиболее крупный потребитель NaOH — быстро развивающееся производство искусственного волокна. Гидроксиды натрия и калия используются в Мыловарении, текстильной промышленности, при очистке нефтепродуктов, в щелочных аккумуляторах (электролит), как осушающее вещество и т. п. [c.219]

    При разряде серебряно-цинковый аккумулятор можно представить как2п-12пО, 2п(ОН)г + КОН (40%)l+Ag. Электролит здесь в отличие от кислотных и других щелочных аккумуляторов в реакциях разряда и заряда не участвует. Поэтому электроды помещают вплотную один к другому (они разделены тонким слоем целлофана), электролит же находится в порах электродов. [c.488]

    Напряжение щелочных аккумуляторов ниже, чем свинцовых. Во время разряда оно изменяется с 1,35 до 1,1 в, оставаясь в среднем равным 1,2 е, затем быстро падает до 1 е и ниже. Внутреннее сопротивление сильно возрастает по мере разряда у аккумуляторов ШН оно выше, чем у КН (той же емкости). Железный электрод растворяется в электролите, даже когда аккумулятор не замкнут,— выделяется водород. Кадмий устойчив в щелочных растворах, однако он значительно дороже железа, из-за чего кадмиевый электрод содержит иногда до 5% железа. Кроме того, присутствие железа в электроде благоприятно влияет на свойства его активной массы, повышая ее пористость. Свежезаряженный ЖН-аккумулятор имеет э.д.с. 1,48 е, КН—1,44. Однако через короткое время э.д.с. снижается у обоих аккумуляторов до 1,35 в. [c.403]

    В 1883 г. был построен гальванический элемент, содержащий щелочной электролит (см, гл. I). Этот элемент можно рассматривать как прототип современного щелочного аккумулятора. В 1900 г. был построен первый щелочной аккумулятор, который нашел большое практическое применение. Аккумулятор со стоял из сосуда с раствором едкого кали и погруженных в него электродов. Положительным электродом заряженного аккумулятора служил гидрат окиси никеля с добавкой графита для придания электропроводности отрицательный электрод состоял из губчатого кадмия с добавкой губчатого железа. Годом позисе был разработан щелочной аккумулятор, отличающийся от описанного выше конструктивным, оформлением и применением для отрицательного электрода мелкораздробленного железа с добавкой небольшого количества окиси ртути. Положительный электрод был изготовлен из смеси гидрата окиси никеля и металлического (лепесткового) никеля. [c.140]

    Гидроокись калия КОН (едкое кали), как и едкий натр,— очень сильное основание, еще больше растворимое в воде, чем NaOH. Применяется для получения жидких калийных мыл. Кроме того, раствор КОН используется как электролит в щелочных аккумуляторах (стр. 176), особенно в условиях низких температур. [c.217]

    У кадмий-пикелевых аккумуляторов коэффициент использование активной массы пололнормальной эксплуатации щелочные аккумуляторы служат б—10 и более лет. Согласно ГОСТ 3895—47 срок службы щелочных аккумуляторов на составном (т. е. с добавкой гидрата окиси лития) электролите должен быть не менее 750 циклов. [c.520]

    Щелочные аккумуляторы значительно отличаются от свинцовых. Применяемые в щелочных аккумуляторах активные массы для положительного и отрицательного электродов не обладают достаточной пластичностью и прочностью, поэтому они не могут, подобно массам свинцовых аккумуляторов, оставаться в пластинах в открытом виде. Для удержания активной массы при изготовлении Щелочных аккумуляторов применяют специальные коробочки, называемые ламелями они изготовлены из тонкоперфо-рированной жести. Электроды составляют из отдельных ламелей, соединенных специальной рамкой. К активной массе, находящейся внутри ламели, электролит проникает через отверстия на поверхности коробочки. Эти отверстия делают настолько мелкими, что частицы активной массы не могут выпасть из ламели. Электроды собирают в блоки и монтируют далее в металличе-СК1-Х, очень прочных сосудах. [c.151]

    Электролит. В щелочных аккумуляторах в Качестве эле1раствор едкого кали. Раствор, содержащий 28% КОН, обладает максимальной электропроводностью, и с целях уменьшения внутреннего сопротивления его употребле-йие было бы желательно. Практически пользуются более слабыми растворами — содержащими от 20 до 22% КОН (уд. вес Ют 1,18 до 1,20), так как при применении концентрированных [c.160]

Питание щелочных батарей с гидроксидом калия

Щелочные батареи буквально стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они используются во всем: от слуховых аппаратов до пультов дистанционного управления, игрушек и видеоигр. Фактически, отрасль превратилась в многомиллиардную с момента своего создания в 1950-х годах. Ожидается, что к 2022 году рынок щелочных батарей вырастет до 8 миллиардов евро.

Однако так было не всегда. Одной из первых батарей, которые начали коммерческое использование, была свинцово-ацетатная батарея.Он был изобретен в 1859 году, но до сих пор остается основной технологией автомобильных аккумуляторов. Щелочная батарея в том виде, в каком мы ее знаем сегодня, была впервые представлена ​​в 1959 году. Именно эта батарея с некоторыми усовершенствованиями в ее технологии со временем стала широко популярной благодаря своей стоимости и эффективности.

Как работают щелочные батареи

Щелочные батареи — это, по сути, химическая реакция. Каждая ячейка состоит из анода, катода и электролита, который облегчает перенос электронов.В стандартной щелочной батарее катод изготовлен из диоксида марганца, который образует слой внутри корпуса батареи. Анод состоит из порошка цинка, диспергированного в растворе электролита. Гидроксид калия — стандартный раствор электролита для щелочных батарей. Другие компоненты в батарее включают в себя сепаратор для электрического разделения анода и катода и токоприемник для захвата электронов.

Когда щелочная батарея подключена к цепи, происходит химическая реакция.На катоде происходит реакция восстановления с образованием гидроксильных ионов. В то же время цинковый анод окисляется, поглощая ионы гидроксила, при этом высвобождаются электроны. Именно эти электроны приводят в действие электрические устройства.

Щелочная батарея разряжается, когда заканчиваются ресурсы для завершения химической реакции. Первым химическим веществом, которое закончится, является диоксид магния, а это означает, что больше не могут образовываться гидроксильные ионы и больше не выделяются электроны.

Факторы, влияющие на работу щелочных батарей

Важно отметить, что напряжение батареи будет снижаться в течение ее срока службы.Это приемлемо, потому что электрические устройства могут нормально работать в диапазоне от 0,9 до 1,5 вольт.

Производители батарей описывают работу щелочных батарей и факторы, влияющие на их работу, следующим образом:

• Чем ниже температура, тем менее эффективна щелочная батарея. Низкие температуры препятствуют движению ионов. Замедление химической активности снижает напряжение батареи, в то время как потребляемый ток остается постоянным.
• Еще одним фактором, влияющим на срок службы щелочной батареи, является величина потребляемого тока.Чем больше нагрузка на аккумулятор, тем быстрее истощатся химикаты и аккумулятор разрядится.

Преимущества щелочных батарей на основе гидроксида калия

До изобретения щелочных батарей наиболее распространенным типом используемых батарей была угольно-цинковая батарея. Но производительность щелочных батарей намного превосходит более ранние технологии. У них в два раза выше энергоемкость и в четыре-девять раз дольше. Щелочные батареи также имеют очень хороший срок хранения — до десяти лет без заметного ухудшения характеристик.

Перезаряжаемые батареи, такие как никель-металл-водородные батареи и литий-ионные батареи, стали популярными благодаря сокращению отходов при подзарядке. Литий-ионные батареи — это батареи с высокими эксплуатационными характеристиками, которые обладают значительно большей емкостью, чем щелочные батареи. Кроме того, они намного дороже, что делает их менее подходящими для повседневного использования щелочных батарей в электронике.

Утилизация и переработка щелочных батарей

Щелочные батареи с гидроксидом калия не наносят вреда окружающей среде.Они не содержат токсичных химикатов, таких как ртуть, которые являются контролируемыми веществами. Таким образом, их можно утилизировать как неопасные отходы. Однако всегда лучше утилизировать материалы, чем отправлять их на свалки, где они будут медленно разлагаться. Каждая щелочная батарея содержит небольшое количество цинка, марганца и стали, каждая из которых может быть повторно использована в случае восстановления.

Контакт Винова

Vynova — ведущий европейский производитель гидроксида калия. У нас есть производственные площадки в Бельгии и Франции.В наших производственных процессах используются лучшие доступные технологии, обеспечивающие эффективную работу и экологическую ответственность. Свяжитесь с одним из наших торговых представителей по продаже калия здесь или посетите наш веб-сайт, чтобы узнать о нас больше.

Щелочной электролит — обзор

2.1.3 Электролиз воды: обратный режим работы топливного элемента

Преобразование электроэнергии в водород (и кислород) путем электролиза воды известно давно (продемонстрировано Фарадеем в 1820 г. и широко используется примерно с 1890 г.), но если электричество производится с использованием ископаемого топлива, то стоимость водорода, полученного таким способом, выше, чем стоимость, связанная с паровым риформингом природного газа.С другой стороны, легче достичь высокой чистоты водорода, необходимой для некоторых применений, и по этой причине электролиз водорода в настоящее время занимает около 5% рынка. Поскольку стоимость электроэнергии преобладает над стоимостью производства водорода путем электролиза, ситуация совершенно иная, если использованная электроэнергия представляет собой избыточную электроэнергию из переменных ресурсов, таких как ветер или солнечное излучение. В случаях, когда такая электроэнергия производится в периоды отсутствия местного спроса и очевидного варианта экспорта в другие регионы, стоимость этой электроэнергии может рассматриваться как нулевая.Это делает очень благоприятным хранение энергии для последующего использования, и хранение в форме водорода является одним из вариантов, который может быть благоприятным, при условии, что использование водорода или регенерация электроэнергии экономически привлекательны в конкретной ситуации.

В обычном электролизе используется водный щелочной электролит, обычно КОН с массовой долей около 30, с областями положительного и отрицательного электрода, разделенными микропористой диафрагмой (заменяющей более ранние асбестовые диафрагмы).Общая реакция на положительном электроде ¹ (например, Ni или Fe) составляет

(2,15) h3O → ½O2 + 2H ++ 2e-,

, где электроны покидают ячейку через внешнюю цепь (рис. 2.2. ) и где три продукта могут быть сформированы в два этапа,

Рис. 2.2. Принципиальная схема водоэлектролизной ячейки.

(2,16) 2h3O → 2HO− + 2H + → h3O + ½O2 + 2e− + 2H +.

Реакция на отрицательном электроде

(2,17) 2H ++ 2e− → h3,

захват электронов из внешней цепи.Ионы водорода должны переноситься через электролит за счет разности электрических потенциалов В . Роль щелочного компонента заключается в улучшении плохой ионной проводимости воды, что способствует использованию КОН. Однако это ограничивает температуру процесса значениями ниже 100 ° C, чтобы избежать сильного увеличения щелочной коррозии электродов. Общая реакция обратна (2.8):

(2.18) h3O − ΔH0 → h3 + ½O2, ΔH0 = −242g / 288lkJ / моль

(2.19) ΔH = ΔG + TΔS.

При атмосферном давлении и температуре (298 К) изменение энтальпии и свободной энергии для жидкой воды составляет Δ H = — 288 кДж моль ^{— 1} и Δ G = 236 кДж моль ^{— 1} .Таким образом, для процесса электролиза требуется минимальное количество электрической (высококачественной) энергии в размере 236 кДж / моль ^{— 1} , в то время как разница между энтальпией и изменениями свободной энергии Δ H — Δ G теоретически может быть теплотой. взяты из окрестностей. Поскольку тогда кажущаяся эффективность преобразования будет составлять Δ H / Δ G и — Δ H также является (верхней) теплотворной способностью H ₂ , теоретически она может превышать 100% на целых 22%. Однако при использовании тепла окружающей среды при 25 ° C процесс будет очень медленным.Температура, используемая в классических электролизерах, составляет около 80 ° C, и в некоторых случаях необходимо применять активное охлаждение. Гораздо меньшая эффективность преобразования (50–77%, см. Decourt et al., 2014), достигаемая с помощью простых электролизеров в практических случаях, в значительной степени является следствием «перенапряжения» электродов, в основном из-за эффектов поляризации. Потенциал ячейки В для электролиза воды может быть выражен как

(2,20) V = Vr + Va + Vc + Rj,

, где В _r — обратимый потенциал ячейки,

(2.21) Vr = −ΔG / zF = 1.22V,

с использованием изменения свободной энергии Δ G , постоянной Фарадея F = 96 493 Кл моль ^{— 1} и числа z электронов, участвующих в реакции. , здесь (2.15). Три следующих члена в (2.20), которые составляют перенапряжение, были разделены на части отрицательного («анод») и положительного («катод») электродов В _a и В _c и вклад сопротивления. Сила тока составляет Дж , а R — внутреннее сопротивление ячейки.Три последних члена в (2.20) представляют электрические потери, а КПД по напряжению η _В электролизера, работающего при токе Дж , определяется как

(2.22) ηV = Vr / V.

Предпринимаются попытки повысить эффективность щелочных электролизеров до 80% или выше. Один из методов заключается в повышении рабочей температуры, обычно выше 1 500 ° C, а также в оптимизации конструкции электродов и выбора катализатора.

Щелочные электролизеры, описанные здесь, являются одним из типов топливных элементов (описанных как таковые в разделе 3.4), работающий в реверсивном режиме. Хотя подробное обсуждение квантово-химических процессов, задействованных в таких устройствах, является предметом главы 3, здесь будет дано некоторое объяснение механизмов, ответственных за диссоциацию газа и потерь на электродах, фигурирующих в (2.20). Как молекулы воды и ионы электролита ведут себя вблизи поверхностей электродов или на поверхности любых катализаторов, размещенных на (или около) электродов, чтобы ускорить перенос? Экспериментальные методы, такие как туннельная электронная микроскопия (ТЕМ) и ряд спектральных измерений, позволяют создавать визуальные впечатления от молекулярной структуры, которые были немыслимы для первых конструкторов электрохимических устройств.Более того, недавние достижения в полуклассической и квантовой химии позволяют проникнуть в суть механизмов переноса электронов на таком уровне детализации, который был неслыханным до 1990-х годов.

Рассмотрим металлическую поверхность (электрод или катализатор) с атомной структурой правильной решетки. В качестве электрода в электролизере внешнее напряжение, приложенное к системе, вызывает накопление зарядов на поверхности металла. В классическом описании электрохимических устройств заряды противоположного знака, полученные от ионов в электролите, притягиваются к электродам, образуя двойной слой противоположных зарядов.На положительно заряженном электроде слой отрицательных ионов накапливается в электролите вдоль поверхности электрода. Это среда, в которой происходит расщепление воды. Для моделирования структуры в этой двухслойной области использовалась молекулярная механика.

«Молекулярная механика» — это приближение классической механики для описания движения атомных или молекулярных центров, полностью игнорирующее электроны, за исключением отслеживания зарядов, но сохраняющее возможность несимметричной формы каждой молекулы, которая может характеризоваться ее ориентация в пространстве.Предполагается, что молекулы взаимодействуют посредством эвристической силы, задаваемой параметризованными потенциальными функциями, такими как изображенная на рис. 2.1. На рисунке 2.3 показан пример (замороженный во времени) размера проблем, которые можно решить таким образом: в прямоугольном пространстве находится 400 молекул воды и 32 иона (Na ⁺ или Cl ^—) с одним заряженным сторона, представляющая электрод. На рисунке показано, что расчет дает реалистичные шаблоны. Усредняя общее время моделирования в несколько наносекунд, можно установить изменения плотности заряда в зависимости от расстояния от электрода, как показано на рис.2.4. Показанные три случая являются результатами расчетов для положительно, нулевого и отрицательно заряженного электрода соответственно. Видно, что, как и ожидалось, ионы Cl ^— накапливаются возле положительно заряженного электрода, а ионы Na ⁺ накапливаются возле отрицательно заряженного электрода, но, кроме того, молекулы воды стали поляризованными, так что общий заряд равен функция расстояния от электрода колеблется в результате интерференции между ионными и связанными с водой зарядами.Модель, конечно, ограничена использованием феноменологического короткодействующего взаимодействия, которое одинаково для воды и ионов, расчетом молекулярной динамики и отсутствием рассмотрения конкретных квантовых реакций, которые могут происходить на поверхности электрода (Spohr, 1999).

Рис. 2.3. Раствор натрия хлорида возле металлической поверхности (внизу). Результаты моделирования молекулярной динамики за один временной шаг для положительного заряда поверхности.

Рис. 2.4. Плотность заряда как функция расстояния от электрода для электролита, смоделированного на рис. 2.3. Три случая представляют собой положительный, нулевой и отрицательный заряд электрода. Сплошные линии — это общие плотности заряда, более длинные штрихи — плотности ионных зарядов, а более короткие штрихи — плотности водных зарядов. Кривые сглажены.

В электролизере заряженные двойные слои (или более сложные колебательные плотности заряда) существуют на обоих электродах, а ионы и молекулы воды в электролите имеют тепловое распределение кинетической энергии в зависимости от рабочей температуры.Кинетическая энергия вызывает воздействие реагентов на электроды, что снова может изменить скорость реакции. Таким образом, квантово-механическое описание влечет за собой сначала определение распределений электронной плотности и потенциальной энергии на возможных путях реакции, а затем зависящее от времени решение уравнения Шредингера или его полуклассическое приближение для молекул реагентов в каждом из состояний, возможных в пределах их тепловое распределение. Их можно определить, найдя возможные колебательные возбужденные состояния каждой участвующей молекулы.

На рис. 2.5 показана поверхность потенциальной энергии более простой реакции (2.17) на отрицательном электроде в зависимости от расстояния z молекулы водорода от поверхности и расстояния d между двумя атомами водорода. Квантовые расчеты были выполнены в зависимости от всех шести координат водорода (по три для каждого атома), и было обнаружено, что положение водородной пары, параллельное поверхности, имеет самую низкую энергию. Вблизи поверхности центры масс молекулы водорода могут приближаться к атомам металла на верхней поверхности или к «дырам» между ними.В случае платинового отрицательного электрода первая возможность, по-видимому, обеспечивает самый простой путь реакции на больших расстояниях (Pallassana et al., 1999; Horch et al., 1999), но после разделения атомы водорода появляются с их центром масса в узле «дырка», то есть в центре грани в случае кубической (ГЦК) структуры решетки Pt с индексами Миллера (111). ² На рис. 2.5 водородная пара приближается по вертикальной линии от ГЦК-положения для решетки Ni (111).

Фиг.2.5. Поверхность потенциальной энергии в эВ по двум координатам для диссоциации водорода на поверхности никелевого катализатора. По оси абсцисс отложено расстояние d между двумя атомами водорода, а по оси ординат — расстояние z пары водорода от второго слоя поверхности Ni. Предполагается, что пара параллельна поверхности. Квантово-химический расчет потенциальных энергий использует теорию функционала плотности B3LYP (см. Раздел 3.2) и набор из 508 базисных функций (SV) для 2 × 337 электронов в 26 атомах, включая два слоя атомов Ni и два атома водорода, расположен, как показано на вставке вида сверху (Sørensen, 2005).

На рис. 2.5 показано, что молекула водорода может приближаться к поверхности при фиксированном расстоянии d = 0,074 нм (равном экспериментально определенному расстоянию в изолированной молекуле водорода) на расстояние примерно z = 0,5 нм от нижняя поверхность. Там он должен пройти через седловую точку в потенциальной энергии (что возможно из-за колебательной энергии, связанной с конечной температурой, кинетической энергией или квантовым туннелированием), чтобы достичь долины потенциальной энергии, связанной с диссоциированным состоянием при z = 0.317 нм. Резко возрастающая потенциальная энергия предотвращает приближение атомов водорода к поверхности, хотя есть вариации потенциала в зависимости от положения атомов Ni. Расчетная высота барьера седловой точки (переходной структуры) составляет около 0,90 эВ, как видно из молекулярного состояния водорода, а d лишь немного увеличена. Конечный минимум энергии после разделения атомов водорода примерно на 0,33 эВ ниже начального. Расстояние между атомами водорода в этом минимуме составляет около d = 0.1 нм, но энергия остается постоянной для увеличения d .

На положительном электроде пара атомов кислорода, кажется, предпочитает разделяться по лицевому центру решетки Pt, но опубликованные квантовые расчеты не могут хорошо воспроизвести экспериментальные энергии (Eichler and Hafner, 1997; Sljivancanin and Hammer, 2002). Точная природа поверхности важна, и появление ступенек в окончании кристаллической структуры на поверхности может значительно усилить диссоциацию, например, молекул кислорода на поверхности платины (Stipe et al., 1997; Gambardella et al., 2001). Аналогичные эффекты были обнаружены и при адсорбции водорода (Kratzer et al., 1998). На рис. 2.6 показана поверхность потенциальной энергии для двух атомов O над поверхностью Ni в координатах, аналогичных координатам на рис. 2.5. Здесь ясно демонстрируется диссоциация на поверхности. Дальнейшее обсуждение квантовых расчетов образования или диссоциации кислорода, происходящих во время электролиза воды или работы топливных элементов, будет дано в разделах 3.1 и 3.2.

Фиг.2.6. Поверхность потенциальной энергии в эВ по двум координатам для диссоциации кислорода на поверхности никелевого катализатора. По оси абсцисс отложено расстояние d между двумя атомами кислорода, а по оси ординат — расстояние z пары кислорода от второго слоя поверхности Ni. Предполагается, что пара параллельна поверхности. Квантово-химический расчет потенциальных энергий использует метод Хартри-Фока для атомов Ni и добавляет корреляции из теории функционала плотности (B3LYP, см. Раздел 3.2) для атомов кислорода набор из 508 базисных функций (SV) для 2 × 344 электронов в 26 атомах, включая два слоя атомов Ni и два атома кислорода, расположенных, как показано на вставке вида сверху. Как и на рис. 2.5, абсолютное значение шкалы энергий взято произвольно, так что имеют значение только разности потенциальных энергий (Соренсен, 2005).

Конечные температурные эффекты могут быть рассчитаны на основе стационарных квантовых расчетов электронной структуры либо с помощью классических расчетов молекулярной динамики (с аргументом, что квантовые эффекты менее важны для атомных ядер, чем для электронов), либо с помощью расчетов Монте-Карло на основе об интегралах по траекториям выборки (Weht et al., 1998) или методы функционала плотности плоских волн (Reuter et al., 2004). Метод интегралов по путям — это общий метод квантово-статистической обработки систем многих тел. Он включает в себя расчет двухточечной матрицы плотности, которая при определенных условиях может быть выражена в терминах эффективных потенциалов из расчетов, подобных тем, которые используются на рисунках 2.5 и 2.6. Затем метод Монте-Карло используется для определения среднего теплового поведения системы.

Перенапряжение, введенное в связи с (2.20) теперь можно интерпретировать с точки зрения двух идентифицируемых отклонений от потенциала, определяемого общей энергией реакции. Один из них вызван нестатической ситуацией в электрохимическом устройстве, в котором через электролит протекает ток, заставляя ионы взаимодействовать с молекулами, которые они проходят. Другой, возникающий на каждом электроде, связан с нарастанием поляризации, как показано на рис. 2.4, и включает в себя как воду, так и ионы в электролите. Динамический характер обоих этих эффектов подразумевает, что перенапряжение можно определить как разницу между реальным значением и значением для полностью статической ситуации без каких-либо токов через устройство (Hamann et al., 1998). При взаимодействии между первичными реагентами и окружающими молекулами простые потенциалы, изображенные на рис. 2.1, 2.5 и 2.6, строго говоря, больше не могут быть изображены как функция одной переменной.

Эффект растворителя можно моделировать на различных уровнях сложности. Самый простой — рассматривать исследуемую молекулу как окруженную бесконечной однородной диэлектрической средой (растворителем) и взаимодействующую только через свой полный дипольный момент. Чтобы избежать бесконечности в численных расчетах, это также включает в себя создание пустоты (полости) вокруг исследуемой молекулы, поэтому расстояние между точкой в ​​растворителе и точкой, принадлежащей молекуле, никогда не равно нулю.Эта дипольная модель была впервые предложена Онзагером (1938). Усовершенствования включают замену фиксированной сферической полости Онзагера объединением сфер вокруг каждого атома молекулы и введение различных параметризаций дипольного взаимодействия. С другой стороны, каждая молекула растворителя может быть включена в квантово-химические расчеты, что, конечно, исключит использование наиболее подробных моделей.

Если рассматривать промышленные щелочные водные электролизеры с 25–30% КОН и никелевыми электродами, типичные перенапряжения составляют В _a + V _c = 0.32 В и Rj = 0,22 В при j = 0,2 А · см ^{— 2} , чтобы добавить к обратимому потенциалу ячейки 1,19 В (Андреассен, 1998). Моделирование было выполнено Diéguez et al. (2008), а аналогичная вольт-амперная характеристика ФЭМТЭ в режиме электролизера была определена Григорьевым и др. (2009).

Повышение эффективности электролизера включает разработку катализаторов, способных способствовать высокой скорости диссоциации воды на положительном электроде и высокой скорости рекомбинации водорода на отрицательном электроде.Жидкий электролит можно заменить твердыми полимерными мембранными электролитами, что обеспечивает более высокую стабильность и более длительный срок службы, чем жидкие электролиты. Малая толщина снижает омические потери, а перенапряжения до 0,016 В были получены для плотностей тока до 10 ⁴ А · м ^{— 2} (Rasten et al., 2003). По соображениям безопасности плотность тока часто снижается примерно до 5 × 10 ³ А · м ^{— 2} (Ferrero et al., 2013). Также возможно обеспечить подачу воды только в одном месте (сторона отрицательного электрода в отличие от примера, показанного на рис.2.2), выбрав мембрану, которая позволяет воде проникать на сторону положительного электрода. Проникновение воды в одном направлении и миграция H ⁺ в противоположном направлении могут быть сбалансированы таким образом, чтобы кислород производился без воды (Hamilton Sundstrand Inc., 2003). Газообразный водород все еще содержит воду, которую необходимо отделить на стадии очистки. Недостатком щелочных электролизеров является низкая плотность тока и склонность к образованию пузырьков. Непрактичные идеи, которые были предложены для уменьшения последнего, заключаются в применении быстрого вращения реактора (Cheng et al., 2002) или наложение магнитного поля (Koza et al., 2011).

Как уже упоминалось, более высокие температуры процесса также могут повысить эффективность. Это невозможно с простыми жидкими электролитами, такими как раствор КОН, но это может быть достигнуто с помощью подходящих твердооксидных мембран, подобных тем, которые используются в твердооксидных топливных элементах, и принимающих воду в виде пара (Dutta et al., 1997; Ni et al., 2008; Ebbesen et al., 2011).

Поскольку водород часто распределяется при повышенном давлении (например,г. в контейнерах для использования в транспортных средствах) стадии сжатия можно избежать, уже проводя электролиз при высоком давлении (Ayers et al., 2010). Это требует соответствующей защиты от риска взрыва (Janssen et al., 2004).

Все типы топливных элементов могут работать в обратном режиме для разделения воды. Топливные элементы с протонообменной мембраной разрабатываются как для электролиза, так и для двусторонней работы, с эффективностью электролиза от 50% до 95% для одно- или двусторонних систем (Shimizu et al., 2004; Агранат, Чувелев, 2004; см. раздел 3.5.5). Оптимизация производства водорода включает использование большей площади мембраны, небольшого количества ячеек в стопке и эффективных каналов для удаления водорода (Yamaguchi et al., 2001). На рис. 2.7 представлена ​​схема электролизера с протонообменной мембраной. При использовании подходящих катализаторов высокая эффективность может быть возможна для работы в любом направлении (Ioroi et al., 2002). То же самое возможно и с высокотемпературными топливными элементами, такими как ТОТЭ.Топливные элементы для прямого или обратного режима более подробно рассматриваются в главе 3.

Рис. 2.7. Принципиальная схема электролизной ячейки с протонообменной мембраной.

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 вашего 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 cookie-файлах 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.

границ | Последние достижения в области электролитов для цинково-воздушных батарей

Введение

Zn – воздушный аккумулятор имеет высокую удельную энергию (1,218 Вт · ч · кг ⁻¹ ). Между тем, присущие ему характеристики, в том числе безопасность и низкая стоимость, делают его одним из самых многообещающих аккумуляторов следующего поколения (Fu et al., 2017; Tan et al., 2017; Han et al., 2019). Роль электролитов упускается из виду по сравнению с горячими исследованиями бифункциональных воздушных электродов для Zn-воздушных батарей. Характеристики электролитов напрямую определяют ионную проводимость и межфазные свойства Zn-воздушной батареи в процессе эксплуатации. Кроме того, это дополнительно влияет на емкость, стабильность при циклическом режиме, а также эффективность зарядки и разрядки элемента (Pei et al., 2014). Zn-воздушные батареи развиваются в направлении высокой эффективности и долговечности, которые невозможно отделить от поддержки электролита с превосходными характеристиками во всех аспектах (Р.Mainar et al., 2016). Таким образом, очень важно изучить работу электролитов в Zn-воздушных батареях (Mainar et al., 2018).

В настоящее время щелочной электролит все еще широко используется в батареях на основе цинка для удовлетворения требований низкой стоимости и высокой ионной проводимости и обеспечения стабильности цинкового электрода (R. Mainar et al., 2016; Xu et al., 2020). Однако он чувствителен к воздействию CO ₂ окружающей среды и относительной влажности. Zn-воздушная батарея в основном зависит от характеристик воздушного электрода.К сожалению, CO ₂ может привести к образованию в электролите K ₂ CO ₃ , что отрицательно влияет на пустоту в воздушном электроде (Wang et al., 2014; Fu et al., 2017). Zn – воздушные батареи должны решать проблему испарения электролита или поглощения воды из внешней среды, чтобы хорошо работать в сложной внешней среде. Первый заставляет батарею расширяться, а второй влияет на перенос OH ^— (Chakkaravarthy et al., 1981; Mainar et al., 2018). Ионные жидкости комнатной температуры (RTIL) и твердые электролиты являются альтернативными и эффективными решениями для решения вышеуказанной проблемы. Однако их производительность была ограничена их низкой ионной проводимостью и неквалифицированным интерфейсом. Поэтому в следующих частях мы обсудим статус исследования щелочных электролитов и неводных электролитов в Zn-воздушных батареях.

Водный электролит

LiOH, NaOH и KOH — обычные электролиты для Zn-воздушных аккумуляторов.По сравнению с нейтральными и кислотными электролитами щелочные электролиты хорошо сочетаются с цинковыми электродами и материалами катализатора. Между тем, электролит КОН обладает высокой ионной проводимостью и низкой вязкостью. Когда Zn-воздушная батарея разряжается, внешний кислород входит в батарею и реагирует (Уравнение 1) (реакция восстановления кислорода) на границе раздела газ-жидкость-твердое тело (кислород, электролит, электрокатализатор). Цинковый электрод переносит электроны к воздушному электроду через внешнюю нагрузку, а OH ^— в месте реакции генерирует Zn (OH) 42- (уравнение 2).Когда концентрация Zn (OH) 42- достигает максимума, он далее разлагается на ZnO (уравнение 3). Полная реакция цинкового электрода показана в уравнении 4. Во время процесса зарядки происходит обратная реакция (уравнение 1) (реакция выделения кислорода) на границе раздела цинк-электролит, и электрическая энергия накапливается, в то время как цинк осаждается в результате обратной реакции. (Уравнение 3).

Когда концентрация КОН составляет 6 М, плотность обмена током Zn / Zn ²⁺ достигает 0,21 А · см ^-2 , а растворимость ZnO увеличивается с увеличением концентрации КОН (See and White, 1997; Dyer и др., 2009). Поэтому необходимо обращать внимание на отрицательное влияние электролита КОН с высокой концентрацией на цинковый электрод. Высокая концентрация ZnO производит избыток Zn (OH) 42- и осаждается после разряда, что увеличивает пассивирующее сопротивление цинкового электрода.Кроме того, кинетические параметры восстановления кислорода цинка были очень высокими, что приводило к растворению, миграции и переотложению цинка в различных условиях (R. Mainar et al., 2016).

Есть две основные стратегии решения этой проблемы. Один заключается в изменении состава и структуры цинкового электрода, а другой — в поиске подходящих добавок к электролиту. Известные методы, такие как создание трехмерной структуры цинкового электрода (Parker et al., 2014; Chamoun et al., 2015; Yan et al., 2015) или эффективная добавка для цинкового электрода (Fan et al., 2013; Masri and Mohamad, 2013; Huang et al., 2015) оказались эффективной стратегией решения. Актуальной задачей является точное измерение потенциала и концентрации ионов цинка на поверхности цинкового электрода, чтобы обеспечить адекватную теоретическую поддержку для улучшения условий жизни цинкового электрода в щелочном электролите. В таблице 1 мы суммировали последние работы по добавкам щелочных электролитов. Подходящие добавки в электролиты могут улучшить изменение формы цинкового электрода и производительность Zn-воздушной батареи.Если мы сможем снизить концентрацию КОН, насколько это возможно, не влияя на ионную проводимость электролита, мы полагаем, что производительность Zn-воздушной батареи будет еще больше улучшена. Добавляя K ₂ CO ₃ к высококонцентрированному раствору КОН и оптимизируя структуру батареи, Schröder et al. (2015) не только получили стабильный электрический потенциал, но также улучшили фактическую плотность энергии и долговременную стабильность Zn-воздушной батареи. Кроме того, ингибирование роста дендритов и выделения водорода цинкового электрода также зарегистрировано в Zn-воздушной батарее с щелочными электролитами, использующими додецилбензолсульфонат натрия (SDBS) (Yang et al., 2004), полиэтиленгликоль (PEG) (Banik and Akolkar, 2013), винная / янтарная / лимонная кислота (Lee et al., 2006) и гидроксиды тетраалкиламмония (Lan et al., 2007).

Таблица 1 . Краткое изложение недавно опубликованной добавки к щелочному электролиту для Zn-воздушных батарей.

Zn – воздушная батарея — это полуоткрытая система, которой для участия в процессе реакции требуется богатый кислород из внешней среды. Углекислый газ (CO ₂ ) трудно избежать во влажной атмосфере.CO ₂ из внешней атмосферы попадает в батарею через воздушный электрод и вступает в реакцию с OH ^— в электролите (уравнения 5, 6).

Ионная проводимость электролита ослабляется из-за образования HCO3- и CO32- и низкой растворимости K ₂ CO ₃ и KHCO ₃ . Когда они осаждаются на воздушном электроде, перенос кислорода будет до некоторой степени заблокирован, что приведет к снижению производительности Zn-воздушной батареи.Оптимизация структуры Zn-воздушной батареи и состава слоя адсорбции газа, чтобы позволить кислороду проходить беспрепятственно, но препятствовать прохождению диоксида углерода и водяного пара, является идеальным решением. Для решения вышеуказанных проблем исследователи также предложили несколько решений. Pedicini et al. (1996) создали систему управления воздухом для рециркуляции реагирующего воздуха в металл-воздушной батарее. Goldstein et al. (1997) предложили скрубберную систему для удаления диоксида углерода из металл-воздушной батареи или батареи топливных элементов.Педикни (2002) предложил ограничивать выбросы углекислого газа и водяного пара, когда батарея не используется, путем загрузки воздушной заслонки для электрохимического элемента. Есть много решений для решения этих проблем, но ограничениями являются пороговые значения высокой стоимости и ограниченное использование пространства, что ограничивает развитие Zn-воздушных батарей в практических приложениях.

Система проточного электролита — очень эффективный метод для Zn-воздушных батарей. Электролит перекачивается и циркулирует через систему питания внешних труб и насосов.В дополнение к удалению осажденного карбоната и других побочных продуктов через внешние фильтры проточный электролит улучшает перенос OH ^— и снижает градиенты концентрации (Iacovangelo and Will, 1985; Cheng et al., 2007). По сравнению со статическим электролитом, Zn-воздушная батарея значительно улучшена, включая срок службы и рабочее напряжение с системой циркуляции электролита. Однако мощность циркуляции электролита должна поддерживаться внешней системой откачки и электрической энергией.Следовательно, если система циркуляции электролита применяется на практике, необходимо решить проблему, которую трудно применить к крупномасштабной сетевой системе хранения энергии со строгими требованиями к пространству и весу.

Ионная жидкость комнатной температуры

Ионная жидкость комнатной температуры представляет собой расплавленную соль, которая существует в виде жидкости при комнатной температуре или ниже. Он имеет широкое электрохимическое окно и нелегко воспламеняется (Balaish et al., 2014). Поэтому все больше внимания уделяется RTIL как заменителю щелочных электролитов.Внутренняя безопасность и стабильность RTIL в широком диапазоне электрохимических потенциалов привели к его применению в литиевых батареях (Chou et al., 2008; Xiang et al., 2010). Использование RTIL в Zn-воздушных батареях может эффективно решить проблемы повреждения цинкового электрода (Simons et al., 2012), повреждения CO ₂ и испарения электролита (Harting et al., 2012) в щелочном электролите вышеупомянутой системы водоснабжения, и позволяют батарее работать при высоких температурах.Более того, для апротонных RTIL отсутствие протонов может эффективно избежать коррозии цинкового электрода, вызванной выделением водорода. Поэтому RTIL как электролит для Zn-воздушных аккумуляторов в последние годы попали в список.

RTIL, используемые в качестве электролита для Zn-воздушной ячейки, цинк окисляется до Zn ²⁺ во время разряда, и обратимая электрохимическая реакция цинка в RTIL оказалась возможной (Xu et al., 2015). Здесь необходимо отметить, что неподходящие RTIL могут образовывать нерастворимые вещества с Zn ²⁺ и делать их неспособными эффективно восстанавливаться.Предложен механизм воздушного электрода в электролите RTIL (Kar et al., 2014).

Когда в электролите RTIL происходит восстановление кислорода, кислород приобретает электроны и образует супероксид (O2 · -) (уравнение 7). Эта реакция считается квазиобратимой (AlNashef et al., 2002). Для апротонных RTIL отсутствует дальнейший перенос электронов из-за присутствия супероксида. Напротив, для протонных RTIL супероксид является сильным нуклеофилом, который может далее реагировать с протонами в RTIL с образованием пер-гидроксирадикала (HO2 ·) (уравнение 8).Затем пер-гидрокси-радикал может также реагировать с супероксидом с образованием пероксида (HO2-) (уравнения 9, 10) и, наконец, завершить процесс восстановления (уравнение 11).

Что касается того, может ли перекись водорода далее разлагаться на H ₂ O, Зеллер (2011) указывает, что это определяется используемым электродом. Согласно Kar et al. (2014) в сводке по реакциям восстановления кислорода и осаждения кислорода в RTIL, в этой реакции, как упоминалось выше, оказалось, что пути являются обратимыми и относительно стабильными продуктами пероксида.Однако все еще есть некоторые связанные реакции диспропорционирования. Перекись водорода требует меньше энергии активации для производства кислорода, что делает ее эффективной поддержкой для восстановления кислорода и реакций выделения кислорода в RTIL.

Разработка RTIL в Zn-воздушной батарее все еще сталкивается с огромными проблемами. С одной стороны, высокая стоимость RTIL затрудняет использование в больших масштабах. С другой стороны, двухэлектронный реакционный механизм RTIL снижает удельную энергию батареи в сочетании с ее высокой вязкостью и низкой проводимостью, что означает, что Zn-воздушная батарея может работать только при низком токе.С Li _0,87 Na _0,63 K _0,50 CO ₃ и NaOH в качестве электролита Liu et al. (2017) исследовали Zn-воздушную батарею, способную заряжаться и разряжаться при 550 ° C в течение 100 циклов с кулоновской эффективностью 96,9%. Когда Ingale et al. (2017) применили ионную жидкость трифторметансульфонат диэтилметиламмония (DEATfO) к Zn-воздушной батарее, они обнаружили, что, хотя образования дендритов цинка не было, слабое поверхностное натяжение DEATfO привело к неудовлетворительной плотности энергии (Pozo-Gonzalo et al., 2014). Кроме того, Ghazvini et al. (2018) указали на положительное влияние добавления воды на ионное взаимодействие при использовании электролита RTIL в Zn-воздушных батареях. Вышеупомянутая работа представляет собой хорошую стратегию для улучшения характеристик Zn-воздушной батареи с RTIL в качестве электролита.

Кроме того, следует изучить возможность применения большего количества типов RTIL в Zn-воздушных батареях, включая положительные эффекты добавок в RTIL. Также необходимо разработать специальные бифункциональные катализаторы для снижения энергетического барьера реакции восстановления кислорода и реакции выделения кислорода.Хотя электролит RTIL требует дальнейшего изучения с точки зрения свойств интерфейса, механизма электрохимической реакции кислорода и пути миграции активных веществ, различные свидетельства указывают на то, что RTIL являются многообещающими электролитами для Zn-воздушных батарей.

Квазитвердый гибкий электролит

В связи с растущим спросом на гибкие носимые электронные устройства, исследования гибких батарей, особенно квазитвердых электролитов, выдвинули более высокие требования.По сравнению с другими металл-воздушными батареями, Zn-воздушные батареи с высокой объемной плотностью энергии обладают характеристиками низкой стоимости и высокой безопасности. Напротив, цинк в качестве электрода имеет более энергетические механические свойства и производительность в гибких батареях. Например, батареи Zn – MnO ₂ , в которых используются полимерные электролиты, были коммерчески произведены с использованием технологии печати (MacKenzie and Ho, 2015). Следовательно, необходимо проводить научные исследования структуры и характеристик гибкой Zn-воздушной батареи, а производство этого типа батареи и соответствующего квазитвердого электролита необходимо постоянно оптимизировать.

Квазитвердый гибкий электролит обычно получают из щелочного водного раствора и полимеров, таких как поливиниловый спирт (ПВС) (Fan et al., 2019), полиакриловая кислота (PAA) (Wu et al., 2006; Zhu et al., 2018), желатин (Park et al., 2015) и родственный привитой сополимер (Yu et al., 2017), которые необходимы для обеспечения стабильной конфигурации, разделения катода и анода и квалифицированной ионной проводимости. В процессе приготовления большинство квазитвердых гибких электролитов могут образовывать сшитую сеть с большим количеством гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы), что обеспечивает более высокое удержание воды и ионную проводимость в квазитвердых гибких электролитах.В первичной Zn-воздушной ячейке щелочной гелевый электролит может эффективно снижать утечку и улетучивание электролита и был применен (Hilder et al., 2009). Однако для перезаряжаемых гибких Zn-воздушных батарей из-за цинкового электрода в квазитвердом гибком электролите они могут нести лишь небольшое количество Zn (OH) 42-. Блокируется процесс восстановления ZnO до Zn (OH) 42- (Xu et al., 2015). Поэтому создание перезаряжаемых Zn-воздушных батарей для работы с большим током является большой проблемой.

Гибкая удельная мощность и циклические характеристики Zn-воздушной батареи были высоко оценены. Однако есть несколько важных аспектов бифункционального катализатора электрохимических кислородных реакций, ионной проводимости квазитвердого гибкого электролита и характеристик границы раздела электролит-электрод. Ионная проводимость электролита зависит в основном от типа полимера и добавок к электролиту. Fan et al. (2019) приготовили пористый электролит ПВС + SiO ₂ с высокой ионной проводимостью 57.3 мСм см ⁻¹ и отличные характеристики при езде на велосипеде и удельная мощность. Ли и др. (2019) изготовили полимерный диэлектрик TEAOH-PVA, который через 2 недели все еще имел ионную проводимость 30 мСм см ⁻¹ , демонстрируя отличные эксплуатационные характеристики и срок службы. Нетрудно обнаружить, что отдельный полимер вряд ли может стать гибким электролитом квазитвердого состояния с превосходными характеристиками. Однако небольшое количество добавок может значительно улучшить характеристики электролитов, что также является процессом функционализации полимера.Это происходит главным образом потому, что добавка оптимизирует структуру сшитой сетки полимерного электролита, увеличивает количество гидрофильных функциональных групп (таких как гидроксильные группы) и дополнительно улучшает способность электролита удерживать воду, что имеет большое влияние на ионную проводимость. Кроме того, помимо ионной проводимости и характеристик удержания воды квазитвердого гибкого электролита, следует уделять больше внимания скорости переноса OH ^— и Zn (OH) 42-, которой уделялось недостаточно внимания при настоящее время.Процесс их переноса также оказывает сильное влияние на плотность энергии и другие характеристики гибких Zn-воздушных батарей.

Перед гибкой Zn-воздушной батареей стоит задача улучшить характеристики поверхности раздела электролит-электрод (особенно границы электролит-воздух). Смачиваемость квазитвердого гибкого электролита была снижена, что значительно затрудняет выполнение катализатором своей функции, чем в щелочном электролите водной системы.При сборке аккумулятора Xu et al. (2019) прессовали батарею в течение 3 минут при давлении 3 МПа с помощью таблеточного пресса, чтобы сделать ламинированную структуру более полной, а гибкая Zn-воздушная батарея могла стабилизировать циркуляцию в течение 35 часов. По-прежнему необходимы дополнительные исследования для улучшения границы раздела электролит-электрод, приготовления электролита и метода упаковки батареи.

Гибкая Zn-воздушная батарея также выдвигает более высокие требования к характеристикам изгиба, растяжения и сжатия цинкового электрода, воздушного электрода и электролита в батарее.Гибкая Zn-воздушная батарея обычно подразделяется на 1D-структуру (линейный тип) и 2D-структуру (в форме сэндвича). Ma et al. (2019) подготовили гидрогелевый электролит с двойной сеткой (полиакрилатный гидрогель, поперечно сшитый целлюлозными цепями и N, N-метилен-бисакриламидными якорями) и оптимизировали структуру цинковых и воздушных электродов для сборки Zn-воздушной батареи с превосходными характеристиками растяжения. Pan et al. (2019) сконструировали губчатую сжимаемую Zn-воздушную батарею, которая хорошо себя показала после 60% деформации сжатия или 500 циклов повторных испытаний на сжатие.Ли и др. (2018) подготовили одномерную вязанную Zn-воздушную батарею с диаметром всего 1,03 мм по пути, которая имела отличные характеристики гибкости, заряда и разряда.

В Таблице 2 перечислены более сравниваемые характеристики, чтобы предоставить более значимые пути разработки квазитвердых гибких электролитов для Zn-воздушных батарей. Однако получить компетентную оценку сложно из-за различной конструкции батареи, катализатора и электролита, используемых в записанных работах. Следовательно, необходимо установить единый стандарт оценки для гибкой Zn-воздушной батареи, чтобы лучше оценивать характеристики соответствующего электролита.Кроме того, состав электролита в гибкой Zn-воздушной батарее в основном находится в режиме «полимер + раствор КОН», что приводит к преимуществам и недостаткам упомянутого выше водного электролита, действующего на квазитвердый электролит. В то же время комбинация RTIL с полимером может придать новый импульс безопасности и стабильности Zn-воздушных батарей, но ее практическая осуществимость должна быть проверена в ближайшем будущем.

Таблица 2 .Краткое изложение недавно опубликованной квазитвердой добавки к гибкому электролиту для Zn-воздушных батарей.

Сводка

Учитывая потребность в высокомощных, длительных сроках службы и гибкости перезаряжаемых Zn – воздушных батарей, разработка электролитов отвечает возможностям и задачам. Электролит, как критическая часть Zn-воздушной батареи, оказывает сильное влияние на эффективность циркуляции, удельную мощность и характеристики емкости. До сих пор щелочные электролиты являются основным направлением из-за их превосходной ионной проводимости и межфазных свойств.Однако щелочные электролиты чувствительны к воздействию содержания углекислого газа и относительной влажности во внешней среде. С одной стороны, следует изучить подходящий тип и пропорцию добавок для улучшения свойств щелочного электролита. С другой стороны, RTIL, как электролит для Zn-воздушных батарей, имеют высокий порог старения, и его защита и безопасность для цинковых электродов очевидны. Более того, исследования квазитвердого гибкого электролита в большей степени способствуют созданию портативных и гибких Zn-воздушных батарей, которые обеспечивают устранение недостатков в характеристиках интерфейса и ионной проводимости.Подбор подходящих RTIL и полимеров имеет смысл улучшить характеристики электролита.

Кроме того, мы думаем, что три упомянутых выше электролита могут иметь разные характеристики. Подходящие добавки к электролиту могут также способствовать применению RTIL и квазитвердых электролитов в Zn-воздушных батареях, а комбинация RTIL и полимеров также может улучшить характеристики электролитов. Следует уделять больше внимания исследованиям электролитов, чтобы воздушно-цинковые батареи удовлетворяли спрос на накопители энергии нового поколения.

Взносы авторов

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Китайского фонда естественных наук (U1832136, 21303038), Национальной программы обучения студентов инновациям и предпринимательству (201_{9010) и Фонда естественных наук провинции Аньхой (1808085QE140).}

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

АльНашеф И. М., Леонард М. Л., Мэтьюз М. А. и Вайднер Дж. У. (2002). Электрохимия супероксида в ионной жидкости. Ind. Eng. Chem. Res. 41, 4475–4478. DOI: 10.1021 / ie010787h

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баник, С. Дж., Аколкар, Р. (2013). Подавление роста дендритов при электроосаждении цинка добавкой ПЭГ-200. J. Electrochem. Soc. 160, D519 – D523. DOI: 10.1149 / 2.040311jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чаккараварти, К., Вахид А.А. и Удупа Х. (1981). Цинково-воздушные щелочные батареи — обзор. J. Источники энергии 6, 203–228. DOI: 10.1016 / 0378-7753 (81) 80027-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чамун М., Герцберг Б. Дж., Гупта Т., Дэвис Д., Бхадра С., Ван Тасселл Б. и др. (2015). Гипердендритные нанопористые аноды из цинковой пены. NPG Asia Mater. 7: e178. DOI: 10.1038 / am.2015.32

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, X., Лю, Б., Чжун, К., Лю, З., Лю, Дж., Ма, Л. и др. (2017). Ультратонкий Co ₃ O ₄ слоев с большой площадью контакта на углеродных волокнах в качестве высокоэффективного электрода для гибкой воздушно-цинковой батареи, интегрированной с гибким дисплеем. Adv. Energy Mater. 7: 1700779. DOI: 10.1002 / aenm.201700779

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cheng, J., Zhang, L., Yang, Y.-S., Wen, Y.-H., Cao, G.-P., and Wang, X.-D. (2007). Предварительные исследования однопоточной цинк-никелевой батареи. Electrochem. Commun. 9, 2639–2642. DOI: 10.1016 / j.elecom.2007.08.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чоу, С.-Л., Ван, Ж.-З., Сан, Ж.-З., Векслер, Д., Форсайт, М., Лю, Х.-К. и др. (2008). Высокая емкость, безопасность и улучшенная циклируемость литий-металлической батареи с использованием катода из наноматериала V ₂ O ₅ и ионно-жидкого электролита при комнатной температуре. Chem. Матер. 20, 7044–7051. DOI: 10,1021 / см801468q

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дайер, К.К., Мозли П. Т., Огуми З., Рэнд Д. А. и Скросати Б. (2009). Энциклопедия электрохимических источников энергии. (Newnes: Elsevier Science & Technology).

Google Scholar

Фан, X., Лю, Дж., Сун, З., Хан, X., Дэн, Ю., Чжун, К., и др. (2019). Пористый нанокомпозитный гелевый полимерный электролит с высокой ионной проводимостью и превосходной способностью удерживать электролит для гибких воздушно-цинковых батарей с длительным сроком службы. Nano Energy 56, 454–462.DOI: 10.1016 / j.nanoen.2018.11.057

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фань, X., Ян, Z., Xie, X., Long, W., Wang, R., and Hou, Z. (2013). Электрохимическое поведение Zn – Al – La-гидроталькита во вторичных ячейках Zn-Ni. J. Источники энергии 241, 404–409. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2013.04.136

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фу, Дж., Кано, З. П., Парк, М. Г., Ю, А., Фаулер, М., и Чен, З. (2017). Электрически перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи: прогресс, проблемы и перспективы. Adv. Матер. 29: 1604685. DOI: 10.1002 / adma.201604685

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fu, J., Lee, D. U., Hassan, F. M., Yang, L., Bai, Z., Park, M. G., et al. (2015). Гибкие высокоэнергетические перезаряжаемые воздушно-цинковые батареи на полимерно-электролитной основе. Adv. Матер. 27, 5617–5622. DOI: 10.1002 / adma.201502853

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Газвини, М.С., Пуллетикурти, Г., Цуй, Т., Кул, К., и Эндрес, Ф. (2018). Электроосаждение цинка из смесей ацетата 1-этил-3-метилимидазолия-вода: исследования применимости электролита для Zn-воздушных батарей. J. Electrochem. Soc. 165: D354. DOI: 10.1149 / 2.0181809jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гольдштейн, Дж. Р., Харац, Ю., Шарон, Ю., и Наймер, Н. (1997). Система скруббера для удаления углекислого газа из металлической батареи или батареи топливных элементов. Патент США №5,595,949. (Вашингтон, округ Колумбия: патентная заявка Управления США по патентам и товарным знакам).

Google Scholar

Гуань К., Сумбоджа А., Занг В., Цянь Ю., Чжан Х., Лю X. и др. (2019). Декорирование наночастиц Co / CoNx в углеродных наночастицах, легированных азотом, для гибких и перезаряжаемых воздушно-цинковых батарей. Energy Storage Mater. 16, 243–250. DOI: 10.1016 / j.ensm.2018.06.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хан, Дж., Мэн, X., Лу, Л., Биан, Дж., Ли, З., и Сан, К. (2019). Одноатомный Fe-Nx-C как эффективный электрокатализатор для цинково-воздушных аккумуляторов. Adv. Функц. Матер. 29: 1808872. DOI: 10.1002 / adfm.201808872

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хартинг, К., Кунц, У., Турек, Т. (2012). Цинково-воздушные батареи: перспективы и проблемы для дальнейшего совершенствования. Z. Phys. Chem. 226, 151–166. DOI: 10.1524 / zpch.2012.0152

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гильдер, М., Винтер-Йенсен, Б., и Кларк, Н. (2009). Цинково-воздушная батарея с печатью на бумажной основе. J. Источники энергии 194, 1135–1141. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2009.06.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хоссейни С., Аббаси А., Уджинет Л.-О., Хаустраэте Н., Прасертдам С., Йонезава Т. и др. (2019). Влияние диметилсульфоксида как добавки к электролиту на анодное растворение щелочной цинково-воздушной проточной батареи. Sci. Rep. 9: 14958. DOI: 10.1038 / s41598-019-51412-5

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хоссейни, С., Хан, С. Дж., Арпонвичаноп, А., Йонедзава, Т., и Кхеахом, С. (2018). Этанол в качестве добавки к электролиту для щелочных воздушно-цинковых батарей. Sci. Rep. 8: 11273. DOI: 10.1038 / s41598-018-29630-0

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хуанг, Дж., Ян, З., Ван, Р., Чжан, З., Фэн, З., и Се, X. (2015). Слоистые двойные оксиды Zn-Al в качестве высокоэффективных анодных материалов для вторичных батарей на основе цинка. J. Mater. Chem. А 3, 7429–7436.DOI: 10.1039 / C5TA00279F

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Якованджело, К. Д., Уилл, Ф. Г. (1985). Параметрическое исследование осаждения цинка на пористом углероде в ячейке с проточным электролитом. J. Electrochem. Soc. 132: 851.

Google Scholar

Ингейл П., Сакхивел М. и Дриллет Дж. Ф. (2017). Испытание ионной жидкости трифторметансульфоната диэтилметиламмония в качестве электролита в электрически перезаряжаемой Zn / воздушной батарее. Дж.Электрохим. Soc. 164, H5224 – H5229. DOI: 10.1149 / 2.0351708jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кар, М., Саймонс, Т. Дж., Форсайт, М., и Макфарлейн, Д. Р. (2014). Ионные жидкие электролиты как платформа для перезаряжаемых металло-воздушных батарей: перспектива. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 18658–18674. DOI: 10.1039 / C4CP02533D

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумар, К. К., Бринда, Р., Нандхини, М., Селвам, М., Саминатан, К., и Шактипанди, К. (2019). Взвешенный в воде графен в качестве добавки к электролиту в системе цинково-воздушных щелочных батарей. Ionics 25, 1699–1706. DOI: 10.1007 / s11581-019-02924-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лан, К., Ли, К., и Чин, Т. (2007). Гидроксиды тетраалкиламмония как ингибиторы дендрита цинка во вторичных батареях на основе цинка. Электрохим. Acta 52, 5407–5416. DOI: 10.1016 / j.electacta.2007.02.063

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, К.W., Sathiyanarayanan, K., Eom, S. W., Kim, H. S., and Yun, M. S. (2006). Новое электрохимическое поведение цинковых анодов в цинково-воздушных батареях в присутствии добавок. J. Источники энергии 159, 1474–1477. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2005.11.074

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, M., Liu, B., Fan, X., Liu, X., Liu, J., Ding, J., et al. (2019). Полимерный электролит длительного хранения на основе гидроксида тетраэтиламмония для гибких воздушно-цинковых аккумуляторов. ACS Appl.Матер. Интерфейсы 11, 28909–28917. DOI: 10.1021 / acsami.9b09086

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, М., Ло, Ф., Чжан, К., Ян, З. и Сюй, З. (2020). Нанолисты атомарного слоя Co3O4-x как эффективный и стабильный электрокатализатор для аккумуляторных воздушно-цинковых батарей. Дж. Катал . 381, 395–401. DOI: 10.1016 / j.jcat.2019.11.020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Чжун, К., Лю, Дж., Цзэн, X., Цюй, С., Han, X., et al. (2018). Атомарно тонкий мезопористый Co ₃ O ₄ слоев, прочно связанных с нанолистами N-rGO, в качестве высокоэффективных бифункциональных катализаторов для одномерных вязанных цинково-воздушных батарей. Adv. Матер. 30, 1703657. DOI: 10.1002 / adma.201703657

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю С., Хань В., Цуй Б., Лю X., Чжао Ф., Стюарт Дж. И др. (2017). Новый перезаряжаемый воздушно-цинковый аккумулятор с расплавленным солевым электролитом. J. Источники энергии 342, 435–441. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2016.12.080

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ma, L., Chen, S., Wang, D., Yang, Q., Mo, F., Liang, G., et al. (2019). Суперэластичные воздушно-цинковые батареи на основе щелочно-толерантного двухсетевого гидрогелевого электролита. Adv. Energy Mater. 9: 1803046. DOI: 10.1002 / aenm.201803046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маккензи, Дж. Д., и Хо, К. (2015). Перспективы накопления энергии для гибких электронных систем. P. IEEE 103, 535–553. DOI: 10.1109 / JPROC.2015.2406340

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Майнар, А. Р., Ируин, Э., Кольменарес, Л. К., Кваша, А., де Меатза, И., Бенгоэча, М., и др. (2018). Обзор достижений электролитов для вторичных воздушно-цинковых батарей и других систем хранения на основе цинка. J. Хранение энергии 15, 304–328. DOI: 10.1016 / j.est.2017.12.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Майнар, Р.А., Леонет, О., Бенгоэча, М., Бояно, И., де Меатза, И., и др. (2016). Водно-щелочные электролиты для вторичных цинково-воздушных аккумуляторов: обзор. Внутр. J. Energy Res. 40, 1032–1049. DOI: 10.1002 / er.3499

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Масри, М. Н., и Мохамад, А. А. (2013). Эффект добавления технического углерода к пористому цинковому аноду в воздушно-цинковой батарее. J. Electrochem. Soc. 160, A715 – A721. DOI: 10.1149 / 2.007306jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мяо, Х., Chen, B., Li, S., Wu, X., Wang, Q., Zhang, C., et al. (2020). Полностью твердотельный гибкий воздушно-цинковый аккумулятор с полиакриламидным щелочно-гелевым электролитом. J. Источники энергии 450: 227653. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2019.227653

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пан, З., Янг, Дж., Занг, В., Коу, З., Ван, К., Дин, X., et al. (2019). Полностью твердотельный губчатый сжимаемый воздушно-цинковый аккумулятор. Energy Storage Mater. 23, 375–382. DOI: 10.1016 / j.ensm.2019.04.036

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Парк, Дж., Парк, М., Нам, Г., Ли, Дж. С. и Чо, Дж. (2015). Полностью твердотельная гибкая воздушно-цинковая батарея кабельного типа. Adv. Матер. 27, 1396–1401. DOI: 10.1002 / adma.201404639

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Паркер, Дж. Ф., Червин, К. Н., Нельсон, Э. С., Ролисон, Д. Р., и Лонг, Дж. У. (2014). Трехмерная разводка цинка меняет характеристики батареи — цикл без дендритов. Energy Environ. Sci. 7, 1117–1124. DOI: 10.1039 / C3EE43754J

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Pedicini, C., Sieminski, D. P., Skeggs, L. T., Young, J. E., and Cherry, E. C. (1996). Система управления воздухом для рециркуляции реагирующего воздуха в металло-воздушной батарее. Патент США № 5,560,999. Вашингтон, округ Колумбия: Патентная заявка Управления по патентам и товарным знакам США.

Google Scholar

Pedicni, C. S. (2002). Воздушная заслонка, реагирующая на нагрузку, для электрохимической ячейки.Патент США №6,350,537. Вашингтон, округ Колумбия: заявка на патент в Ведомстве США по патентам и товарным знакам.

Google Scholar

Пей П., Ван К. и Ма З. (2014). Технологии продления срока службы воздушно-цинковых батарей: обзор. Прил. Энергия 128, 315–324. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2014.04.095

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Посо-Гонсало, К., Вирджилио, К., Ян, Ю., Хоулет, П. К., Бирн, Н., Макфарлейн, Д. Р., и др. (2014). Повышенная эффективность ионных жидкостей на основе фосфония в отношении реакции восстановления кислорода с 4 электронами при добавлении слабого источника протонов. Electrochem. Commun. 38, 24–27. DOI: 10.1016 / j.elecom.2013.10.004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шредер, Д., Боркер, Н. Н. С., Кёниг, М., и Кревер, У. (2015). Характеристики воздушно-цинковых батарей с добавлением K ₂ CO ₃ в щелочном электролите. J. Appl. Электрохим. 45, 427–437. DOI: 10.1007 / s10800-015-0817-0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

См. Д. М. и Уайт Р. Э. (1997).Температурная и концентрационная зависимость удельной проводимости концентрированных растворов гидроксида калия. J. Chem. Англ. Данные 42, 1266–1268. DOI: 10.1021 / je970140x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шинде, С.С., Ли, К.Х., Юнг, Дж.-Й., Ваг, Н.К., Ким, С.-Х., Ким, Д.-Х., и др. (2019). Презентация двухзвенных металлоорганических каркасов из гексаиминобензола в 3D для создания долговечных усовершенствованных обратимых Zn-воздушных батарей. Energy Environ. Sci. 12, 727–738. DOI: 10.1039 / c8ee02679c

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саймонс Т., Торриеро А., Хоулетт П., Макфарлейн Д. Р. и Форсайт М. (2012). Высокая плотность тока, эффективное циклирование Zn ²⁺ в ионной жидкости дицианамида 1-этил-3-метилимидазолия: влияние концентрации соли и воды Zn ²⁺ . Electrochem. Commun. 18, 119–122. DOI: 10.1016 / j.elecom.2012.02.034

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, П., Chen, B., Xu, H., Zhang, H., Cai, W., Ni, M., et al. (2017). Гибкие Zn- и Li-air аккумуляторы: последние достижения, проблемы и перспективы на будущее. Energy Environ. Sci. 10, 2056–2080. DOI: 10.1039 / c7ee01913k

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван К., Пей П., Ма З., Сюй Х., Ли П. и Ван X. (2014). Контроль морфологии регенерации цинка для воздушно-цинковых топливных элементов и батарей. J. Источники энергии 271, 65–75. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2014.07.182

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, В., Тан, М., Чжэн, З., и Чен, С. (2019). Ультратонкий, гибкий и высокопроизводительный твердотельный Zn-воздушный аккумулятор на основе щелочно-полимерной мембраны. Adv. Energy Mater. 9, 1803628. doi: 10.1002 / aenm.201803628

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, X., Сунарсо, Дж., Лу, К., Чжоу, З., Дай, Дж., Гуань, Д., и др. (2020). Высокопроизводительный бифункциональный кислородный электрокатализатор из платино-перовскитового композитного материала для аккумуляторных Zn-воздушных батарей. Adv. Энергетика . 10: 1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ву, Г., Линь, С., и Ян, К. (2006). Щелочные Zn-воздушные и Al-воздушные ячейки на основе новых твердотельных полимерных электролитных мембран ПВС / ПАА. J. Membr. Sci. 280, 802–808. DOI: 10.1016 / j.memsci.2006.02.037

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xiang, H., Yin, B., Wang, H., Lin, H., Ge, X., Xie, S., et al. (2010).Улучшение электрохимических свойств электролита на основе ионной жидкости комнатной температуры (RTIL) для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 55, 5204–5209. DOI: 10.1016 / j.electacta.2010.04.041

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, L., Liu, J., Chen, P., Wang, Z., Tang, D., Liu, X., et al. (2020). Мощные водные батареи Zn-h3O2 для широкого применения. Cell Rep. Phys. Sci . 1: 100027. DOI: 10.1016 / j.xcrp.2020.100027

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сюй, М., Айви, Д., Се, З., и Цюй, В. (2015). Перезаряжаемые Zn-воздушные батареи: прогресс в разработке электролитов и улучшении конфигурации элементов. J. Источники энергии 283, 358–371. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.02.114

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, N., Zhang, Y., Wang, M., Fan, X., Zhang, T., Peng, L., et al. (2019). Высокопроизводительные перезаряжаемые / гибкие воздушно-цинковые батареи с координированным иерархическим биметаллическим электрокатализатором и гетероструктурной анионообменной мембраной. Нано Энергия 65: 104021. DOI: 10.1016 / j.nanoen.2019.104021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янь З., Ван Э., Цзян Л. и Сунь Г. (2015). Превосходная циклическая стабильность и высокая производительность трехмерных электродов из вспененного цинка / меди для щелочных батарей на основе цинка. RSC Adv. 5, 83781–83787. DOI: 10.1039 / C5RA16264E

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян, Х., Цао, Й., Ай, X., и Сяо, Л. (2004). Повышенная разрядная способность и подавление пассивации поверхности цинкового анода в разбавленном щелочном растворе с использованием добавок поверхностно-активных веществ. J. Источники энергии 128, 97–101. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2003.09.050

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, M., Wang, Z., Hou, C., Wang, Z., Liang, C., Zhao, C., et al. (2017). Легированный азотом Co ₃ O ₄ массивы мезопористых нанопроволок в качестве воздушного катода без добавок для гибких твердотельных цинково-воздушных батарей. Adv. Матер. 29: 1602868. DOI: 10.1002 / adma.201602868

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Целлер Р.А. (2011). Влияние внешней и внутренней активности протонов на механизм восстановления кислорода в ионных жидкостях . (Темп, Аризона: Государственный университет Аризоны, ProQuest Dissertations Publishing).

Google Scholar

Чжун, X., И, В., Цюй, Ю., Чжан, Л., Бай, Х., Чжу, Ю. и др. (2020). Одноатомный атом Co закреплен на Co3O4 и активированном угле, легированном азотом, в направлении бифункционального катализатора для воздушно-цинковых батарей. Заявл. Catal., B 260, 118188. DOI: 10.1016 / j.apcatb.2019.118188

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zhu, L., Zheng, D., Wang, Z., Zheng, X., Fang, P., Zhu, J., et al. (2018). Стратегия ограничения для стабилизации бифункциональных катализаторов на основе ZIF в качестве эталонного катода гибких полностью твердотельных цинково-воздушных батарей. Adv. Матер. 30: e1805268. DOI: 10.1002 / adma.201805268

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

границ | Этиленгликоль / этаноловый анолит для щелочной алюмо-воздушной батареи большой емкости с конфигурацией с двумя электролитами

Введение

Металло-воздушные батареи (МАБ) относятся к числу самых легких батарей с самой высокой плотностью энергии.Традиционно в МАБ используются металлический анод и воздушный катод, потребляющие кислород непосредственно из окружающего воздуха (Li and Lu, 2017; Liu et al., 2017; Lao-Atiman et al., 2019). Было разработано несколько типов МАБ, например, литий-воздушный (Nomura et al., 2017; Yoo et al., 2017), натриево-воздушный (Dilimon et al., 2017), цинк-воздушный (Hosseini et al., 2018b). , 2019; Abbasi et al., 2019), магний – воздух (Li et al., 2017; Shrestha et al., 2019) и алюминий – воздух (Hong, Lu, 2017; Mori, 2017). Во время разряда возникает окисление металлического анода, в то время как реакция восстановления кислорода (ORR) происходит на воздушном катоде.Воздушный катод состоит из слоя катализатора ORR и газодиффузионного слоя, имеющего пористую мембрану, которая обеспечивает диффузию кислорода из окружающего воздуха (Li et al., 2019; Poolnapol et al., 2020).

Алюминиево-воздушные батареи (ААБ) особенно интересны по разным причинам. Они были разработаны как расширители диапазона для электромобилей в дополнение к встроенным аккумуляторным батареям. Точно так же AAB использовались в военных приложениях, где их большая емкость и легкий вес имеют огромное преимущество.Отмечено, что алюминий (Al) дешев, безопасен и широко распространен. Кроме того, растворение анода из алюминия включает трехэлектронный перенос. Анод из алюминия исключительно легкий, а поскольку активным катодным материалом является кислород из окружающего воздуха, вся упаковка может быть намного легче, чем многие другие типы батарей. Низкий атомный вес и трехвалентное состояние алюминиевого анода обеспечивает высокую удельную емкость (2,98 Ач / г _Al ) и высокую плотность энергии (теоретически 8,1 Втч / г _Al ), которые больше, чем у анода. современные литий-ионные батареи (LIB) (Mori, 2019).

Во время разряда анод из алюминия превращается в гидроксид алюминия [Al (OH) ₃ ] и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ). Очевидно, что эти оксидные / гидроксидные частицы имеют тенденцию накапливаться как на аноде, так и на катоде и замедлять электрохимические реакции (Mori, 2019). Важно отметить, что преобразование Al (OH) ₃ и Al ₂ O ₃ обратно в Al довольно сложно. До сих пор AAB подходили только для неперезаряжаемых батарей. Ведется работа по разработке механически заменяемых алюминиевых анодов, чтобы можно было оперативно заменять целые аккумуляторные блоки или алюминиевый анод на заправочных станциях.

Общая реакция системы Al-воздух описывается следующим образом: Al + 3 / 4O ₂ + 3 / 2H ₂ O → Al (OH) ₃ с теоретическим напряжением ячейки 2,70 В (Chen et al. др., 2015). В щелочном водном электролите показаны половинные реакции на аноде, как в уравнениях. (1 и 2):

Al + 3OH → -Al (OH) + 33eE- = 0-2,30 В (1)

Al + 4OH → -Al (OH) + 4-3eE- = 0-2,31 В (2)

Во время разряда катодный ORR представлен как в формуле. 3:

1 / 2O + 2HO2 + 2e → -2OHE- = 00.40В (3)

Паразитическое уменьшение воды показано, как в Ур. 4, где происходит окисление как HER, так и Al, происходящего на поверхности Al:

HO2 + e → -OH + -1 / 2HE2 = 0-0,83 В (4)

Недостатком ААБ является их высокая скорость саморазряда. Этот недостаток является следствием сильной коррозии анода из алюминия, вызванной паразитным HER. Хотя AAB можно хранить в течение длительного периода в неиспользованном состоянии, как только начинается разрядка, они начинают очень быстро разлагаться.За месяц хранения AAB могут потерять восемьдесят процентов своей емкости. Коррозия анода из алюминия приводит к неприемлемо низкой эффективности использования алюминия (Hopkins et al., 2018). Кроме того, это приводит к образованию и накоплению газообразного водорода в ячейке.

Были разработаны многочисленные методы уменьшения коррозии алюминиевого анода: (1) введение добавок в электролит (Abdel-Gaber et al., 2010; Liu et al., 2016), (2) с использованием гелевых электролитов ( Mohamad, 2008), (3) с использованием неводных электролитов (Gelman et al., 2014), (4) с использованием алюминиевых сплавов (Abedin, Endres, 2004; Rashvand et al., 2013; Wang et al., 2015a), (5) покрытие алюминиевого анода керамикой (Mori, 2014, 2015) и (6) работа при низкой температуре (Zuo et al., 2019). Тем не менее, эти усилия оказались недостаточными и часто усложняли аккумуляторную систему.

Механизмы, лежащие в основе AAB, включают растворение Al на аноде и ORR на катоде. В традиционных AAB анодная самокоррозия является основной проблемой. Проблема коррозии алюминия может быть эффективно решена путем ограничения растворения алюминия в неводном электролите.Однако в таком электролите ORR кинетически вялый. Таким образом, был разработан ААБ с двумя электролитами, имеющий анионообменную мембрану, разделяющую органический анолит и водный католит (Wang et al., 2014). Эта конфигурация обеспечивала гибкость в применении очень отличительных анолита и католита. За счет применения подходящего анолита коррозия алюминиевого анода может быть значительно подавлена, и может быть получена батарея с высокими эксплуатационными характеристиками.

Метанол отлично ингибирует коррозию в щелочном растворе (Wang et al., 2007, 2009). Ранее метанол применялся в качестве анолита в ААБ с двумя электролитами (Wang et al., 2014; Teabnamang et al., 2020). Результаты показали, что можно достичь очень высокой разрядной емкости. Однако метанол легко воспламеняется и летуч. Кроме того, он токсичен при вдыхании. Поэтому предпочтительны другие анолиты, имеющие более низкое давление пара, менее токсичные и более экологичные. Коррозия анода из Al (AA5052) в растворе этиленгликоля, содержащем 4 М гидроксид натрия (NaOH), изучалась в AAB (Wang et al., 2015b). В щелочном растворе этиленгликоля было обнаружено, что добавки дикарбоновой кислоты увеличивают электрохимическую активность и разрядные характеристики сплава AA5052 Al. Также была исследована коррозия Al и сплава Al в растворе этиленгликоль-вода с различными добавками. Кроме того, сообщалось о защитном эффекте себациновой кислоты (Захариева и др., 2009). Были изучены механизмы коррозии алюминиевых сплавов в растворе этиленгликоля (Weon, Woo, 2013). Отмечено, что осаждение и утолщение гидроксидов алюминия являются основными явлениями, влияющими на коррозионное поведение алюминиевых сплавов.В разных растворах механизмы растворения Al различны. В щелочном водном растворе растворение Al включает повторяющееся образование и разрушение тонких слоев Al ₂ O ₃ на поверхности Al; растворение Al контролируется процессом растворения через пленку (Королева и др., 1999).

Teabnamang et al. (2020) изучали коррозию Al в 3 M растворах метанола KOH, содержащих воду в различных соотношениях. Сообщалось, что в 3 М растворе безводного метанола KOH образовавшаяся оксидная пленка на поверхности Al была плотной и гладкой.При добавлении воды в раствор свойства оксидной пленки изменяются. Наличие воды в растворах метанола приводило к образованию рыхлой и пористой оксидной пленки. Таким образом, пористая структура ускоряет перенос активных частиц между поверхностью Al и электролитом.

Другой важной проблемой AAB является пассивация анода из алюминия, возникающая из-за накопления разряженных продуктов на поверхности анода из алюминия. Проблема пассивации может быть решена путем использования циркуляции электролитов.Регулярная подача электролитов для минимизации градиента концентрации продуктов разряда позволяет снизить пассивирование анода (Hosseini et al., 2018a; Ryu et al., 2018).

Эта работа направлена ​​на решение проблемы коррозии анода в щелочной AAFB путем реализации системы с двумя электролитами, имеющей конфигурацию анода из алюминия | анолит | анионообменная мембрана | католит | воздушный катод. 3 М КОН в растворах этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об. Исследуют как анолиты.Коррозионное поведение и электрохимические характеристики Al-электрода в анолитах исследуются с помощью теста на выделение водорода (газометрический метод), потенциодинамической поляризации (тафелевская поляризация) и спектроскопии электрохимического импеданса (EIS). Впоследствии исследуются характеристики батарей, использующих различные анолиты.

Материалы и методы

Материалы

Катодный токоприемник был изготовлен из пены никель (Ni) (99,97%, 100 пор на дюйм, толщина 1 мм, Qijing Trading Co., Ltd., Китай). Алюминиевые (Al) пластины (99,99% Qijing Trading Co., Ltd., Китай) использовали в качестве рабочих электродов при испытании на коррозию и анодов в AAFB. Для разделения анолита и католита применялась анионообменная мембрана (AMI-7001S, Membrane International Inc., США). Электролит полуэлементного теста и анолит батареи были изготовлены из гранул этанола (99,8%), этиленгликоля (99%) и гидроксида калия (КОН, 99%), закупленных у QRеC, Новая Зеландия. Катод был приготовлен с использованием политетрафторэтилена (порошок PTFE, 1 мкм, Sigma-Aldrich, Сингапур), технического углерода (Vulcan ^® BP2000 и XC-72, Cabot Corporation, США), оксида марганца (IV) (MnO ₂ , 5 мкм, 99.99%, Sigma-Aldrich, Сингапур), сополимер стирола и бутадиена (Sigma-Aldrich, Сингапур) и толуол (99,5%, Loba Chemie Pvt Ltd., Индия). Полимер Carbopol ^® 940 (CBP940, Lubrizol Corporation, США) использовали для приготовления католита полимерного геля. Все химические вещества использовались в том виде, в котором они были получены, без какой-либо дополнительной обработки.

Производство аккумуляторов

На рисунке 1 схематично показан AAFB с двумя электролитами. Анодный электрод имел размер (30 мм × 50 мм × 0,19 мм) и весил 0.8 г. Растворы этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об., Содержащие 3 М КОН, использовали в качестве анолитов. Католит представляет собой полимерный гелевый электролит, полученный путем смешивания 1,2 мас.% CBP940 в 3 М водном растворе КОН. Гелевый электролит значительно снизил потери электролита из-за испарения во время работы от батареи. Анионообменная мембрана (3 см × 3 см) использовалась в качестве сепаратора для разделения католита и анолита. Перед испытанием анионообменную мембрану активировали вымачиванием в водном растворе 5 М хлорида натрия (NaCl) при 30 ° C в течение 24 часов.

Рисунок 1. Принципиальная схема алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами и циркулирующим анолитом.

Воздушный катод состоит из трех слоев: слоя катализатора (внутренняя сторона), катодного токоприемника и газодиффузионного слоя (внешняя сторона). Слой катализатора контактирует с католитом. Активная площадь катодной реакции составляет 4 см ² . Катод был изготовлен в виде двухстороннего электрода с покрытием, средний слой которого представляет собой токоприемник, сделанный из пены Ni.Что касается газодиффузионного слоя, то внешняя поверхность воздушного катода была подготовлена ​​путем покрытия смеси углерода (XC-72), D -глюкозы и связующего ПТФЭ в 10 мл этанола в соотношении (40:40: 20) мас.% Соответственно. Хорошо диспергированную пасту наносили на пену Ni и затем прессовали с помощью ручного горячего пресса при 350 ° C в течение 15 мин. Газодиффузионный слой показал гидрофобность и помог предотвратить утечку электролита, в то же время позволяя газу кислорода проникать в ячейку. Для подготовки внутренней стороны оба MnO ₂ 0.Смешивали 3 г в качестве катализатора и 0,7 г углерода BP2000, диспергировали в 8,5 мл толуола и перемешивали в течение 60 мин. Затем вводили 1,5 мл 7,5 мас.% Сополимера стирола и бутадиена в толуольном растворе. Смесь перемешивали еще 60 мин. и приготовленную пасту наносили два раза на другую сторону пены Ni. Наконец, пену Ni с покрытием прессовали при 150 ° C в течение 10 мин. с помощью ручного горячего пресса.

На рис. 2 показана конструкция ячейки, состоящая из алюминиевого анода, камеры для анолита, анионообменной мембраны (действующей как разделитель), камеры для католита, а также воздушного катода.Расстояние между анодом и катодом 18 мм, а расстояние между анодом и сепаратором 14 мм. Расстояние определяет омическое сопротивление ячейки, а также падение давления в насосе. С увеличением расстояния омическое сопротивление пропорционально увеличивается. Однако перепад давления уменьшается обратно пропорционально расстоянию.

Рисунок 2. Конструкция алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами.

Коррозия алюминиевого анода и испытание батареи

На рисунке 3 показана экспериментальная установка для испытания выделения водорода (Moghadam et al., 2017). Испытания проводили при 30 ° C в течение 60 мин. погружения в растворы этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / об., содержащие 3 М КОН. Перед испытанием образцы Al (1 × 1 см ² ) повторно пять раз промывали ацетоном. Затем каждый образец Al погружали в химический стакан, содержащий 50 мл раствора. Затем над образцом поместили воронку, убедившись, что весь газообразный водород, образующийся в результате коррозии образца, аккумулируется. Затем над воронкой устанавливали бюретку, которую сначала заполняли раствором.Водород, находившийся в воронке, поступал в бюретку и постепенно вытеснял раствор. Бюретка позволяла определять объем выделяемого газообразного водорода как функцию времени. Каждый тест повторяли пять раз. Скорости реакций определяли по наклону прямых линий на графиках газометрии.

Рис. 3. Экспериментальная установка для измерения выделения водорода.

Трехэлектродная конфигурация использовалась для исследования электрохимических характеристик алюминиевого анода в растворах этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 М КОН.Трехэлектродная ячейка состояла из: платинового (Pt) противоэлектрода (1 × 1) см ² , электрода сравнения Ag / AgCl и рабочего электрода из алюминиевой пластины (1 см × 1 см). Рабочий электрод из алюминия трижды промывали ацетоном перед испытанием при 30 ° C. Потенциостат / гальваностат (PAR VersaSTAT 3, Ametek Inc., США) использовали для исследования спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) и потенциодинамической поляризации. Потенциодинамическая поляризация проводилась со скоростью сканирования 5 мВ / с в области потенциального покрытия (-1.От 0 до -2,0) В относительно Ag / AgCl. Кроме того, ЭИС проводилась в диапазоне частот 200 кГц – 0,2 Гц и напряжении возбуждения 5 мВ при напряжении холостого хода (OCV). Далее, как разрядная емкость аккумулятора, так и кривая поляризации вольт-амперной характеристики были проанализированы с помощью системы тестирования аккумуляторов (Neware, Китай). Работа аккумулятора проводилась при 25 ° C.

Результаты и обсуждение

Обычно в щелочных водных растворах Al проявляет сильную самокоррозию без эффекта пассивации (Pyun and Moon, 2000).Таким образом, оксидная пленка, которая является продуктом разряда, электрохимически формируется за счет включения гидроксид-ионов (OH ^— ) в пленку и миграции OH ^— через пленку к границе раздела Al / пленка. Соответствующие реакции коррозии показаны, как в формуле. 5:

Al + 3OH → -Al (OH) + 33e- (5)

Затем пленка химически растворяется за счет воздействия OH ^— на границе раздела пленка / электролит, как показано ниже в уравнении. 6. Кроме того, электроны, произведенные по формуле.5 мгновенно расходуются в реакции восстановления воды, как показано соответственно в уравнении. 7:

Al (OH) + 3OH → -Al (OH) -4 (6)

3HO2 + 3e → -3OH + -3 / 2h3 (7)

В формуле. 7, получаемые оксидные пленки рыхлые и пористые. Пленки не могут защитить нижележащую поверхность Al. Видно, что растворение Al здесь контролируется процессом растворения сквозь пленку (Королева и др., 1999).

Самокоррозия Al может также иметь место в случае безводного этанола или щелочных растворов этиленгликоля.Однако механизмы коррозии Al в щелочном этаноле и этиленгликоле отличаются от таковых в щелочных водных растворах. В этих растворах образуются оксидные пленки Al-этанола [Al (CH ₃ Ch3O) 3] и Al-этиленгликоля [Al (HOCh3Ch3O) 3], которые оказывают ингибирующее действие на процесс коррозии Al. Эти пленки могут подавлять дальнейшее анодное растворение Al (Zhang et al., 2008). Например, растворение Al контролировалось осаждением и утолщением оксидных пленок (Weon and Woo, 2013).

На рис. 4A представлена ​​зависимость между генерируемым газообразным водородом в зависимости от времени. Линейное изменение объема газообразного водорода происходило в зависимости от времени для каждого условия. Объем водорода может предполагать, сколько Al израсходовалось через HER. Видно, что электролит без этиленгликоля показал самую низкую скорость выделения водорода 0,005 мл см. ^–2 мин. ^–1 . При введении в раствор этиленгликоля скорость выделения водорода увеличивалась.Следовательно, состояние этиленгликоля 5% об. / Об. Показало самую высокую скорость выделения водорода 0,022 мл см. ^–2 мин. ^–1 . Тем не менее, дальнейшее увеличение доли этиленгликоля привело к снижению HER. Состояние этиленгликоля (10, 20 и 30%) об. / Об. Показало скорости выделения водорода (0,017, 0,010 и 0,007 мл см. ^–2 мин. ^–1 ), соответственно. Однако сообщается, что как в этаноле, так и в этиленгликоле полученные оксидные пленки могут замедлять кинетику растворения Al.Что касается раствора этиленгликоль / этанол, поверхность Al была скрыта пленками смешанного Al-этанола и Al-этиленгликоля. Смешанные пленки обеспечивали меньшую защиту, чем пленки, полученные из щелочного раствора этанола. Было замечено, что присутствие этиленгликоля ускоряет HER. Скорость коррозии Al также увеличилась.

Рис. 4. (A) Газообразный водород, выделившийся из образца Al в растворах этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 M КОН (B) Потенциодинамическая поляризация (Тафелевская поляризация) Al электрода в растворах этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об., Содержащих 3 М КОН.

На рис. 4В изображена потенциодинамическая поляризация алюминиевого электрода в растворах этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 М КОН. Потенциал коррозии электролита, содержащего 0% об. Этиленгликоля, был обнаружен при -1,53 В. При введении этиленгликоля потенциал коррозии электролитов показал отрицательный сдвиг. Отрицательный сдвиг указывает на более высокую тенденцию к коррозии алюминия. Тем не менее, когда соотношение этиленгликоля увеличивалось, потенциал коррозии сдвигался в положительную сторону.Это указывает на то, что при более высоком содержании этиленгликоля Al проявляет более низкую склонность к коррозии, что согласуется с результатом газометрии выделения водорода. Сопротивление поляризации и другие связанные свойства были определены с использованием уравнений Батлера-Фольмера и Штерна-Гири (Abdel-Gaber et al., 2008; Shinagawa et al., 2015), как показано в уравнениях. (8 и 9):

I = Icorr (e2.303 (E-Ecorr) βa-e2.303 (E-Ecorr) βc) (8)

Rp = βa | βc | 2.303Icorr (βa + | βc |) (9)

, где E — потенциал электрода. E _corr — потенциал коррозии. I — измеренная плотность тока. I _corr — плотность тока коррозии. β a и β c представляют анодный и катодный тафелевские наклоны соответственно. Оценивая наклон Тафеля как прямую линию, можно оценить поляризационное сопротивление ( R _p ), представляющее переходное сопротивление между электродом и электролитом.

В таблице 1 приведены параметры электрохимической поляризации, а именно. потенциал коррозии ( E _corr ), плотность тока коррозии ( I _corr ), анодный наклон (β _a ), катодный наклон (β _c ) и поляризационное сопротивление ( R _p ). Скорость коррозии пропорциональна сопротивлению поляризации. Более высокое сопротивление поляризации означает меньший ток коррозии.Более высокое сопротивление поляризации указывает на более сильное ингибирование коррозии. Видно, что наименьшее сопротивление поляризации было достигнуто при использовании электролита, содержащего 5 об.% Этиленгликоля. Тем не менее, по мере дальнейшего увеличения доли этиленгликоля сопротивление поляризации постепенно увеличивалось. Анодный наклон показывает склонность анода к коррозии. Наименьший анодный наклон (1,08 В / дек.) И наименьшее поляризационное сопротивление (112,12 Ом) были получены для электролита, содержащего 5% об. / Об. Этиленгликоля, что указывает на наибольшую склонность к коррозии алюминиевого электрода.Плотность тока коррозии электролита, содержащего 5% об. Этиленгликоля, составляла 1,35 мА / см ² . Наибольший анодный тафелевский наклон (1,52 В / дек) имел место в электролите без этиленгликоля. Плотность тока коррозии электролита без этиленгликоля составила 0,57 мА / см ² , в то время как сопротивление поляризации составило 177,24 Ом. Наклон Тафеля указывает на то, насколько большое перенапряжение требуется для увеличения скорости реакции. Меньший анодный наклон предполагает более высокую склонность к коррозии Al.Больший анодный наклон и большая поляризация показывают явное преимущество в ингибировании коррозии Al. Однако это неблагоприятно сказывается на характеристиках батареи, поскольку растворение Al требует большего перенапряжения.

Таблица 1. Параметры электрохимической поляризации Al-электрода в растворах этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 М КОН.

Метод спектроскопии электрохимического импеданса был использован для исследования характеристик процесса растворения Al.На рис. 5А показаны графики Найквиста для Al электрода в растворах этиленгликоль / этанол (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 М КОН. Все кейсы имели схожие характеристики. Аналогичные результаты были получены для Al в щелочных водных растворах (Abdel-Gaber et al., 2008). Спектры импеданса содержат небольшую емкостную петлю на низкой частоте, небольшую индуктивную петлю на средней частоте и большую емкостную петлю на высокой частоте. Емкостный полукруг на высокой частоте приписывают окислительно-восстановительной реакции Al ↔ Al ⁺ , которая, как было отмечено, является этапом, определяющим скорость в процессе растворения (Moghadam et al., 2017). Индуктивная петля на средней частоте возникла из-за адсорбции промежуточных продуктов на поверхности Al. Другая емкостная петля на низкой частоте связана с окислительно-восстановительной реакцией Al ⁺ ↔ Al ³⁺ (Verma et al., 2015). В щелочном водном растворе растворение Al включает многократное образование и растворение тонких пленок Al ₂ O ₃ на поверхности Al (Королева и др., 1999). Таким образом, ионы Al ³⁺ , образованные окислением Al на границе раздела пленка Al ₂ O ₃ / Al, мигрировали через пленки к электролиту.Мгновенно ионы OH ^— мигрировали через пленки к поверхности Al. Следовательно, анодное растворение Al регулируется через механизм растворения через пленку.

Рис. 5. Графики Найквиста EIS, выполненные при потенциале 0 В (в зависимости от OCV) в диапазоне частот от 200 кГц до 0,2 Гц с амплитудой переменного тока 5 мВ: (A) Al-электрод в этиленгликоле / этанольные растворы (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / об., содержащие 3 М КОН (В) Алюминиевый электрод в растворах этиленгликоля / этанола (0 и 5%) об. / об., содержащих 3 М КОН при разное время погружения (0 и 120 мин).

Что касается электролитов на основе этанола или этиленгликоля, речь идет о пленках из Al-этанола и Al-этиленгликоля. Эти пленки показали более низкую скорость миграции Al ³⁺ и OH ^—, чем у щелочного водного электролита. Следовательно, они могут подавлять процесс растворения Al (Zhang et al., 2008).

Примечательно, что этанольный электролит 3 M KOH без этиленгликоля показал наибольший диаметр емкостных и индуктивных контуров.Однако введение этиленгликоля привело к уменьшению диаметра емкостного полукруга. Было замечено, что присутствие этиленгликоля снижает сопротивление переносу заряда, а также объемное сопротивление. Следовательно, скорость коррозии Al увеличилась. Результаты показали, что этанольный электролит без этиленгликоля имел самое высокое сопротивление переносу заряда, что указывает на то, что поверхность Al была занята пленкой Al-этанол, которая имела наименьшую скорость миграции Al ³⁺ и OH ^—. .В случае электролита, содержащего этиленгликоль, поверхность Al была покрыта гетерогенными пленками, состоящими из Al-этанола и Al-этиленгликоля. Смешанные пленки показали более высокую скорость миграции Al ³⁺ и OH ^—. Следовательно, они показали более быструю кинетику растворения Al.

Электролит, содержащий 5 об.% Этиленгликоля, показал наименьший диаметр емкостной и индуктивной петель, что указывает на быструю кинетику реакций переноса заряда, связанных с окислительно-восстановительным процессом.Однако, когда соотношение этиленгликоля увеличивалось, диаметр емкостной и индуктивной петель постепенно увеличивался. Другими словами, сопротивление переносу заряда в процессе растворения увеличивалось по мере увеличения доли этиленгликоля. Фактически процесс растворения оказался более медленным; и система показала повышенное ингибирование коррозии.

На рис. 5В представлены графики Найквиста для Al электрода в растворах этиленгликоль / этанол (0 и 5%) об. / Об., Содержащих 3 М КОН, при немедленном погружении в Al и через 120 мин.Таким образом, было обнаружено, что диаметры емкостной и индуктивной петель относительно этанольного электролита 3 М КОН без этиленгликоля увеличиваются через 120 мин. погружение. Вначале анод был свежим и показал самую высокую анодную активность (самое низкое сопротивление переносу заряда). Затем сопротивление переносу заряда увеличивалось со временем. Это указывает на то, что образование пленок Al-этанол действует как пассивирующий слой и подавляет растворение Al. Для сравнения, когда в электролит вводили этиленгликоль, ширина емкостного полукруга со временем уменьшалась.То есть сопротивление переносу заряда уменьшалось по мере увеличения времени погружения, что означает, что полученные пленки, состоящие из разновидностей Al-этанола и Al-этиленгликоля, не проявляли пассивации.

После исследования коррозии и растворения алюминия были изучены характеристики AAFB с двумя электролитами. Перед испытанием была изготовлена ​​ячейка, и анолит циркулировал в течение одного часа без анода из алюминия. Затем изучали действие анолитов раствора этиленгликоля / этанола при скорости циркуляции анолита 10 мл / мин.На рисунке 6 представлены поляризационные характеристики батареи. Было замечено, что предельная плотность тока увеличивалась при введении этиленгликоля следующим образом: (2,80, 7,45, 7,40, 6,30 и 6,00 мА / см ² ) с использованием (0, 5, 10, 20 и 30%) v в / в этиленгликоль-электролиты соответственно. Максимальная плотность мощности была рассчитана на основе значений плотности тока и напряжения разряда: (1,25, 3,75, 3,50, 2,75 и 2,50 мВт / см ² ) соответственно. Таким образом, было обнаружено, что присутствие этиленгликоля улучшает характеристики батареи из-за ее более высокой активности и более низкого сопротивления переносу заряда; и тем самым способствовал растворению Al.

Рис. 6. (A) Поляризационные характеристики алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами с использованием анолита растворов этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об., Содержащего 3 M KOH (B) Плотность мощности как функция плотности тока для алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами с использованием анолита растворов этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об., Содержащего 3 М КОН.

AAFB с двумя электролитами демонстрирует линейные поляризационные характеристики.OCV этанольного электролита 3 M KOH без этиленгликоля составляла 1,25 В. При добавлении этиленгликоля (5, 10, 20 и 30%) об. / Об. OCV составляли (1,50, 1,45, 1,40 и 1,35 В. ), соответственно. Таким образом, было очевидно, что введение этиленгликоля увеличивало OCV батареи. Однако при дальнейшем увеличении содержания этиленгликоля OCV батареи постепенно снижается.

На рис. 7 показаны профили разряда алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами с использованием анолита растворов этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30% об. / Об.), Содержащих 3 М КОН, при плотности тока разряда 2.5 мА / см ² . При плотности тока разряда 2,5 мА / см ² батарея, содержащая 5% этиленгликоля об. / Об., Достигла наивысшей удельной емкости 2100 мАч / г _Al , обеспечивая эффективность использования около 70%. Более того, аккумулятор мог непрерывно разряжаться более 24 часов. Когда соотношение этиленгликоля увеличивалось, удельная емкость аккумулятора немного уменьшалась (2053, 1980 и 1965 мАч / г _Al ) при условии (10, 20 и 30%) соответственно.Одновременно, когда доля этиленгликоля увеличивалась, среднее напряжение разряда уменьшалось вместе с процентом использования Al. Это доказало, что AAFB может демонстрировать значительно более высокую кулоновскую эффективность при использовании электролита 3 М КОН этанола, содержащего 5% об. / Об. Этиленгликоля.

Рис. 7. Профили разряда алюминиево-воздушной батареи с двумя электролитами с использованием анолита растворов этиленгликоля / этанола (0, 5, 10, 20 и 30%) об. / Об., Содержащих 3 M КОН, при токе разряда плотность 2.5 мА / см ² .

В таблице 2 представлено сравнение AAFB с двумя электролитами, предложенного в этой работе, с другими ранее описанными AAB. Результаты могут различаться в зависимости от различных параметров, таких как конфигурация ячейки, катализатор ORR, электролит и условия эксперимента. AAFB с двумя электролитами показал более высокую удельную разрядную емкость. Хотя AAFB с двумя электролитами и метанольным анолитом показал самую высокую разрядную емкость (Teabnamang et al., 2020), метанол легковоспламеняющийся и летучий.Таким образом, использование метанольного анолита в AAFB может представлять угрозу безопасности при работе от батареи. Более того, метанол оказывает вредное воздействие на здоровье человека. Напротив, анолит этиленгликоль / этанол обеспечивает большую безопасность и более экологичен, менее токсичен, имеет компромисс между электрохимическими характеристиками и разрядной емкостью. AAFB с двойным электролитом, содержащий анолит этиленгликоль / этанол, продемонстрировал значительно высокую разрядную емкость. Тем не менее, удельная мощность AAFB с двумя электролитами должна быть дополнительно улучшена.Плотность мощности зависит от множества факторов, таких как катализатор ORR, католит и структура газодиффузионного слоя. Для повышения плотности мощности могут применяться более сложные катализаторы ORR и другая структура воздушного катода.

Таблица 2. Сравнение двойного AAFB, предложенного в этой работе, с другими ранее описанными AAB.

Заключение

В данной работе исследовалась самокоррозия Al электрода в щелочном двойном электролите AAFB.Очевидно, что этанольный раствор 3 М КОН без этиленгликоля показал отличное ингибирование коррозии. Однако медленная кинетика растворения Al привела к снижению производительности батареи. Кроме того, введение этиленгликоля в этанольный раствор 3 М КОН привело к усилению кинетики растворения Al. Более того, как поляризация Тафеля, так и EIS подтвердили, что 3 М раствор этанола КОН, содержащий 5% об. / Об. Этиленгликоля, показал наименьшее сопротивление поляризации и наименьшее сопротивление переносу заряда.В целом, результаты показали, что AAFB с двумя электролитами оказался эффективным методом контроля анодной коррозии и пассивации. Следует отметить, что AAFB с двумя электролитами работает достаточно хорошо и обеспечивает отличную разрядную емкость.

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / дополнительный материал.

Взносы авторов

SK задумал исследовательский проект и написал первый черновик.TP и WK проводили эксперименты. TP проанализировала данные при консультации со SK. SK, RP, AM, MN и TY внесли свой вклад в последующие проекты. Все авторы рецензировали рукопись.

Финансирование

Это исследование финансировалось Таиландским исследовательским фондом (RSA6180008) и Фондом Рачадаписек Сомпоте Университета Чулалонгкорн.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Был отмечен кластер хранения энергии Университета Чулалонгкорн.

Список литературы

Аббаси, А., Хоссейни, С., Сомвангтанародж, А., Мохамад, А. А., и Кхеухом, С. (2019). Гидроксидообменные разделительные мембраны на основе поли (2,6-диметил-1,4-фениленоксида) для цинково-воздушных аккумуляторов. Внутр. J. Mol. Sci. 20: 3678. DOI: 10.3390 / ijms20153678

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Абдель-Габер, А.М., Хамис, Э., Або-Эльдахаб, Х. и Адил, С. (2008). Подавление коррозии алюминия в щелочных растворах с использованием природного соединения. Mater. Chem. Phys. 109, 297–305. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2007.11.038

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Абдель-Габер, А.М., Хамис, Э., Або-Эльдахаб, Х., и Адил, С. (2010). Новый пакет для ингибирования коррозии алюминия в щелочных растворах. Mater. Chem. Phys. 124, 773–779. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2010.07.059

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Абедин, С. З. Э., и Эндрес, Ф. (2004). Электрохимическое поведение сплавов Al, Al-In и Al-Ga-in в хлоридных растворах, содержащих ионы цинка. J. Appl. Электрохим. 34, 1071–1080. DOI: 10.1023 / b: jach.0000042672.23588.df

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Л. Д., Нёрсков, Дж. К., и Лунц, А. К. (2015). Воздушно-алюминиевые батареи: фундаментальные термодинамические ограничения теории первых принципов. J. Phys. Chem. Lett. 6, 175–179. DOI: 10.1021 / jz502422v

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дилимон В. С., Хван К., Чо Й.-Г., Янг Дж., Лим Х.-Д., Канг К. и др. (2017). Супероксидная стабильность для обратимой электрохимии Na-O2. Sci. Отчет 7: 17635.

Google Scholar

Гельман Д., Шварцев Б., Эйн-Эли Ю. (2014). Алюминиево-воздушная батарея на основе ионно-жидкого электролита. J. Mater.Chem. А 2, 20237–20242. DOI: 10.1039 / c4ta04721d

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хонг, К. и Лу, Х. (2017). Электроосаждение in-situ высокоактивного серебряного катализатора на бумагу из углеродного волокна в качестве катодов без связующего для алюминиево-воздушной батареи. Sci. Отчет 7: 3378.

Google Scholar

Хоссейни С., Аббаси А., Уджинет Л.-О., Хаустраэте Н., Прасертдам С., Йонезава Т. и др. (2019). Влияние диметилсульфоксида как добавки к электролиту на анодное растворение щелочной цинково-воздушной проточной батареи. Sci. Rep. 9: 14958.

Google Scholar

Хоссейни, С., Хан, С. Дж., Арпонвичаноп, А., Йонедзава, Т., и Кхеахом, С. (2018a). Этанол в качестве добавки к электролиту для щелочных воздушно-цинковых батарей. Sci. Rep. 8: 11273.

Google Scholar

Хоссейни, С., Лао-Атиман, В., Хан, С. Дж., Арпорнвичаноп, А., Йонедзава, Т., и Кхеахом, С. (2018b). Разрядные характеристики воздушно-цинковых батарей под действием додецилсульфата натрия и плюроника F-127. Sci. Rep. 8: 14909.

Google Scholar

Королева Э. В., Томпсон Г. Э., Холлригл Г. и Блок М. (1999). Морфологические изменения поверхности алюминиевых сплавов в щелочном растворе :: влияние материала второй фазы. Коррос. Sci. 41, 1475–1495. DOI: 10.1016 / s0010-938x (98) 00188-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лао-Атиман, В., Бумрунгсил, К., Арпорнвичаноп, А., Бумрунгсакулсават, П., Олару, С., и Кхеахом, С.(2019). Модельный анализ интегрированной системы цинково-воздушной батареи / цинкового электролизера. Фронт. Energy Res. 7:15.

Google Scholar

Li, C.-S., Sun, Y., Gebert, F., and Chou, S.-L. (2017). Текущий прогресс в области перезаряжаемой воздушно-магниевой батареи. Adv. Energy Mater. 7: 1700869. DOI: 10.1002 / aenm.201700869

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Ли, К., Ван, Х., Чжан, Л., Уилкинсон, Д. П., и Чжан, Дж. (2019).Последние достижения в области электрокатализаторов реакции восстановления кислорода для применения в электрохимической энергии. Electrochem. Energy Rev. 2, 518–538. DOI: 10.1007 / s41918-019-00052-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю. и Лу Дж. (2017). Металло-воздушные батареи: станут ли они предпочтительным электрохимическим накопителем энергии в будущем? ACS Energy Lett. 2, 1370–1377. DOI: 10.1021 / acsenergylett.7b00119

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Дж., Ван, Д., Чжан, Д., Гао, Л., и Лин, Т. (2016). Синергетические эффекты карбоксиметилцеллюлозы и ZnO в качестве добавок щелочного электролита для алюминиевых анодов с точки зрения использования алюминиево-воздушных батарей. J. Power Sour. 335, 1–11. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2016.09.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Ю., Сун, К., Ли, В., Адаир, К. Р., Ли, Дж., И Сун, X. (2017). Всесторонний обзор последних достижений в области алюминиево-воздушных батарей. Green Energy Environ. 2, 246–277. DOI: 10.1016 / j.gee.2017.06.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Moghadam, Z., Shabani-Nooshabadi, M., and Behpour, M. (2017). Электрохимические характеристики алюминиевого сплава в сильнощелочной среде мочевиной и тиомочевиной в качестве ингибитора для алюминиево-воздушных батарей. J. Mol. Жидкость. 242, 971–978. DOI: 10.1016 / j.molliq.2017.07.119

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мохамад А.А. (2008). Электрохимические свойства алюминиевых анодов в алюминиево-воздушных батареях на основе гелевых электролитов. Коррос. Sci. 50, 3475–3479. DOI: 10.1016 / j.corsci.2008.09.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мори Р. (2014). Новая перезаряжаемая батарея алюминий-воздух с Al2O3 в качестве буфера для подавления накопления побочных продуктов непосредственно на алюминиевом аноде и воздушном катоде. RSC Adv. 4, 30346–30351. DOI: 10.1039 / c4ra02165g

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мори Р. (2015). Добавление керамических барьеров в алюминиево-воздушные батареи для подавления образования побочных продуктов на электродах. J. Electrochem. Soc. 162, A288 – A294.

Google Scholar

Мори Р. (2017). Перезаряжаемый алюминиево-воздушный аккумулятор с использованием различных материалов с воздушным катодом и подавлением образования побочных продуктов как на аноде, так и на воздушном катоде. ECS Transact. 80, 377–393. DOI: 10.1149 / 08010.0377ecst

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мори Р. (2019). Полностью твердотельный перезаряжаемый алюминиево-воздушный аккумулятор с электролитом на основе глубокого эвтектического растворителя и подавлением образования побочных продуктов. RSC Adv. 9, 22220–22226. DOI: 10.1039 / c9ra04567h

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Номура А., Ито К. и Кубо Ю. (2017). Листовой воздушный электрод из УНТ для создания сверхвысокой емкости в литий-воздушных батареях. Sci. Реп. 7: 45596.

Google Scholar

Парк И.-Дж., Чой С.-Р., Ким Дж.-Г. (2017). Алюминиевый анод для алюминиево-воздушной батареи — Часть II: Влияние Дополнительно на электрохимические характеристики сплава Al-Zn в щелочном растворе. J. Power Sour. 357, 47–55. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2017.04.097

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Poolnapol, L., Kao-Ian, W., Somwangthanaroj, A., Mahlendorf, F., Nguyen, M. T., Yonezawa, T., et al. (2020). Восстановленный оксид графена, декорированный серебром, как электрокатализатор для воздушно-цинковых батарей. Энергии 13: 462. DOI: 10.3390 / en13020462

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пюн, С.-И., и Мун, С.-М. (2000). Механизм коррозии чистого алюминия в водно-щелочном растворе. J. Solid State Electrochem. 4, 267–272. DOI: 10.1007 / s100080050203

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рашванд А. М., Джафариан М., Моганни Б. О. Х., Гобал Ф., Хоссейни С. М. и др. (2013). Изучение влияния легирующих добавок и раствора щелочного цинката на промышленный алюминий в качестве гальванического анода для использования в щелочных батареях. Mater. Chem. Phys. 143, 133–142. DOI: 10.1016 / j.matchemphys.2013.08.035

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рю, Дж., Чан, Х., Пак, Дж., Ю, Ю., Пак, М., и Чо, Дж. (2018). Опосредованная затравкой реконструкция нанопластин манганата серебра в атомном масштабе для восстановления кислорода в высокоэнергетических батареях с алюминиевым потоком воздуха. Nat. Commun. 9: 3715.

Google Scholar

Синагава Т., Гарсия-Эспарса А. Т. и Таканабе К. (2015). Понимание склонов Тафеля на основе микрокинетического анализа водного электрокатализа для преобразования энергии. Sci. Реп. 5: 13801.

Google Scholar

Шреста, Н., Раджа, К. С., Утгикар, В. (2019). Анодные материалы из сплава Mg-RE для использования в аккумуляторных батареях мг-воздух. J. Electrochem. Soc. 166, A3139 – A3153.

Google Scholar

Тибнаманг, П., Као-Ян, В., Нгуен, М. Т., Ёнезава, Т., Чичароен, Р., и Кхеухом, С. (2020). Алюминиево-воздушный аккумулятор большой емкости с двойным электролитом и циркулирующим метанольным анолитом. Энергии 13: 2275.

Google Scholar

Верма, К., Сингх, П., Бахадур, И., Эбенсо, Э.Э., Кураиши М. А. (2015). Электрохимические, термодинамические, поверхностные и теоретические исследования 2-аминобензол-1,3-дикарбонитрилов в качестве ингибитора зеленой коррозии алюминия в 0,5 М NaOH. J. Mol. Жидкость. 209, 767–778. DOI: 10.1016 / j.molliq.2015.06.039

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Д., Ли, Х., Лю, Дж., Чжан, Д., Гао, Л., и Тонг, Л. (2015a). Оценка анода из сплава AA5052 в щелочном электролите с органическими редкоземельными комплексными добавками для алюминиево-воздушных батарей. J. Power Sour. 293, 484–491. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.05.104

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Д., Чжан Д., Ли К. и Гао Л. (2015b). Характеристики анода из сплава AA5052 в щелочном этиленгликолевом электролите с добавками дикарбоновых кислот для алюминиево-воздушных батарей. J. Power Sour. 297, 464–471. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.08.033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Дж. Б., Ван, Дж. М., Shao, H. B., Chang, X. T., Wang, L., Zhang, J. Q., et al. (2009). Коррозия и электрохимическое поведение чистого алюминия в смешанных растворах щелочного метанола и воды с добавками. Mater. Коррос. 60, 269–273. DOI: 10.1002 / maco.200805074

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, J.-B., Wang, J.-M., Shao, H.-B., Zhang, J.-Q., and Cao, C.-N. (2007). Коррозия и электрохимическое поведение чистого алюминия в щелочных растворах метанола. Дж.Прил. Электрохим. 37, 753–758. DOI: 10.1007 / s10800-007-9310-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wang, L., Liu, F., Wang, W., Yang, G., Zheng, D., Wu, Z., et al. (2014). Электрохимический элемент с двойным электролитом и алюминием / воздухом большой емкости. RSC Adv. 4, 30857–30863. DOI: 10.1039 / c4ra05222f

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, Ю., Пан, В., Квок, Х., Лу, X. и Люн, Д. Ю. К. (2019). Недорогие воздушно-алюминиевые батареи с твердым электролитом на бумажной основе. Energy Proc. 158, 522–527. DOI: 10.1016 / j.egypro.2019.01.146

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Weon, J.-I. и Woo, H.-S. (2013). Механизм коррозии алюминиевого сплава раствором на основе этиленгликоля. Mater. Коррос. 64, 50–59. DOI: 10.1002 / maco.201106222

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю К., Банерджи С., Ким Дж. И Датта П. (2017). Обзор исследований моделирования литий-воздушной батареи. Энергии 10: 1748.DOI: 10.3390 / en10111748

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, Y., Chen, M., Wang, S., Hill, C., Joshi, P., Kuruganti, T., et al. (2018). Лазерное спекание напечатанных анодов для авиационных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 165, A584 – A592.

Google Scholar

Захариева Дж., Миланова М., Митов М., Лутов Л., Манев С., Тодоровский Д. (2009). Коррозия алюминия и алюминиевого сплава в смесях этиленгликоля с водой. J. Alloys Comp. 470, 397–403.

Google Scholar

Чжан, Г. А., Сюй, Л. Ю., и Ченг, Ю. Ф. (2008). Механические аспекты электрохимической коррозии алюминиевого сплава в растворе этиленгликоль – вода. Электрохим. Acta 53, 8245–8252.

Google Scholar

Zuo, Y., Yu, Y., Zuo, C., Ning, C., Liu, H., Gu, Z., et al. (2019). Низкотемпературные характеристики алюминиево-воздушных аккумуляторов. Энергии 12: 612.

Google Scholar

Этанол в качестве добавки к электролиту для щелочных цинково-воздушных батарей

Окисление цинка, также известное как растворение цинка, является первичной реакцией, определяющей электрохимические характеристики цинкового анода.{2 -}) \) ²⁵ . Хотя в проточных батареях, исследованных в этой работе, в качестве коллектора анодного тока использовалась трубка с сеткой из нержавеющей стали, были исследованы циклические вольтамперограммы трубки с сеткой из нержавеющей стали и графитовой фольги в 8 M KOH-электролите. Затем влияние этанола в электролите было исследовано с использованием графитовой фольги.

На рис. 2а показаны циклические вольтамперограммы графитовой фольги и трубки с сеткой из нержавеющей стали в 8 M КОН. Как для прямого, так и для обратного сканирования не наблюдали пиков для графитовой фольги при потенциалах между -1.От 4 до 0,5 В относительно Hg / HgO. Потенциал начала выделения кислорода составлял 0,5 В относительно Hg / HgO. Кроме того, выделение водорода происходило ниже -1,4 В по сравнению с Hg / HgO. Таким же образом начальные потенциалы выделения кислорода и водорода для сетчатой ​​трубы из нержавеющей стали были аналогичны таковым для графитовой фольги. Тем не менее, выделение кислорода и водорода на графитовой фольге происходило в меньшей степени, чем на трубке с сеткой из нержавеющей стали. Кроме того, для сетки из нержавеющей стали наблюдался один анодный пик при 0,25–0,5 В относительно Hg / HgO.Этот пик связан с окислением хрома (Cr) на поверхности нержавеющей стали ²⁶ . Результаты показывают, что в диапазоне от -1,4 до 0,5 В относительно Hg / HgO графитовая фольга инертна. Таким образом, графитовая фольга использовалась в качестве подложки для исследования воздействия этанола в 8 М растворе КОН. Сравнение циклических вольтамперограмм различных соотношений этанол / КОН, измеренных со скоростью сканирования 0,05 В / с, проводили с использованием 0,5 г цинка, гальванически нанесенного на графитовую фольгу, в качестве рабочего электрода.{-} $$

(2)

Циклические вольтамперограммы: ( a ) графитовая фольга и сетчатая трубка из нержавеющей стали в 8 M KOH электролитах при скорости сканирования 0,05 В / с и ( b ) 0,5 г Zn, нанесенного гальваническим способом на графитовую фольгу в 0 , 5, 30 и 50% об. / Об. Электролитов этанол / КОН при скорости сканирования 0,05 В / с.

Присутствие 5% об. Этанола увеличивало пиковую плотность тока, что приводило к более высокому растворению цинка. Тем не менее, при добавлении большего количества этанола пик значительно уменьшался и сдвигался в сторону более положительного потенциала, указывая на уменьшение растворения цинка.Кроме того, при обратном сканировании пики окисления наблюдались в том же диапазоне потенциалов, что и при прямом сканировании. Пики окисления при прямом сканировании могут быть результатом диффузного ограничения гидроксид-ионов. Таким образом, при обратном сканировании цинк продолжает окисляться в диапазоне потенциала окисления. Плотность тока достигла нуля и переключилась на восстановление при -1,4 В относительно Hg / HgO, что также является начальным потенциалом растворения цинка.

Растворение цинка в электролитах этанол / КОН было дополнительно исследовано с использованием сетчатой ​​трубки из нержавеющей стали, поскольку этот материал использовался в качестве коллектора анодного тока в проточных батареях.На рис. 3а и б показаны циклические вольтамперограммы электролитов, содержащих этанол в диапазоне от 0% до 50% об. / Об. В 8 М растворе КОН. Результаты представляют несколько катодных и анодных пиков. Наблюдались два восходящих анодных (окислительных) пика. Первый пик от -0,8 до -0,4 В относительно Hg / HgO с начальным потенциалом около -1,4 В относительно Hg / HgO относится к растворению цинка. Содержание этанола существенно повлияло на форму циклических вольтамперограмм. Пик растворения цинка увеличивался в присутствии этанола в диапазоне от 5% до 20% об. / Об.Тем не менее, при концентрации этанола выше 20% об. / Об. Пик значительно снижался и исчезал. Кроме того, при добавлении этанола анодные пики были смещены в сторону более положительного потенциала. Возможная причина смещения может быть связана с ограничением диффузии продуктов разряда или образованием алкоксидов щелочных металлов. Алкоксиды щелочных металлов получают реакциями между спиртами и щелочным раствором, как показано в реакции (3) ²⁹ . Различные концентрации этанола влияли на скорость растворения цинка из-за образования побочных продуктов, таких как этоксид калия.

$$ {\ rm {MOH}} + {\ rm {ROH}} \ rightleftharpoons {\ rm {ROM}} + {{\ rm {H}}} _ {2} {\ rm {O}} $ $

(3)

Циклические вольтамперограммы: ( a ) Zn в 0, 5, 10 и 20% об. Этанол / KOH электролиты при скорости сканирования 0,05 В / с, ( b ) Zn в 30, 40 и 50% об. / об. электролитов этанол / КОН при скорости сканирования 0,05 В / с, ( c ) Zn в 5% об. / об. электролита этанол / КОН при различных скоростях сканирования (0,01, 0,02, 0,03, 0,04 и 0,05 В / с) и ( d ) Zn в 5% об. / Об. Этаноле / электролите КОН при различных скоростях сканирования (0.05, 0,06, 0,07, 0,08 и 0,09 В / с).

Наклоны на правом конце от 0,5 В и выше соответствуют разложению гидроксид-иона (OH ^— ) и образованию кислорода (O ₂ ) и воды (H ₂ O) в соответствии с реакцией окисления ³⁰ , как показано в реакции (4). В целом ожидается смещение этого наклона из-за изменения концентрации и активности H ⁺ и OH ^— . При добавлении этанола наблюдалось уменьшение этой крутизны.{-} $$

(4)

Эффекты скорости сканирования от 0,01 до 0,09 В / с для электролита, содержащего 5% об. Этанола, показаны на рис. 3c и d. Пики растворения цинка смещаются в сторону положительного потенциала с увеличением скорости сканирования. Смещение потенциала пика подтвердило необратимость реакции переноса электрона. Для необратимых систем на пиковый ток и положение потенциала влияют кинетика и механизмы реакции.{2 -} \). Напротив, увеличивая скорость сканирования, можно исключить этапы переноса электронов, ведущие к осаждению ZnO на поверхности цинка.

Было изучено исследование циклической вольтамперометрии для этанола 0% об. / Об. После погружения в электролит на 0–180 мин. Как показано на рис. 4а, размер анодных пиков существенно менялся со временем погружения. Значительное снижение наблюдалось через 30 мин. Кроме того, при увеличении времени погружения более 180 мин размер характерных пиков остался прежним.Через 30 мин было достигнуто максимальное образование ZnO, а размер пиков уменьшился и стабилизировался через 120 мин из-за образования пассивирующих слоев, препятствующих дальнейшему растворению цинка.

Циклические вольтамперограммы: ( a ) Zn в 0% об. / Об. Этаноле / электролитах КОН при скорости сканирования 0,05 В / с после погружения на 0–180 мин, и ( b ) Zn в течение 0– 10% об. / Об. Этанол / КОН электролитов при скорости сканирования 0,05 В / с после погружения на 30 мин.

На рисунке 4b показано сравнение циклических вольтамперограмм для 0%, 5% и 10% этанольных электролитов при времени погружения в 30 мин.По сравнению с этанольным электролитом с 0 об.%, Электролит, содержащий 5 об.% И 10 об.% Этанола, показал улучшенное растворение цинка. Растворение цинка увеличивалось для обоих объемных соотношений этанола, в то время как этанол 0% об. / Об. Показал самое низкое растворение цинка.

Оценка зависящих от времени изменений потенциодинамических поляризационных характеристик 0% об. Этанола проводилась для времени погружения от 0 до 180 мин, как показано на рис. 5а. В начале погружения (0 мин) образец показал самый низкий потенциал покоя.При более длительном погружении потенциал покоя смещался вверх. Результаты показали, что вначале анод был свежим и показал самую высокую анодную активность. Анодный потенциал постепенно сдвигался к более положительным значениям с увеличением времени, указывая на формирование слоя ZnO, действующего как пассивирующий слой и препятствующего растворению цинка. Для сравнения, на реакцию катодного выделения водорода не оказало существенного влияния увеличение времени погружения с 0 до 180 мин.

Потенциодинамические поляризационные характеристики электролитов при скорости сканирования 0.065 мВ / с: ( a ) 0% об. Этанола с временем погружения 0–180 мин и ( b ) этанольные электролиты 0, 5 и 10% об. / Об. С временем погружения 30 мин.

На рис. 5b показаны потенциодинамические поляризационные характеристики этанольных электролитов 0%, 5%, 10% об. / Об. При времени погружения 30 мин. Аналогичные тенденции наблюдались во всех случаях. Выделение водорода, наблюдаемое в катодных ветвях, было усилено для электролитов, содержащих этанол. Сообщалось о влиянии водорода, абсорбированного на металлических поверхностях, на анодную поляризацию в нескольких аспектах, включая замедление образования пассивирующей пленки, изменение состояния поверхности электрода, уменьшение сопротивления переносу заряда и диффузии ионов и увеличение емкости ^37,38 .

Анодная реакция может быть исследована с помощью уравнения Тафеля, как показано в (9) ³⁹ . Плотность обменного тока ( i ₀ ) определяется путем построения графика зависимости напряжения от логарифма тока. Наклон Тафеля и точка пересечения связаны с коэффициентом переноса электронов и плотностью обменного тока соответственно. Параметры α и i ₀ можно оценить с помощью регрессионного анализа. Потенциал коррозии E _corr и ток коррозии I _corr могут быть получены экстраполяцией Тафеля анодной и катодной ветвей.

$$ \ eta = \ frac {-RT} {\ alpha nF} \, \ mathrm {ln} ({i} _ {0}) + \ frac {RT} {\ alpha nF} \, \ mathrm { ln} (i) $$

(9)

Самый высокий коэффициент переноса электрона с более низким потенциалом коррозии наблюдался для 5% об. Этанола. Это наблюдение согласуется с результатами CV. Можно сделать вывод, что этанол в значительной степени ответственен за высокую скорость растворения цинкового анода и образование цинката.

Асимметрия катодной и анодной ветвей соответствующих графиков Тафеля указывает на необратимую электрохимическую реакцию, при которой катодная ветвь немного больше анодной.Асимметрия может быть связана с большими различиями в поляризации ближнего действия растворителя между окисленными и восстановленными частицами. Расчетные параметры с помощью графиков Тафеля перечислены в таблице 1. Оба электролита, содержащие этанол, E _corr и I _corr являются более положительными, чем электролиты этанола с концентрацией 0% об. / Об. Следовательно, электролиты, содержащие этанол, обеспечивали более низкую скорость коррозии.

На рис. 6а показаны графики Найквиста для электролитов, содержащих 0–50 об.% Этанола. Графики Найквиста демонстрируют полукруг на высоких частотах (сопротивление переносу заряда, R _ct ). Сопротивление переносу заряда этанольных электролитов 5 и 10% об. / Об. Намного меньше, чем у электролита этанола 0% об. / Об., Подтверждая, что сопротивление переносу заряда значительно снижается при добавлении этанола к раствору КОН. Однако сопротивление переносу заряда увеличивалось при более высокой концентрации этанольного электролита выше 40% об. / Об.Меньший размер R _ct указывает на то, что поверхностная реакция протекает быстрее, чем реакция этанольного электролита с 0% об. / Об., Что более благоприятно для процесса заряда / разряда. В соответствии с результатами CV, сопротивление переносу заряда уменьшалось, когда этанол был добавлен к раствору КОН менее 20% об. / Об., Подтверждая увеличение образования цинката из-за введенного этанола. Сопротивление переносу заряда 5% об. Этанола является наименьшим, что подразумевает высокоэффективный перенос электронов для реакции окисления.

( a ) График Найквиста EIS, выполненный при потенциале 0 В в диапазоне частот от 0,01 Гц до 100 кГц с амплитудой переменного тока 10 мВ электролитов, содержащих 0-50 об.% Этанола, ( b ) График Найквиста EIS и моделирование с использованием модели эквивалентной схемы для электролитов, содержащих 0, 5 и 10% об. / Об. Этанола.

Кроме того, графики Найквиста для электролитов, содержащих 0, 5 и 10% об. / Об. Этанола, были смоделированы с помощью модели электрической эквивалентной схемы, как показано на рис.6б. Модель включает в себя резистор R _s , элемент постоянной фазы CPE, сопротивление переносу заряда R _ct и сопротивление Варбурга Вт . Во всех случаях формы графиков Найквиста были схожими, что указывает на отсутствие различий в механизме растворения цинка, и процесс является контролируемым переносом заряда. Модель включает в себя емкость двойного слоя C _dl размещается параллельно сопротивлению переноса заряда R _ct с небольшой наклонной линией на низких частотах, связанных с импедансом Варбурга, связанным с диффузией растворимые ионы в объеме электролита.{n-1} $$

(10)

Параметры используемой эквивалентной схемы показаны в таблице 2. R _s представляет сопротивление раствора, которое увеличивается с добавлением этанола из-за более низкой полярности этанола по сравнению с водой. Диаметр полукруга увеличивается примерно на 0 об.% Этанола ≥ 10 об.% Этанола ≥ 5 об.% Этанола. Меньшие R _ct наблюдаются для 5% об. Этанола по сравнению с другими.Этаноловый электролит с 0% об. / Об. Показал уменьшение емкости двойного слоя ( C _дл ) и увеличение сопротивления переносу заряда ( R _ct ) на границе раздела электрод / электролит. . Емкость двойного слоя зависит от различных параметров, таких как концентрация ионов, потенциал электрода, типы ионов, температура, шероховатость электрода, оксидные слои, адсорбция примесей и т. Д. C _дл электролитов, содержащих этанол, ниже, чем этанольный электролит с 0% об. / об.Увеличение C _дл может быть результатом специфической адсорбции этанола и ионов этоксида на поверхности цинка.

Проточные батареи изготовлены с использованием анода из гранул цинка. Скорость потока электролитов была установлена ​​на уровне циркуляции 20 мл / мин. Поляризационные характеристики аккумуляторов с электролитами, содержащими этанол 0%, 5% и 10% об. / Об., Показаны на рис.7а. Кроме того, соотношение между мощностью разряда и током разряда батарей также показано на рис. 7a. Характеристика поляризации для каждого случая была аналогичной, что указывало на то, что происходили одни и те же химические реакции и явления. Как правило, желателен высокий потенциал разряда при высоком токе разряда. Тем не менее, во всех случаях было обнаружено линейное падение потенциала с увеличением тока разряда, что указывает на то, что омические потери преобладали в характеристиках элемента. Добавление этанола показало отрицательное влияние на поляризационные характеристики батарей, продемонстрировав относительно большее падение потенциала.

Характеристики цинково-воздушных проточных батарей со скоростью циркуляции электролита 20 мл / с: ( a ) поляризационные характеристики и ( b ) профили гальваностатического разряда батарей с использованием значений 0, 5, и 10% об. этанола.

Рабочие характеристики аккумуляторов дополнительно исследуются при постоянной плотности тока разряда 25 мА / см. ² . На рис. 7б представлены профили гальваностатического разряда аккумуляторов. Во всех случаях профили разряда были аналогичны типичным профилям разряда для воздушно-цинковых батарей с использованием пористого цинкового анода ⁴⁰ или компактного анода из цинковой пластины ⁴¹ .Этанол оказывает существенное влияние на профиль разряда. Хотя этанольные электролиты с 5% и 10% об. / Об. Показали относительно более низкий потенциал разряда, период разряда намного больше, что подтверждает положительное влияние этанола на характеристики разряда. Аккумулятор с этанольным электролитом 0% об. / Об. Показал самую низкую удельную емкость 360 мАч / г (494 мВтч / г) при напряжении отсечки 0,8 В. При добавлении 5% об. Этанола батареи показали 450 мАч. / г и 548 мВтч / г (повышение удельной мощности на 25% и повышение удельной энергии на 11%).Для сравнения, батарея с 10% об. Этаноловым электролитом показала 470 мАч / г и 576 мВтч / г (улучшение удельной емкости на 30% и улучшение удельной энергии на 16%). Батареи с электролитами, содержащими этанол, показали значительно более высокую разрядную емкость и энергию по сравнению с батареей без этанола.

Как работают аккумуляторы? | Живая наука

Батарейки везде. Современный мир зависит от этих портативных источников энергии, которые можно найти во всем: от мобильных устройств до слуховых аппаратов и автомобилей.

Но, несмотря на то, что они широко используются в повседневной жизни людей, батареям часто не уделяют должного внимания. Подумайте об этом: вы действительно знаете, как работает аккумулятор? Не могли бы вы объяснить это кому-нибудь другому?

Вот краткое изложение научных данных об источниках энергии для смартфонов, электромобилей, кардиостимуляторов и многого другого. [Тест: электрические и газовые автомобили]

Анатомия аккумулятора

Большинство аккумуляторов состоят из трех основных частей: электродов, электролита и сепаратора, по словам Энн Мари Састри, соучредителя и генерального директора Sakti3, базирующейся в Мичигане. запуск аккумуляторных технологий.

В каждой батарее по два электрода. Оба изготовлены из токопроводящих материалов, но выполняют разные функции. Один электрод, известный как катод, подключается к положительному концу батареи и является местом, где электрический ток выходит (или электроны входят) в батарею во время разряда, когда батарея используется для питания чего-либо. Другой электрод, известный как анод, подключается к отрицательному полюсу батареи и является местом, где электрический ток входит (или электроны покидают) батарею во время разряда.

Между этими электродами, а также внутри них находится электролит. Это жидкое или гелеобразное вещество, содержащее электрически заряженные частицы или ионы. Ионы соединяются с материалами, из которых состоят электроды, производя химические реакции, которые позволяют батарее генерировать электрический ток. [Взгляд изнутри на работу батарей (инфографика)]

Последняя часть батареи, разделитель, довольно проста.Роль сепаратора состоит в том, чтобы удерживать анод и катод отдельно друг от друга внутри батареи. По словам Састри, без разделителя два электрода соприкоснутся, что приведет к короткому замыканию и нарушит нормальную работу батареи.

Как это работает

Чтобы представить себе, как работает батарейка, представьте, как вы вставляете щелочные батарейки, такие как двойные AA, в фонарик. Когда вы вставляете эти батарейки в фонарик, а затем включаете его, на самом деле вы замыкаете цепь.Сохраненная в батарее химическая энергия преобразуется в электрическую, которая выходит из батареи в основание лампы фонарика, заставляя ее загораться. Затем электрический ток снова входит в батарею, но на противоположном конце от того места, где он выходил изначально.

Все части батареи работают вместе, чтобы фонарик загорелся. Электроды в батарее содержат атомы определенных проводящих материалов. Например, в щелочной батарее анод обычно изготавливается из цинка, а диоксид марганца действует как катод.Электролит между этими электродами и внутри них содержит ионы. Когда эти ионы встречаются с атомами электродов, между ионами и атомами электродов происходят определенные электрохимические реакции.

Серия химических реакций, протекающих в электродах, вместе известна как окислительно-восстановительные (окислительно-восстановительные) реакции. В батарее катод известен как окислитель, потому что он принимает электроны от анода. Анод известен как восстановитель, потому что он теряет электроны.

В конечном итоге эти реакции приводят к потоку ионов между анодом и катодом, а также к освобождению электронов от атомов электрода, — сказал Састри.

Эти свободные электроны собираются внутри анода (нижняя плоская часть щелочной батареи). В результате два электрода имеют разные заряды: анод становится отрицательно заряженным, когда высвобождаются электроны, а катод становится положительно заряженным, поскольку электроны (которые заряжены отрицательно) поглощаются.Эта разница в заряде заставляет электроны двигаться к положительно заряженному катоду. Однако у них нет возможности попасть внутрь батареи, потому что разделитель не позволяет им сделать это.

Когда вы щелкаете выключателем на фонарике, все меняется. У электронов теперь есть путь к катоду. Но сначала они должны пройти через основание лампы фонарика. Схема замыкается, когда электрический ток снова входит в батарею через верхнюю часть батареи у катода.

Перезаряжаемые и неперезаряжаемые

Для первичных батарей, например, в фонарике, реакции, питающие батарею, в конечном итоге прекратятся, а это означает, что электроны, которые обеспечивают батарею ее зарядом, больше не будут создавать электрический ток. Когда это происходит, аккумулятор разряжен или «мертв», — сказал Састри.

Вы должны выбросить такие батареи, потому что электрохимические процессы, которые заставили батарею производить энергию, не могут быть обращены вспять, объяснил Састри.Однако электрохимические процессы, происходящие во вторичных или перезаряжаемых батареях, можно обратить вспять, подав в батарею электрическую энергию. Например, это происходит, когда вы подключаете аккумулятор мобильного телефона к зарядному устройству, подключенному к источнику питания.

Некоторые из наиболее распространенных используемых сегодня вторичных батарей — это литий-ионные (литий-ионные) батареи, от которых питается большинство бытовых электронных устройств. Эти батареи обычно содержат угольный анод, катод из диоксида лития-кобальта и электролит, содержащий соль лития в органическом растворителе.Другие перезаряжаемые батареи включают никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH) батареи, которые можно использовать в таких вещах, как электромобили и беспроводные электроинструменты. Свинцово-кислотные (Pb-кислотные) батареи обычно используются в автомобилях и других транспортных средствах для запуска, освещения и зажигания.

Все эти аккумуляторные батареи работают по одному и тому же принципу, сказал Састри: когда вы подключаете батарею к источнику питания, поток электронов меняет направление, и анод и катод возвращаются в исходное состояние.[10 лучших подрывных технологий]

Battery lingo

Хотя все батареи работают более или менее одинаково, разные типы батарей имеют разные характеристики. Вот несколько терминов, которые часто встречаются при любом обсуждении батарей:

Напряжение : Когда дело доходит до батарей, напряжение — также известное как номинальное напряжение ячейки — описывает величину электрической силы или давления, при которой свободные электроны — переходите от положительного полюса батареи к отрицательному, — пояснил Састри.В батареях с более низким напряжением ток выходит из батареи медленнее (с меньшей электрической силой), чем в батареях с более высоким напряжением (с большей электрической силой). Батареи в фонарике обычно имеют напряжение 1,5 В. Однако, если фонарик использует две батареи последовательно, эти батареи или элементы имеют общее напряжение 3 вольта.

Свинцово-кислотные батареи, подобные тем, которые используются в большинстве неэлектрических автомобилей, обычно имеют напряжение 2,0 вольт. Но обычно в автомобильном аккумуляторе последовательно соединено шесть таких элементов, поэтому вы, вероятно, слышали, что такие аккумуляторы называются 12-вольтовыми батареями.

Литий-кобальто-оксидные батареи — наиболее распространенный тип литий-ионных аккумуляторов в бытовой электронике — имеют номинальное напряжение около 3,7 вольт, сказал Састри.

Ампер : Ампер или ампер — это мера электрического тока или количества электронов, которые проходят через цепь в течение определенного периода времени.

Емкость : Емкость, или емкость элемента, измеряется в ампер-часах, то есть количество часов, в течение которых батарея может подавать определенное количество электрического тока, прежде чем ее напряжение упадет ниже определенного порога, согласно сообщению Райса. Кафедра электротехники и вычислительной техники университета.

9-вольтовая щелочная батарея, используемая в портативных радиоприемниках, рассчитана на 1 ампер-час, что означает, что эта батарея может непрерывно обеспечивать один ампер тока в течение 1 часа, прежде чем она достигнет порогового значения напряжения и будет считаться разряженной.

Плотность мощности : Плотность мощности описывает количество энергии, которое батарея может выдать на единицу веса, сказал Састри. По словам Састри, для электромобилей важна плотность мощности, потому что она показывает, насколько быстро автомобиль может разогнаться от 0 до 60 миль в час (97 км / ч).Инженеры постоянно пытаются найти способы уменьшить размеры батарей без уменьшения их удельной мощности.