Какая плотность у аккумулятора: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Posted on by alexxlab
Posted in Аккумулятор

Содержание

как измерить ее в батарее, почему она бывает высокой

Практически каждый автомобилист знает, насколько важно держать аккумуляторную батарею своего автомобиля в порядке. От ее состояния зависит не только возможность пуска двигателя, но и нормальная работа всего электрооборудования машины. К сожалению, далеко не всем известно, что исправность и «боеготовность» батареи зависит не только от своевременной и качественной ее зарядки, но и от нормальной плотности электролита в аккумуляторе.

Устройство и принцип работы АКБ

Для того чтобы качественно провести обслуживание аккумулятора и обеспечить правильную его работу, необходимо хотя бы приблизительно представлять, что у него внутри и как все это работает. Поэтому, прежде чем перейти к вопросам об электролите, необходимо понять, как устроен автомобильный аккумулятор и по какому принципу он работает.

Конструкция батареи

Практически все свинцово–кислотные батареи имеют одинаковую конструкцию. Состоят они из отдельных секций (банок), каждая из которых имеет набор положительных и отрицательных пластин. Первые называются катодными и выполнены из металлического свинца. Вторые, анодные, сделаны из диоксида свинца. Пластины собраны в пакет и помещены в кислотостойкую емкость, в которую впоследствии заливается рабочая жидкость – водный раствор серной кислоты или так называемый электролит.

Устройство секции свинцово-кислотного аккумулятора:

  • 1 – крышка банки;
  • 2 – корпус банки;
  • 3 – ребристый отстойник;
  • 4 – пластины, собранные в пакет;
  • 5 – отрицательный (анодный) вывод;
  • 6 – отрицательный (анодные) пластины;
  • 7 – диэлектрическая прокладка – сепаратор;
  • 8 – положительный (катодный) вывод;
  • 9 – положительные (катодные) пластины.

Готовые секции, соединенные последовательно, и являются аккумуляторной батареей. В шестивольтовых АКБ таких секций три, в 12-ти вольтовых – шесть.

Как это работает

Итак, конструкция АКБ достаточно проста, но каким образом на ее выводах появляется напряжение? Действительно, если взять батарею прямо из магазина и подключить к ней вольтметр, то прибор покажет «0». Отсутствие тока обусловлено тем, что электролит не заливается в батарею сразу после изготовления, и в стоящем на магазинной полке аккумуляторе пластины сухие. Рабочая жидкость заливается в АКБ уже после покупки.

Самое время выяснить, для чего нужен электролит. Поскольку положительные и отрицательные пластины имеют различный химический состав, между ними, погруженными в кислотный раствор, возникает разность потенциалов (примерно 2 В на секцию, чем и обусловлено количество секций в батарее). При подключении к клеммам АКБ нагрузки между пластинами, благодаря высокой электропроводности электролита, начинает течь ток. Одновременно начинается химический процесс преобразования диоксида свинца в сульфат свинца с участием серной кислоты. Как только количество диоксида и серной кислоты упадет до определенного уровня, процесс прекратится, и батарея перестанет вырабатывать ток – разрядится.

В процессе разрядки серная кислота и диоксид свинца расходуются на образование сульфата свинца

Но аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов (батареек), могут восстанавливать свои химические свойства. Если подключить АКБ к источнику постоянного тока, то под его действием сульфат начнет разлагаться на диоксид свинца и серную кислоту. Батарея начнет заряжаться, преобразуя электрическую энергию в химическую. Как только количество диоксида и кислоты достигнет исходных величин, батарею можно считать заряженной.

Химические процессы, возникающие в батарее при ее разрядке и зарядке

Серная кислота, входящая в состав электролита, играет одну из основных ролей в работе АКБ. Именно от ее свойств будет зависеть качественная и долговременная работа батареи в целом.

Понятие плотности электролита

Вполне понятно, что количество серной кислоты и диоксида свинца в батарее должно быть сбалансированным – ведь они расходуются вместе. Поскольку количество диоксида свинца определяется производителем, автомобилисту после покупки аккумулятора остается лишь заправить АКБ необходимым количеством кислоты. Емкость секций батареи тоже фиксирована, поэтому в нее больше нормы не зальешь.

Остается единственный вариант – разбавить кислоту нейтральной к свинцу жидкостью, что и делается. Разбавляется кислота обычной водой, но дистиллированной, чтобы соли, содержащиеся в обычной воде, не нарушили чистоту раствора и не вывели АКБ из строя. Обычно автолюбитель покупает уже готовый электролит нужной плотности в автомагазине, хотя приготовить его можно и самостоятельно.

Процентное отношение воды к кислоте в полностью заряженном аккумуляторе составляет 70/30. Но при составлении электролита и его измерениях намного удобнее пользоваться единицами плотности – г/см. куб. или кг/м. куб. Удельный вес воды и кислоты различен, а значит, по общей плотности раствора можно судить о процентном соотношении его составляющих – концентрации.

Оптимальная концентрация кислоты

Пониженная концентрация, как правило, приводит к ускоренной сульфатации пластин – образованию на них нерастворимого сульфата свинца, который уже не может разложиться на кислоту и диоксид. В результате емкость батареи катастрофически падает, КПД уменьшается, а внутреннее сопротивление увеличивается (сульфат – диэлектрик).

Даже полностью заряженная, но сульфатированная батарея, выдающая, казалось бы, нормальное напряжение, садится после первого пуска, а то и вообще не в состоянии провернуть стартер. Кроме того, электролит с низкой плотностью замерзает при более высоких температурах, а значит, на стоянке даже при легком морозе батарею попросту разорвет льдом.

Чрезмерно высокая плотность электролита в аккумуляторной батарее не менее опасна, поскольку излишняя кислотность сокращает ресурс батареи в разы, буквально съедая пластины. Конечно, аккумулятор, залитый одной кислотой, будет крутить «как зверь», но сколько проживет такая АКБ? Сутки, может неделю. Если повезет – месяц.

А теперь пора вернуться к оптимальной плотности. В сети можно увидеть множество таблиц «рекомендованной» плотности, в зависимости от климатических условий. Если тепло – пониже, если мороз – повыше. Чем грозят эти «повыше» и «пониже», было описано в предыдущих абзацах. Поэтому не стоит изобретать велосипед, поскольку все эксперименты уже провели производители АКБ, а рекомендованная плотность приводится в сопроводительной документации.

С новым, сухим (сухозаряженным) аккумулятором все просто – в него заливается электролит комнатной температуры с плотностью 1.28 г/см. куб. Через час концентрация упадет до 1.26 – 1.27 г/см. куб., и батарея готова к работе. Далее, в процессе заряда/разряда аккумулятора и в зависимости от температуры окружающей среды, плотность раствора будет все время колебаться. Больше разряд – ниже плотность, идет заряд – плотность повышается. В нормально функционирующей АКБ отношение плотности к степени заряда и напряжению на клеммах выражается следующими показателями:

  • 1.265 кг/м. куб. — 12.6 … 12.7 В — полностью заряжена;
  • 1.225 кг/м. куб. — 12.3 … 12.4 В — 75%;
  • 1.190 кг/м. куб. — 12.0 … 12.1 В — 50%;
  • 1.115 кг/м. куб. — 11.8 … 11.9 В — 25%;
  • 1.120 кг/м. куб. — 11.6 … 11.7 В — разряжена;
  • ниже 1.120 кг/м. куб. — ниже 11.6 В — глубокий разряд.

Стоит обратить внимание на то, что все параметры батареи, включая плотность и напряжение, сильно зависят от температуры. Поэтому значения справедливы только при 26.7 градусах Цельсия. Если нужно провести измерения при другой температуре окружающей среды, то дополнительно придется воспользоваться таблицей плотности электролита от температуры, которую несложно найти в сети.

Выяснив зависимость плотности от выходного напряжения батареи, а значит, и от степени ее заряда, контролировать концентрацию электролита несложно. Достаточно замерить напряжение на клеммах отключенного аккумулятора любым вольтметром, затем измерить плотность и проверить их соответствие.

Проверка плотности рабочей жидкости

Для измерения плотности жидкостей существуют специальные приборы – ареометры или плотномеры. Есть такой и для автомобильных аккумуляторов. Выполнен он в виде большого шприца, внутри которого расположен поплавок со специально отградуированной шкалой.

Поплавок автоареометра комплектуется специальным «шприцем» для работы в узкогорлых секциях аккумуляторов.

Для того чтобы измерить плотность в аккумуляторе, со всех его секций сворачиваются пробки. Далее грушу ареометра сжимают, а его иглу погружают в секцию. Отпустив грушу, набирают в шприц электролит. При этом поплавок прибора всплывает. Плотность жидкости считывают со шкалы по тому уровню, до которого всплыл поплавок.

Поплавок всплыл до уровня 1.200. Плотность электролита – 1.2 г/см. куб.

После измерения грушу вновь сжимают, а после слива электролита обратно в батарею ареометр промывают проточной водой и сушат. Не следует забывать, что каждая секция – отдельная, независимая часть АКБ, поэтому плотность нужно измерить в каждой.

Когда и чем доливают аккумулятор

Необходимость доливки рабочей жидкости в батарею возникает нечасто, но она бывает необходимв. Что, сколько и в каких случаях нужно доливать? Всего таких случаев два: низкий уровень электролита и ненормальная кислотность рабочей жидкости.

Низкий уровень в секциях

Эта ситуация возникает часто, поскольку в процессе работы батареи вода испаряется или, как принято говорить, выкипает. При этом уровень раствора в секциях уменьшается, и края пластин оказываются сухими. Определить это можно визуально, просто свинтив пробки с секций и заглянув в заливные горловины. Нормальный уровень жидкости в секции должен быть примерно на 1 см выше уровня среза пластин. В некоторых АКБ даже имеется специальная метка, отштампованная на корпусе. Если уровень низкий, то ситуация хоть и серьезна, но устранить ее легко. Для этой операции понадобятся:

  • медицинский шприц без иглы или автомобильный ареометр;
  • дистиллированная вода;
  • средства защиты (очки и резиновые перчатки).

Дистиллированная вода набирается в шприц и заливается в соответствующие секции, до нужного уровня. После доливки жидкости в аккумулятор его ставят на зарядку. В этом плане автоареометр намного предпочтительней, поскольку, долив воду, тут же можно проконтролировать плотность раствора.

Следует соблюдать осторожность: нельзя работать с кислотой, если глаза не защищены.

Ненормальная кислотность

Если изначально батарея была заправлена как положено, то чрезмерно большая плотность электролита в аккумуляторе может появиться только в случае, если выкипела вода или измерения проводились при сильном морозе (с понижением температуры плотность повышается, и это нормально). В первом случае достаточно просто долить воду, во втором – произвести перерасчет или, что проще и правильнее, заняться измерениями в отапливаемом помещении.

А вот падение концентрации кислоты – ситуация реальная. Обычно это происходит из-за неправильной эксплуатации АКБ или ввиду ее «преклонного возраста». Причина – появление нерастворимого сульфата, который при своем образовании использовал кислоту, но уже не разлагается при зарядке, а значит, вернуть ее обратно в раствор не может. Ситуация не особо радостная, но восстановить плотность необходимо хотя бы для того, чтобы дотянуть до покупки новой батареи.

Прежде чем принять решение о доливке кислоты, необходимо еще раз убедиться в том, что плотность действительно ниже положенной при текущем состоянии АКБ. Если решение принято, то понадобятся ареометр, перчатки, очки и корректирующий электролит плотностью 1.35 — 1.40 г/см. куб. (в продаже есть и такой).

Корректирующий электролит для доливки в автомобильный аккумулятор

В крайнем случае подойдет и стандартный 1.28 г/см. куб., но, возможно, придется отобрать лишнюю жидкость из секции в отдельную емкость, чтобы освободить место для более «крепкого».

Методика доливки та же, что и воды, но при этом плотность в банке постоянно контролируется тем же ареометром.

Категорически запрещается поднимать концентрацию раствора доливкой чистой серной кислоты. Во-первых, это очень опасно, во-вторых, даже нескольких грамм концентрированной кислоты достаточно, чтобы кардинально изменить плотность раствора в секции, а значит, выставить нужную плотность пол-литровым ареометром исключительно сложно.

Чем измеряют плотность электролита аккумулятора

Измерение плотности электролита в сочетании с измерением напряжения под нагрузкой и без позволяет быстро установить причину неисправности в аккумуляторной батарее. При низкой плотности — это может быть дефект в какой-либо ячейке, глубокий разряд или обрыв цепи внутри АКБ. Плотность измеряется специальным прибором — ареометром (денсиметром).

В качестве электролита в аккумуляторных батареях применяют раствор серной кислоты, плотность которого измеряется в г/см3. В основном плотность зависит от концентрации раствора серной кислоты — чем больше концентрация раствора, тем больше плотность. Однако, она также зависит и от температуры раствора и от степени заряженности аккумулятора — при разрядке часть серной кислоты «уходит» в пластины, плотность снижается.

Поэтому измерение плотности принято проводить при 25 °С и полностью заряженном аккумуляторе. Плотность электролита в новой полностью заряженной батарее должна составлять 1.28±0.01 г/см3 для Средней полосы. Но может варьироваться в зависимости от климатической зоны.

Линейно снижаясь, по мере разряда АКБ, она составляет 1.20±0.01 г/см3 у батарей, степень заряженности которых снизилась до 50%. У полностью разряженной батареи плотность электролита составляет 1.10±0.01 г/см3.

Если значение плотности во всех банках аккумулятора одинаково (±0.01 г/см3), это говорит о степени заряженности батареи и отсутствии внутренних замыканий. При наличии внутреннего короткого замыкания плотность электролита в дефектной ячейке будет значительно ниже (на 0.10-0.15 г/см3), чем в остальных.
Низкая плотность в одной из ячеек указывает на наличие дефекта в ней (короткое замыкание между пластинами в блоке). Одинаково низкая плотность во всех ячейках связана с глубоким разрядом всей батареи, ее сульфатацией или устареванием.
Все заливаемые аккумуляторные батареи во время заряда и работы теряют часть воды. При этом снижается уровень жидкости над пластинами и увеличивается концентрация кислоты в электролите. Работа аккумулятора с низким уровнем электролита отрицательно влияет на ресурс батареи. Поэтому перед проверкой плотности электролита необходимо проверить его уровень в банках аккумулятора. Принято считать нормальным уровень электролита на 10-15 мм выше верхней кромки пластин (сепараторов).

Существует три основных вида аккумуляторных батарей:

Малосурьмянистые (Sb/Sb) — это обычная «классическая» свинцовая батарея с добавками в пластины сурьмы, они подвержены наибольшему саморазряду и выкипанию воды из раствора электролита, но не боятся глубоких разрядов, их легко зарядить даже при низкой плотности электролита.
Кальциевые (Ca/Ca) — пластины легированы кальцием, они практически не требуют слежения за уровнем и плотностью электролита, виброустойчивы, застрахованы от длительного перезаряда до 14.8 В, терпят перепады напряжения в бортовой сети, обладают коррозионной стойкостью, имеют низкий саморазряд, больший срок службы. Однако, имеют один недостаток — они неустойчивы к глубоким разрядам. Дело в том, что при длительной глубокой разрядке их положительные пластины покрываются сульфатом кальция, блокирующим электрохимические реакции. Этот процесс, в отличие от образования сульфата свинца в малосурьмянистых батареях, необратим. Если разрядить кальциевую батарею ниже 11.5 В, то она уже не восстановит изначальную емкость, при разряде ниже 10.8 В потеряет до 50% своей емкости. Два-три таких разряда – и аккумулятор придется выбрасывать. Также, в связи с тем, что пластины в таких батареях упакованы в плотные пакеты, плотность электролита неравномерна — более тяжелая серная кислота скапливается внизу банок, а поверх пластин оказывается более «легкий» электролит. Из-за этого ареометр будет показывать неадекватно низкую плотность при нормальной заряженности.
Такие батареи хорошо подходят тем, кто ездит много на большие расстояния, кому нужны виброустойчивые аккумуляторы, хорошо переносящие постоянные перезаряды в пути.
Гибридные (Sb/Ca) — являются золотой серединой. Они довольно стойки к глубоким разрядам, при этом значительно меньше подвержены выкипанию и саморазряду по сравнению с малосурьмянистыми.

На примере кальциевой батареи емкостью 60 А·ч, попробуем выяснить плотность электролита и ее исправность. Для начала, проверим напряжение на клеммах аккумулятора мультиметром, чтобы выяснить степень ее заряженности. Такая проверка проводится через 6-8 часов после выключения двигателя или отключения зарядного устройства. В нашем случае машина простояла около 4-х дней под сигнализацией — напряжение составляет 12 В, что говорит нам о том, что батарея почти полностью разряжена.

Теперь проверим выборочно плотность электролита в двух банках — она составляет 1.23 г/см3 при температуре окружающего воздуха 0°С, поэтому внесем поправку в показания ареометра, приведя их к 25°С: 1.23-0.02=1.21 г/см3 — это также говорит нам о том, что аккумулятор требует срочной подзарядки.

Снимаем аккумулятор и переносим в теплое помещение для подзарядки.

Для кальциевых батарей губительны старые «дедовские» методы зарядки, используемые для малосурмянистых АКБ с контрольно-тренировочным циклом заряда/разряда и «кипячением», а также малоэффективны некоторые автоматические зарядные устройства.
В наши дни в большинстве таких устройств используется комбинированный метод зарядки, когда в процессе зарядки сила тока снижается со временем, а напряжение, наоборот, повышается. Это объясняется тем, что ЭДС аккумуляторной батареи направлена именно на напряжение, соответственно при его повышении нужно повышать и напряжение. А вот сила тока уменьшается из-за все увеличивающегося сопротивления батареи.
Для современных батарей рекомендуется установочный заряд током в 10% от номинальной ёмкости напряжением 14.4 В и продолжительность зарядки не менее суток. Однако, допустимо кратковременное повышение напряжения до 16.5 В в конце цикла зарядки.
Батарея считается полностью заряженной, когда ток и напряжение при заряде сохраняются без изменения в течение 1-2 часов. Ток должен упасть практически до нуля, а входящее напряжение может повысится до 16,5 В, в зависимости от устройства.
Если вы часто заводите двигатель, двигаетесь на небольшие расстояния, и автомобиль долго простаивает без движения, то для такой батареи необходима ежемесячная плановая зарядка аккумулятора специализированным зарядным устройством, подходящим именно для кальциевых батарей.

После того, как электролит прогрелся до 20-25°С еще раз замерим напряжение и плотность. Теперь мультиметр показывает напряжение 12.45 В, а плотность в банках от 1.22 до 1.24 г/см3, что все равно указывает на недозаряд батареи.

Анализ электролита из аккумулятора и замер его плотности помогает владельцу автомобиля судить о его химическом состоянии. Плотность кислотосодержащей жидкости внутри банок АКБ зависит от очень многих факторов, поэтому важно уметь правильно определять значение этого параметра в зависимости от условий эксплуатации автомобиля.

Что такое плотность электролита

Плотностью любого физического тела или жидкости считается, как отношение массы вещества к занимаемому объёму. Этот параметр для жидкости, заливаемый в банки свинцового аккумулятора, выражается в граммах на кубический сантиметр.

Определить плотность вещества визуально не представляется возможным поэтому для измерения этого параметра используют специальное устройство.

Чем можно померить плотность электролита

Замерить концентрацию электролита можно с помощью медицинского шприца объёмом 10 см3 и точных цифровых весов. Работа выполняется следующим образом:

  1. Пустой шприц без иглы кладётся на весы и показания измерительного прибора записываются в блокнот.
  2. На шприц одевается тонкая резиновая трубка, которая опускается в одну из банок аккумулятора.
  3. В шприц набирается ровно 10 мл кислотосодержащей жидкости.
  4. Шприц, без резиновой трубки, кладётся на весы и результат измерения снова записывается.
  5. Производятся несложные арифметические вычисления:
  6. Из массы шприца с электролитом вычитается масса пустого медицинского изделия.
  7. Получившееся значение делится на 10.

В результате получится точное значение плотности в одной банке. Таким образом нужно измерить этот показатель во всех банках.

Каждый раз осуществлять измерение таким образом невыгодно ни по затраченному времени, ни по удобству выполнения процедуры. Намного удобнее и проще произвести измерение плотности кислотосодержащей жидкости аккумулятора с помощью ареометра.

Он состоит из специальной колбы с находящимся внутри поплавком. Внутренняя деталь поплавка имеет свинцовую огрузку поэтому при закачивании в ёмкость жидкости, эта деталь устанавливается строго в вертикальном положении. На поверхности поплавка имеется градуированная шкала, по которой можно узнать точное значение плотности электролита аккумулятора.

Почему может повыситься или понизиться плотность электролита

Изменение концентрации электролита может произойти по следующим причинам:

  1. При изменении уровня заряженности батареи (прямая корреляция).
  2. При негерметичном корпусе аккумулятора. Если в нем есть трещины или пробки плохо прикручены, то будет уходить жидкость и при доливке дистиллированной воды плотность будет снижаться.
  3. Добавление электролита вместо дистиллированной воды, при испарении жидкости в летнее время (увеличение плотности).
  4. Неправильно приготовленный электролит. Наиболее часто такая ситуация может возникнуть при самостоятельном добавлении кислоты в воду.
  5. Интенсивное испарение воды из банок в летний период.

Как правило, установить причину изменения концентрации электролита в домашних условиях не составляет большого труда, но чтобы правильно определить величину такого отклонения, необходимо знать, какое значение является эталонным.

Какая плотность электролита в аккумуляторе должна быть

Технические требования по плотности электролита могут существенно отличаться для кислотных аккумуляторов, эксплуатируемых в различных климатических условиях.

Какая должна быть плотность электролита зимой

Необходимость в поддержании концентрации серной кислоты в электролите на более высоком уровне обусловлено опасностью замерзания жидкости при низких температурах воздуха. Полностью заряженный аккумулятор должен обладать плотностью смеси 1,27 – 1,28 г/см3. Тогда он легко переносит морозы до минус 70 градусов.

При падении плотности до 1,20 г/см3 жидкость гарантированно превратиться в лёд уже при температуре минус 30 градусов. В результате кристаллизации, жидкость значительно увеличивается в объёме, поэтому при эксплуатации машины в зимний период необходимо тщательно следить за тем, чтобы аккумулятор был полностью заряжен.

Невыполнение этого требования приведёт к разрушению внутренних пластин устройства, что станет причиной полной неработоспособности аккумуляторной батареи.

Плотность
электролита (г/см3)		Степень
заряженности (%)		Замерзание
электролита (С)
1,27100-60
1,2694-55
1,2587,5-50
1,2481-46
1,2375-42
1,2269-37
1,2162,5-32
1,256-27
1,1950-24
1,1844-18
1,1737,5-16
1,1631-14
1,1525-13
1,1419-11
1,1312,56-9
1,126-8
1,110,0-7

Какая должна быть плотность электролита летом

Летом исключается вероятность образования льда внутри банок аккумулятора, но в обслуживаемых аккумуляторных батареях плотность может произвольно повышаться за счёт испарения воды.

Эксплуатация АКБ с повышенной концентрацией электролита приводит к существенному снижению эксплуатационного срока батареи, вследствие более агрессивного воздействия кислотосодержащей жидкости на сепараторы.

Чтобы избежать подобных негативных последствий, в обслуживаемых моделях, следует производить регулярный контроль уровня электролита в летний период и при необходимости разбавлять смесь дистиллированной водой.

Как проверить плотность аккумулятора

Если плотность электролита необходимо замерять регулярно, то без ареометра не обойтись. Осуществляется процедура замера следующим образом:

  1. Выкручиваются пробки аккумуляторной батареи.
  2. Узкая часть вводится в банку.
  3. Груша, находящаяся в верхней части прибора, сжимается. Затем необходимо отпустить резиновую верхнюю часть, чтобы образовавшееся отрицательное давление способствовало наполнению резервуара измерительного прибора кислотосодержащей жидкостью.

Определяется концентрация электролита по его уровню на градуированной шкале поплавка. Таким несложным методом производится измерение в каждой банке аккумуляторной батареи.

Как измерить плотность в необслуживаемом аккумуляторе

Необслуживаемые аккумуляторы не имеют в своей конструкции закрываемых технологических отверстий. Это означает, что производителем не была предусмотрена возможность самостоятельного измерения плотности электролита в течение всего срока службы АКБ.

Для умельцев такая особенность конструкции необслуживаемого аккумулятора не является непреодолимой преградой на пути улучшения состояния устройства, в работе которого наблюдаются значительные отклонения от нормы.

Они превращают необслуживаемую модель аккумулятора в обслуживаемую при помощи дрели, которым в середине каждой банки делаются отверстия значительные отверстия.

В отверстиях метчиком нарезается резьба, а для изготовления пробки используется пластиковый прут подходящего диметра, на котором с помощью плашки делается определённого диаметра и шага резьба.

Получившуюся пластиковую шпильку разрезают на 6 отрезков длинной по 3 – 4 см. Самодельные пробки вкручиваются в сделанные ранее отверстия и далее батарея эксплуатируется как обслуживаемая.

Есть другой популярные метод. С краю, в крышке просверливают 6 маленьких отверстий, через которые можно будет получить полноценный доступ к жидкости в каждой банке аккумулятора.

Замерив электролит таким образом, герметичность элемента питания можно восстановить при помощи силиконового герметика. Чтобы при проведении герметизации вещество не попало внутрь аккумулятора, рекомендуется с помощью самодельного проволочного крючка попытаться выпрямить часть пластмассы, которая была продавлена в процессе изготовления отверстия.

Внимание! При механическом повреждении корпуса аккумулятор слетает с гарантией, и в случае допущения ошибки она может выйти из строя. Мусор провалившийся в банки также может снизить продолжительность жизни батареи.

Как поднять плотность в аккумуляторе

Падает плотность электролита, обычно, при добавлении дистиллированной воды в аккумуляторную батарею, имеющую негерметичный корпус. В этом случае обычно наблюдается разная концентрация в банках.

Если плотность в аккумуляторе невозможно выровнять во всех банках до приемлемого значения зарядным устройством, то производят замещения части кислотосодержащей жидкости свежим заводским электролитом. Корректировка плотности электролита выполняется в такой последовательности:

  1. Из проблемной банки с помощью груши удаляется максимально возможное количество электролита.
  2. В банку заливается свежая кислотосодержащая смесь.

Если в результате подобных действий в банках не происходит достаточного увеличения плотности, то процедуру следует повторить.

Как понизить плотность АКБ

Работа аккумулятора с повышенной плотностью электролита может негативно отразиться на его работоспособности, поэтому при наличии в банке электролита, концентрация которого выше 1,28 проводят процедуру позволяющую снизить концентрацию серной кислоты.

Процесс понижения плотности производится таким же образом, как и при выполнении процедуры повышения концентрации раствора, но вместо электролита в аккумулятор добавляется дистиллированная вода. То есть, вначале из проблемной банки удаляется часть электролита, а затем объём восполняется химически чистой водой.

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

Аккумуляторная батарея – один из основных элементов автомобиля, отвечающих за пуск двигателя. Значение аккумулятора сложно переоценить, ведь без него невозможно завести мотор, а, значит, машина своим ходом передвигаться не сможет. Именно поэтому АКБ требует к себе особого внимания, исключающего возникновение неприятных ситуаций в виде невозможности совершить запланированную поездку. При этом стоит отметить, что для поддержания работоспособности это важного источника питания не требуется предпринимать каких-то сверхусилий, а достаточно выполнять лишь небольшой комплекс профилактических мер.

Свинцовая аккумуляторная батарея представляет собой гальванический элемент, внутри которого химическая энергия в результате протекающих реакций преобразуется в электрическую. Этот процесс невозможен без электролита – раствора кислоты, обеспечивающего движение заряженных частиц между погруженными в него электродами. Как правило, электролит представляет собой водный раствор серной кислоты определенной плотности. Именно такой параметр как плотность электролита оказывает значительное влияние на работоспособность аккумулятора, поэтому периодически его нужно контролировать.

Измерение плотности электролита в аккумуляторе

Измерить плотность залитого в свинцовый аккумулятор электролита не так уж сложно, однако есть определенные нюансы, связанные с особенностями устройства и принципом работы АКБ. Перечислим некоторые важные моменты, которые надо учесть:

  • Осуществить процедуру измерения плотности получится только в случае с так называемым обслуживаемым аккумулятором, который предоставляет доступ к банкам (секциям) с электролитом посредством закрытых крышками заливных отверстий. Как раз через эти отверстия (обычно их число равно шести, как и количество секций) и осуществляется забор состава для замера плотности.
  • В процессе своей работы автомобильная аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. Разряд происходит при прокручивании стартера, а заряд – при уже заведенном двигателе от генератора. В зависимости от степени заряженности меняется и плотность электролита. Значения могут колебаться в пределах 0.15-0.16 г/см 3 . Важно отметить, что автомобильный генератор не способен полностью зарядить аккумуляторную батарею. При штатной работе на машине потенциал АКБ используется только на 80-90%. Полный заряд может обеспечить только внешнее зарядное устройство, к которому обязательно придется прибегнуть перед осуществлением замера плотности электролита.
  • Плотность электролита зависит от его температуры. Обычно замер производится при температуре +25 °С, в противном случае делаются поправки.

Допустим, все вышеперечисленные условия приняты во внимание, и есть возможность приступить непосредственно к замеру плотности. Для этого понадобится специальный прибор – денсиметр, который состоит из ареометра, резиновой груши и стеклянной трубки с наконечником. Прибор вводится в банку аккумулятора через заливное отверстие, а затем осуществляется засасывание электролита с помощью резиновой груши. Оно происходит до тех пор, пока ареометр не всплывет. Показания считываются после того, как прекратятся колебания ареометра и появится возможность определения точного значения. Отсчет показаний производится по шкале, при этом взгляд должен находиться на уровне поверхности жидкости.

Полученное значение должно входить в диапазон 1.25-1.27 г/см 3 , если автомобиль эксплуатируется в средней полосе. В холодной климатической зоне (средняя месячная температура января ниже -15 °С) показатель должен находиться в интервале 1.27-1.29 г/см 3 . Проверять плотность электролита на соответствие этим числам нужно в каждой из шести банок аккумулятора. Показания не должны отличаться более чем на 0.01 г/см 3 , иначе потребуется их корректировка.

Как мы уже говорили, плотность электролита изменяется в зависимости от температуры. Это значит, что зимой и летом жидкость в одном и том же полностью исправном аккумуляторе будет иметь разную плотность. О том, насколько будут разниться показания, дает представление приведенная ниже таблица.

Температура электролита, °СПоправка к показанию денсиметра, г/см 3Температура электролита, °СПоправка к показанию денсиметра, г/см 3
-55…-41-0.05+5…+19-0.01
-40…-26-0.04+20…+30
-25…-11-0.03+31…+45+0.01
-10…+4-0.02+46…+60+0.02

Зависимость температуры замерзания электролита от его плотности демонстрирует еще одна таблица. На основе этих данных можно установить оптимальную плотность электролита для конкретных климатических условий. Нижняя граница подобранного интервала должна гарантировать, что электролит не замерзнет даже при самых сильных холодах и обеспечит требуемое для прокручивания стартера усилие. В то же время чрезмерно завышать плотность тоже нельзя, так как на положительных электродах аккумулятора начинают ускоряться коррозионные процессы, приводящие к сульфатации пластин.

Плотность электролита при 25 °С, г/см 3Температура замерзания, °СПлотность электролита при 25 °С, г/см 3Температура замерзания, °С
1.09-71.22-40
1.10-81.23-42
1.11-91.24-50
1.12-101.25-54
1.13-121.26-58
1.14-141.27-68
1.15-161.28-74
1.16-181.29-68
1.17-201.30-66
1.18-221.31-64
1.19-251.32-57
1.20-281.33-54
1.21-341.40-37

Причины изменения плотности электролита

Зафиксированные в результате измерения плотности значения не всегда соответствуют требуемым показателям. Расхождения могут касаться как отдельных банок аккумулятора, так и всех вместе. Если плотность завышена, то нужно обратить в первую очередь внимание на уровень электролита. Низкий уровень в большинстве случае является последствием электролиза, приводящего к разложению входящей в состав электролита воды на водород и кислород. Этот процесс выражается в появлении на поверхности жидкости пузырьков, что обычно происходит при зарядке аккумулятора. Частое «кипение» может приводить к снижению концентрации воды, и этот вопрос решается ее простым добавлением. Доливать в аккумулятор стоит только дистиллированную воду, контролируя при этом уровень электролита. Подробнее о корректировке плотности электролита поговорим ниже.

Если с повышенной плотностью все ясно, то с пониженной ситуация несколько сложнее. В теории, одной из причин понижения плотности, может быть то, что по какой-то причине в электролите уменьшилась доля серной кислоты. Однако на практике это маловероятно, так как сама по себе она обладает высокой температурой кипения, исключающей испарение даже при интенсивном нагреве, который происходит, например, при зарядке аккумуляторной батареи. Более распространенной причиной снижения плотности электролита является так называемая сульфатация пластин, заключающаяся в образовании на электродах сульфата свинца (PbSO4). На самом деле, это естественный процесс, происходящий при каждом разряде АКБ. Но дело в том, что при нормальном режиме работы после разряда аккумулятора обязательно происходит его заряд (на автомобиле аккумулятор постоянно подзаряжается от генератора). Заряд сопровождается обратным преобразованием сульфата свинца в свинец (на катоде) и двуокись свинца (на аноде) – в те активные вещества, которые составляют основу электродов и непосредственно участвуют в химическом процессе внутри аккумуляторной батареи. Если АКБ находится длительное время в разряженном состоянии, сульфат свинца кристаллизуется, безвозвратно теряя способность участвовать в химических реакциях. Это очень неприятный процесс, в результате которого аккумулятор уже не получится зарядить полностью даже при использовании внешнего зарядного устройства ввиду того, что не вся площадь пластин задействована в работе. Так как аккумулятор не заряжается до конца, то и плотность электролита не восстанавливается до своих исходных значений. По сути, здесь уже идет разговор об устранении нарушений в нормальном функционировании аккумулятора.

Частичную сульфатацию пластин можно устранить с помощью контрольно-тренировочных циклов, заключающихся в заряде и последующем разряде батареи до определенного уровня. Большинство современных зарядных устройств имеют такую функцию, поэтому имеет смысл ей воспользоваться, особенно если аккумулятор по какой-то причине долго находился в разряженном состоянии. Процедура десульфатации весьма длительная и может занять до нескольких дней. Если она не принесла результата, то крайней мерой является увеличение плотности с помощью добавления корректирующего электролита (плотность около 1.40 г/см 3 ). Такой способ можно рассматривать только как временное решение проблемы, потому что причина как таковая не устраняется.

Как поднять плотность электролита

Понизить или повысить плотность электролита в аккумуляторе можно путем откачивания его определенного количества, и долива взамен дистиллированной воды или электролита с повышенной плотностью (корректирующего). Данная процедура требует больших временных затрат, так как цикл откачки-долива может повторяться несколько раз, пока не будет достигнуто требуемое значение. После каждой корректировки необходимо поставить аккумулятор на зарядку (минимум на 30 минут), а затем дать ему постоять (0.5-2 часа). Эти действия необходимы для лучшего перемешивания электролита и выравнивания плотности в банках.

В процессе поднятия (или понижения) плотности электролита не стоит забывать и о контроле его уровня. Он осуществляется стеклянной трубкой с двумя отверстиями по краям. Один край погружается в электролит до тех пор, пока не упрется в предохранительную сетку. Далее верхний конец закрывается пальцем, а сама трубка осторожно поднимается вместе со столбиком жидкости внутри. Высота этого столбика указывает на расстояние от верхней кромки пластин до поверхности залитого электролита. Оно должно составлять 10-15 мм. Если аккумулятор имеет индикатор (тубус) или прозрачный корпус с нанесенными метками минимума и максимума, то контролировать уровень значительно проще.

Не стоит забывать, что все операции с электролитом необходимо выполнять осторожно, используя защитные перчатки и очки.

Какая плотность должна быть у автомобильного аккумулятора?

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

Какая плотность должна быть у аккумулятора 60 ампер?

В свинцовых аккумуляторах плотность измеряется в г/см3.
…
Как проверить плотность аккумулятора

Процент заряженностиПлотность электролита г/см³ (**)Напряжение аккумулятора В (***)
100%1,2812,7
80%1,24512,5
60%1,2112,3

Какой должен быть плотность аккумулятора?

Плотность полностью заряженной батареи составляет 1.27- 1.28 г/см3, напряжение — 12.5 В. О степени разряженности батареи судят по плотности электролита. Чем ниже плотность электролита, тем сильнее батарея разряжена.

Что делать при низкой плотности электролита?

Если плотность в аккумуляторе снижена до 1.18, тогда нужно доливать не электролит, а аккумуляторную кислоту. Плотность такой кислоты намного выше. В случаях, когда сразу поднять плотность не удалось, процесс повторяется до тех пор, пока не удается получить нужное значение.

Какая плотность в полностью разряженном аккумуляторе?

У полностью заряженной батареи она составляет 1,27 – 1,29 г/см3! После того как зарядка окончена, то идет разряд (допустим на пуски и прочие потребители), плотность может упасть до 1,18 г/см3 – это уже разряженный АКБ.

Какая должна быть плотность аккумулятора летом?

Лето В летний период аккумуляторная батарея имеет проблему, связанную с потерей большого количества жидкости. Плотность рекомендуется держать на 0,02 г/см3 ниже значения, которое требуется по стандартам.

Как изменяется плотность электролита при разряде аккумулятора?

По мере разряда аккумулятора плотность электролита снижается от 1,28 г/см3 до 1,09 г/см3, что приводит к снижению его электропроводности почти в 2,5 раза. В результате омическое сопротивление аккумулятора по мере разряда увеличивается.

Как можно проверить плотность аккумулятора?

Проверка плотности проводится ареометром. Для этого трубку помещают в заливное отверстие и откачивают часть жидкости. Электролит нужно проверять в каждой банке. Рекомендуем проводить проверку при температуре 20-30 °C., тогда стандартными показателями будут 1.27 – 1.29.

Как поднять плотность в аккумуляторе в домашних условиях?

К примеру, рекомендуется залить в батарею раствор воды с содой и оставить его там на 4 часа. После этого также рекомендуется заливать на час в аккумулятор раствор поваренной соли. Очистив банки аккумулятора от старого электролита, необходимо залить в него новый.

Как уменьшить плотность в аккумуляторе?

Дистиллированная вода. Добавляется в электролит для уменьшения его плотности. 1. В связи с тем что, кислота и вода имеют разную плотность, при разведении электролита или кислоты водой, следует добавлять кислоту в воду, но не наоборот.

Как повысить плотность электролита в аккумуляторе?

Как повысить плотность

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

Как правильно измерить плотность аккумулятора в домашних условиях?

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

Почему падает плотность электролита в аккумуляторе?

Неопытные автолюбители нередко доливают в АКБ большие объемы дистиллированной воды. Ошибочный подход! Если уровень дистиллята будет слишком высоким, то электролит выкипит. Это основная причина, почему падает плотность.

Как узнать что аккумулятор полностью заряжен?

Базовый принцип: установите вольтметр на клеммы аккумулятора с зарядкой. Если в течении часа напряжение не увеличивается при токе заряда, который не изменяется, значит АКБ заряжен на 100%.

Сколько нужно проехать на авто для зарядки аккумулятора?

В тёплую погоду заряд аккумулятора осуществляется наиболее интенсивно и уже после 30-60 мин езды на значительных оборотах, батарея практически полностью наберёт необходимый ей запас электроэнергии. Это правило справедливо только в том случае, если батарея не была очень сильно разряжена.

Чем больше аккумуляторная батарея заряжена тем?

Электролит имеет определенную плотность, которая изменяется в зависимости от степени заряженности аккумуляторной батареи (чем выше заряженность, тем выше плотность). … Батарея, при этом, заполнена жидким электролитом.

Литий-ионный аккумулятор

— Институт чистой энергии

Основные результаты исследований

Одним из способов достижения этой цели CEI является прямая визуализация, в частности, с помощью рентгеновской спектроскопии. Недавно лаборатория профессора Джерри Зайдлера разработала метод для выполнения спектроскопии рентгеновского поглощения вблизи краевой структуры (XANES) на стенде. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости открывать ее и, таким образом, нарушать работу системы.Раньше XANES можно было выполнять только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие объекты стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким высоким спросом среди ученых, что месячные очереди являются нормой. Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, сделанные на синхротроне. С помощью этого нового прибора ученые могут получать результаты за часы без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки условных технологий.

Другой аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей для внутреннего состояния аккумулятора. Это может помочь как оптимизировать производительность аккумулятора, так и циклы зарядки / разрядки, а также помочь предсказать и предотвратить опасные сбои аккумулятора. Профессор Венкат Субраманиан, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления процессами для электрохимических систем (M.A.P.L.E.), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью.Предлагая более эффективную, универсальную и точную модель для литий-ионных аккумуляторов, M.A.P.L.E. Исследования лаборатории могут помочь разработать батареи более точно, для более безопасной и эффективной работы.

Прочие предметы

Большая часть текущих исследований CEI связана с разработкой способов лучше понять и управлять важнейшими внутренними состояниями литий-ионных аккумуляторов. Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.

Другой важный компонент исследований CEI связан с разработкой новых материалов для улучшения характеристик батарей. В центре внимания CEI — наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных аккумуляторах, а также определение характеристик и дизайн наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до наномасштаба. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.

Кремний исследуется как анодный материал, поскольку он может образовывать трехмерную клетку, которая обладает большей способностью поглощать литий.

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

NanoGraf достигла вехи в энергетической плотности за свой

ЧИКАГО, 10 июня 2021 г. (ГЛОБАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ) — Чтобы помочь нам лучше понять наше электрическое будущее, NanoGraf , компания по производству передовых материалов для аккумуляторов, объявила сегодня о том, что обеспечила самую высокую в мире плотность энергии в цилиндрических литий-ионных элементах 18650. — тот, который обеспечивает на 28 процентов более длительное время работы, чем традиционные химические элементы.

При финансовой поддержке Министерства обороны США и других группа ученых, технологов и инженеров NanoGraf представила сегодня элемент на основе кремниевого анода мощностью 800 ватт-час на литр (Втч / л), который обеспечивает убедительные преимущества для практически любое применение — от бытовой электроники до аккумуляторов электромобилей и аккумуляторов для оборудования, которое солдаты используют во время боевых действий.

«Это прорыв для индустрии аккумуляторов», — сказал президент NanoGraf д-р Курт (Чип) Брайтенкамп. «Плотность энергии вышла на плато, увеличившись всего на восемь процентов или около того за последнее десятилетие. Мы только что достигли 10-процентного прироста менее чем за год. Это более чем десятилетие инноваций в одной технологии ».

Одна из самых больших возможностей для более энергоемких аккумуляторов связана с электромобилями, где «беспокойство о запасе хода» является основным препятствием для массового внедрения.Новая технология ячеек NanoGraf может незамедлительно дать толчок развитию электромобилей, таких как Tesla Model S, которая прослужит на одной зарядке примерно на 28 процентов дольше по сравнению с аналогичными транспортными средствами на дорогах сегодня.

В дополнение к коммерческим приложениям, батарея с поддержкой NanoGraf также значительно улучшает характеристики военной электроники и оборудования, переносимых солдатами. Патрульные американские солдаты несут более двадцати фунтов литий-ионных батарей, что часто является второй по весу категорией снаряжения после бронежилетов.Батареи NanoGraf сокращают время работы снаряжения американских солдат и могут снизить вес их аккумуляторных батарей более чем на 15 процентов.

Это объявление последовало за периодом быстрого роста компании. В прошлом году министерство обороны США предоставило NanoGraf грант в размере 1,65 миллиона долларов на разработку долговечных литий-ионных батарей для питания военной техники США. В 2019 году Совет США по автомобильным исследованиям, консорциум Ford, General Motors и FCA США, который производит автомобили Chrysler, Jeep, Dodge, Ram и FIAT, предоставил компании 7 долларов.5 миллионов на исследования и разработки аккумуляторных батарей для электромобилей.

Для получения дополнительной информации о NanoGraf, материалах и технологиях кремниевых анодных батарей посетите www.nanograf.com .

О NanoGraf
NanoGraf — это производитель передовых материалов для аккумуляторов, чья запатентованная технология кремниевого анода позволяет использовать литий-ионные аккумуляторы с более длительным сроком службы, повышенным энергопотреблением и повышенной мощностью. NanoGraf работает с более чем 50 компаниями, в том числе с некоторыми из ведущих мировых брендов бытовой электроники, бытовой техники и электроинструментов, а также с более чем 12 стратегическими партнерами в области электромобильности (от стартапов до компаний из списка Fortune 100).NanoGraf является дочерним предприятием Северо-Западного университета и Аргоннской национальной лаборатории. Для получения дополнительной информации посетите www.nanograf.com .

Контактная информация для СМИ
Джиллиан Смит
[email protected]

Фотография, сопровождающая это объявление, доступна по адресу https://www.globenewswire.com/NewsRoom/AttachmentNg/646df4ac-916f-4f99-b2af842eda8


Полимерный катод высокой плотности энергии для быстро заряжаемых натриевых и поливалентных ионных батарей — ScienceDaily

В аккумуляторах следующего поколения, вероятно, произойдет замена ионов лития более распространенными и экологически безвредными для окружающей среды ионами щелочных металлов или многовалентными ионами.Однако серьезной проблемой является разработка стабильных электродов, сочетающих высокую плотность энергии с высокой скоростью заряда и разряда. В журнале Angewandte Chemie американские и китайские ученые сообщают о высокоэффективном катоде из органического полимера, который будет использоваться в недорогих, экологически безопасных и долговечных натрий-ионных батареях.

Литий-ионные батареи

— это новейшая технология для портативных устройств, систем накопления энергии и электромобилей, разработка которых была отмечена Нобелевской премией этого года.Тем не менее ожидается, что батареи следующего поколения обеспечат более высокую плотность энергии, лучшую емкость и использование более дешевых, безопасных и экологически безвредных материалов. В новых типах аккумуляторов, которые наиболее изучены, используется, по сути, та же технология зарядки-разрядки кресла-качалки, что и в литиевой батарее, но ион лития заменен ионами дешевых металлов, таких как ионы натрия, магния и алюминия. К сожалению, такая замена требует значительных изменений в материалах электродов.

Органические соединения удобны в качестве электродных материалов, потому что, во-первых, они не содержат вредных и дорогих тяжелых металлов и могут быть адаптированы для различных целей. Их недостаток в том, что они растворяются в жидких электролитах, что делает электроды нестабильными.

Чуншенг Ван и его команда из Университета Мэриленда, США, а также международная группа ученых представили органический полимер в качестве высокоемкого, быстро заряжающегося и нерастворимого материала для катодов аккумуляторных батарей.Согласно исследованию, для иона натрия полимер превосходит современные полимерные и неорганические катоды по доставке и удержанию емкости, а для многовалентных ионов магния и алюминия данные не сильно отстают.

В качестве подходящего катодного материала ученые определили органическое соединение гексаазатринафталин (HATN), которое уже было испытано в литиевых батареях и суперконденсаторах, где оно функционирует как катод с высокой плотностью энергии, который быстро интеркалирует ионы лития.Однако, как и большинство органических материалов, HATN растворяется в электролите и делает катод нестабильным во время цикла. Ученые объяснили, что теперь уловка заключалась в том, чтобы стабилизировать структуру материала путем введения связей между отдельными молекулами. Они получили органический полимер, названный полимерным HATN или PHATN, который предлагал быструю кинетику реакции и высокую емкость для ионов натрия, алюминия и магния.

После сборки батареи ученые протестировали катод PHATN с использованием высококонцентрированного электролита.Они обнаружили отличные электрохимические характеристики для нелитиевых ионов. Авторы сообщают, что натриевая батарея может работать при высоком напряжении до 3,5 вольт и поддерживать емкость более 100 миллиампер-часов на грамм даже после 50000 циклов, а соответствующие магниевые и алюминиевые батареи были близки к этим конкурентным значениям.

Исследователи предполагают, что эти полимерные катоды на основе пиразина (пиразин — это органическое вещество, на котором основан HATN; это ароматическое бензолоподобное, богатое азотом органическое вещество с фруктовым вкусом) будут использоваться в экологически безопасных, высокоэнергетических -плотные, быстрые и сверхстабильные аккумуляторные батареи нового поколения.

История Источник:

Материалы предоставлены Wiley . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

аккумуляторных анодов Li2TiSiO5 с высокой объемной энергией и удельной мощностью через функционализацию графена — Northwestern Scholars

@article {4212bf54f43c4f54bbea98d886a45055,

title = «High Volumetric Energy and Power Density by Graphene Battery Function,

title =» High Volumetric Energy and Power Density via Graphene Battery Function,

title = «High Volumetric Energy and Power Density via Graphene Battery Function,

abstract

Graphene Battery Function,

Увеличение размера и дальности действия, объемная плотность энергии и возможность высокой скорости стали критически важными показателями производительности литий-ионных аккумуляторов.Хотя графит был лидером для анодов литий-ионных аккумуляторов в течение последних двух десятилетий, этот материал имеет серьезные ограничения при высоких показателях из-за перенапряжения, которое приводит к росту дендритов лития и серьезным проблемам с безопасностью. В качестве альтернативы графиту наночастицы Li2TiSiO5 (LTSO) обладают высокой плотностью гравиметрической энергии и высокой скоростью с минимальным риском роста дендритов Li. Однако чистые наночастицы LTSO обладают плохой электропроводностью и плотностью упаковки электродов, что не позволяет полностью реализовать их потенциал в литий-ионных батареях.Здесь наночастицы LTSO конформно покрыты графеном с использованием масштабируемого процесса на основе целлюлозы, который обеспечивает низкое перенапряжение и плотную упаковку электродов, что приводит к исключительной объемной плотности энергии при высоких скоростях. «,

keywords =» MAP4: Demonstrate, anode, высокоскоростная просвечивающая электронная микроскопия in situ, литий-ионная батарея, межфазная фаза твердого электролита, объемная плотность энергии «,

автор =» Лим, {Джин Мён} и Сунгью Ким и Луу, {Норман С.} и Даунинг, {Джулия Р.} и Тан, {Марк Т.З.} и Пак, {Кю Ён} и Хечтер, {Джейкоб К.} и Дравид, {Винаяк П.} и Кай Хе и Херсам, {Марк К.} «,

note =» Информация о финансировании: эта работа была в первую очередь поддержана Центром электрохимической энергетики, исследовательским центром Energy Frontier, финансируемым Министерством энергетики США (DOE), Управлением науки, фундаментальных энергетических наук (номер награды DOE DEAC02-06Ch2157). Производство графенового порошка поддерживалось Программой масштабируемого нанопроизводства Национального научного фонда (NSF) (номер премии NSF CMMI-1727846).В этой работе использовался Центр NUANCE Северо-Западного университета, получивший поддержку от ресурса Soft and Hybrid Nanotechnology Experimental (SHyNE) (номер премии NSF ECCS-1542205), Центра исследований материалов и инженерии Северо-Западного университета (номер премии NSF DMR- 1720139) и штат Иллинойс. Это исследование также было поддержано Программой фундаментальных научных исследований через Национальный исследовательский фонд Кореи (NRF), финансируемой Министерством образования (номер награды NRF NRF-2020R1A6A1A03043435).Авторские права издателя: {\ textcopyright} 2020 Elsevier Inc. «,

год =» 2020 «,

месяц = ​​август,

день =» 5 «,

doi =» 10.1016 / j.matt.2020.07.017 » ,

language = «Английский (США)»,

volume = «3»,

pages = «522-533»,

journal = «Matter»,

issn = «2590-2393»,

number = «2»,

}

Последние достижения в области высоковольтных и энергоемких водных аккумуляторных батарей

Водные литиевые аккумуляторные батареи (ARLB)

Водные аккумуляторные литиевые батареи (ARLB) разрабатываются с 1994 года. [4].Они имеют среднее напряжение разряда около 1,5 В и работают обратимо. Они могут обеспечить плотность энергии 75 Вт · ч кг −1 (исходя из общей массы активных материалов), что сопоставимо с характеристиками свинцово-кислотных и никель-кадмиевых аккумуляторов. Как указано в этой новаторской исследовательской работе, окислительно-восстановительные потенциалы выделения водорода (HER) и кислорода (OER) являются важными контрольными факторами при выборе материалов для двух электродов для ARLB. Иными словами, рабочий потенциал материала электрода должен находиться между OER и HER, чтобы избежать реакции электролиза воды.В последнее время появилось много подробных обзоров электродных материалов ARLB [3, 5, 6, 7, 8, 9]. Поэтому мы не будем здесь подробно останавливаться на этом. В этой части мы только резюмируем текущую работу по ARLB высокого напряжения и плотности энергии.

Для создания ARLB высокого напряжения и высокой плотности энергии существует несколько стратегий: (1) улучшение электролита, например использование сверхконцентрированных электролитов, и (2) использование материалов отрицательных электродов (таких как сера, литий, цинк и др.). графит) с высокой удельной емкостью и / или низким окислительно-восстановительным потенциалом [10].

Сверхконцентрированные электролиты
Электролиты «вода в соли» / «вода в бисоле»

Электролит «вода в соли» (WiS) был впервые использован в ARLB в 2015 году Ван и его коллегами, что расширило окно электрохимической стабильности до прибл. 3,0 В (1,9–4,9 В по сравнению с Li + / Li) и открыли новые возможности в водной электрохимии [11]. Бис (трифторметансульфонил) имид лития (LiTFSI) был выбран в качестве соли из-за его высокой растворимости в воде (> 20 м; в этой статье единица m относится к моль кг -1 ), а также из-за его высокой концентрации с гидратированная вода, обладающая высокой гидролитической стабильностью.Определение WiS применяется, когда вес и объем соли превышают вес и объем растворителя в бинарной системе. Когда концентрация LiTFSI достигает 21 м, окно его электрохимической стабильности увеличивается до 3 В (рис. 2а). В этом отчете LiMn 2 O 4 и Mo 6 S 8 были использованы в качестве материалов отрицательного электрода для сборки ARLB, что подтвердило возможность использования 21-метрового электролита WiS. Стоит отметить, что окислительно-восстановительные потенциалы этих электродных материалов переходят в положительный потенциал с увеличением концентрации соли.Согласно уравнению Нернста, это в основном связано с изменением в нем активности Li + . Эти ARLB могут выдавать до 2,3 В и иметь среднее напряжение разряда 1,83 В, что значительно выше, чем у традиционных ARLB или ARLB 1-го поколения, использующих обычные водные растворы электролитов. Существует две причины, по которым электролит WiS имеет такой широкий диапазон напряжений (см. Рис. 2b). С одной стороны, свободных молекул воды достаточно, чтобы полностью гидратировать ионы лития в разбавленном водном растворе.С увеличением концентрации соли становится доступным меньше некоординированных молекул воды, и сольватация или гидратированный слой иона лития резко изменяется. Когда концентрация увеличивается до 21 мкм, отношение воды к иону лития составляет всего 2,6, что означает, что Li + частично дегидратирован, и электростатическое поле, создаваемое формальным зарядом на ионе лития, больше не может нейтрализоваться координацией с водой. В результате ионы TFSI — попадают в сольватационный слой Li + .Поскольку потенциал восстановления TFSI — ниже, чем у воды, TFSI — разлагается на поверхности материала отрицательного электрода с образованием плотного защитного слоя SEI (в основном LiF) перед разложением воды. С другой стороны, активность воды снижается из-за небольшого количества свободных молекул воды после высокой концентрации, что помогает повысить электрохимическую стабильность положительных и отрицательных электродов. Следовательно, можно видеть, что взаимодействие этих двух факторов значительно расширяет диапазон напряжений электролита.Однако материалы положительного и отрицательного электрода, выбранные для батареи, не полностью используют окно напряжения электролита LiTFSI WiS. Аккумулятор Mo 6 S 8 / LiFePO 4 [12] и аккумулятор TiS 2 / LiMn 2 O 4 [13] ведут себя аналогичным образом. Следовательно, необходима дальнейшая оптимизация материалов положительного и отрицательного электродов для дальнейшего повышения напряжения и плотности энергии ARLB. Для материалов положительного электрода могут быть выбраны материалы с более высоким потенциалом и / или более высокой удельной емкостью, такие как LiVPO 4 F, LiCoO 2 и LiNi 0.5 Mn 1,5 O 4 . Для отрицательных электродов также могут быть выбраны материалы с более низким потенциалом и / или более высокой удельной емкостью, такие как LiVPO 4 F, TiO 2 и сера.

Рис. 2

a Окно электрохимической стабильности электролитов LiTFSI-H 2 O с различной концентрацией. b Схематическая диаграмма эволюции оболочки первичной сольватации Li + в разбавленном растворе и водно-солевом электролите.Воспроизведено с разрешения Ref. [11]. Авторское право 2015, AAAS. c Профили напряжения заряда и разряда полных элементов LiVPO 4 F при различных скоростях. d Длительная цикличность полных ячеек LiVPO 4 F при 20 C. Воспроизведено с разрешения Ref. [14]. Copyright 2017, John Wiley and Sons

LiVPO типа таворит 4 F можно использовать как материалы для положительных и отрицательных электродов для ARLB [14]. Кривая заряда – разряда при постоянном токе (рис.2в) показывает, что LiVPO 4 F имеет два набора плато заряда и разряда, которые, соответственно, соответствуют интеркаляции и деинтеркаляции ионов лития. Группа с высоким потенциалом соответствует редокс-паре V 4+ / V 3+ (около 4,26 В по сравнению с Li + / Li), а группа с низким потенциалом соответствует V 3+ / V . 2+ редокс-пара (около 1,8 В по сравнению с Li + / Li). Используя этот материал как положительный и отрицательный электроды, соответственно, и гелевый электролит LiTFSI «вода-в-соли», гибкий симметричный аккумулятор был собран с 2.Выходное напряжение 46 В (среднее напряжение разряда до 2,4 В), демонстрируя отличные характеристики.

Характеристики симметричной ячейки с 21-метровым электролитом LiTFSI WiS неудовлетворительны, а кулоновский КПД составляет 96% всего после 50 циклов. Гелевый электролит LiTFSI WiS толщиной 25 мкм был приготовлен путем добавления ПВС, и окно стабильности напряжения было расширено. Собранная таким образом симметричная батарея циклически перерабатывалась с низкой скоростью 0,2 ° С. Всего через десять циклов кулоновский КПД достиг 100%.При температуре 20 ° C емкость батареи все еще составляла 87% после 4000 циклов, а кулоновский КПД был близок к 100% в течение всего цикла (рис. 2d). Также впервые было обнаружено, что пленка SEI на поверхности материала положительного электрода в электролите LiTFSI WiS представляет собой смесь 49% Li 2 CO 3 и 51% LiF. Это открытие раскрыло секрет того, как Li + может транспортироваться в SEI, поскольку LiF является изолятором как для ионной, так и для электронной проводимости.Если SEI состоит в основном из LiF, очевидно, что он не будет способствовать передаче Li + . Поскольку Li 2 CO 3 имеет лучшую проводимость, чем LiF, область носителей сверхвысокой концентрации генерируется пространственным зарядом на границе раздела между Li 2 CO 3 и LiF, который является каналом быстрого Li . + ионный транспорт. Следовательно, даже в плотной пленке SEI ионы Li + все еще могут быстро переноситься вдоль границы зерен LiF / Li 2 CO 3 , что объясняет хорошие характеристики LiVPO 4 F.Результаты испытания импеданса переменного тока показывают, что сопротивление интерфейса отрицательного электрода увеличивается только на 50% после 20 циклов, что показывает, что LiF – Li 2 CO 3 –SEI по-прежнему обеспечивает высокую проводимость для ионов Li + . .

Многослойный LiCoO 2 электрода обеспечивают удельную емкость 140 мАч г −1 при зарядке до 4,2 В (по сравнению с Li + / Li), что соответствует экстракции 50% Li в Li 0,5 CoO 2 , который считается относительно стабильным материалом положительного электрода в ARLB [15,16,17,18].В органических электролитах при зарядке до 4,5 В (по сравнению с Li + / Li) обеспечивается более высокая удельная емкость 180 мАч g -1 (соответствует экстракции 70% Li). Однако электрод страдает от серьезного снижения емкости во время циклирования в водных электролитах из-за растворения Co и побочной реакции между Li 0,3 CoO 2 и электролитом. Трис (триметилсилил) борат (TMSB) вводился в электролит WiS в качестве добавки и непрерывно окислялся и разлагался с образованием стабильной межфазной пленки катод-электролит (CEI) на поверхности положительного электрода LiCoO 2 во время процесса зарядки. .Wang et al. обнаружили, что после окисления TMSB образует защитную межфазную поверхность на положительном электроде LiCoO 2 [19]. При высоком напряжении отсечки LiCoO 2 с межфазной защитой выдавал высокую емкость 170 мАч g −1 с замечательной стабильностью при переключении. ARLB, соединяющий положительный электрод LiCoO 2 с отрицательным электродом из Mo 6 S 8 , показал напряжение холостого хода 2,50 В и напряжение средней точки 1,95 В, достигая плотности энергии до 120 Втч кг -1 и низкой скорость спада емкости 0.013% за цикл, так как защитная межфазная поверхность эффективно подавляет OER и растворение кобальта от положительного электрода в растворе электролита.

Промышленная шпинель LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 имеет две кристаллические структуры: P4332 и fd-3 m. Среди них P4332 LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 имеет более высокое плато окислительно-восстановительного потенциала литиирования / делитирования, а из-за высокой концентрации соли в электролите WiS платформа окислительно-восстановительного потенциала интеркаляции / делитирования LiNi 0.5 Mn 1,5 O 4 имеет положительный сдвиг примерно от 0,2 В до 4,8–5,0 В (по сравнению с Li / Li + ), что находится за пределами окна стабильности электролита WiS. Редокс-потенциал fd-3 m LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 ниже, чем у P4332 LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 . Редокс-потенциал fd-3 m LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 отличается от такового у P4332 LiNi 0,5 Mn 1.5 O 4 , поскольку в fd-3 м LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 присутствует небольшое количество Mn 3+ , а ионный радиус Mn 3+ больше этого Mn 4+ , что приводит к расширению решетки и увеличению диффузии Li + . В электролите WIS две платформы напряжения fd-3 m LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 перемещаются до 4,8–5,0 В. Хотя они превышают окно стабильности напряжения электролитов, они могут полностью использовать свои емкости путем регулирования значения pH электролитов для подавления реакции выделения кислорода.Хорошо известно, что с понижением pH потенциал HER и OER в водных электролитах будет повышаться. Когда 0,1% (в объемных долях) 1 м бис (трифторметилсульфонил) имида (HN (SO 2 CF 3 ) 2 , HTFSI) было добавлено в электролит WiS, значение pH электролита WiS снизилось до 5, и окно сдвинулось на 0,1 В. Однако самый низкий окислительно-восстановительный потенциал (2,1 В) Mo 6 S 8 все еще выше, чем у HER (1,9 В) электролитов WiS (pH доведен до 5).Положительный материал fd-3 m LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 можно заряжать до 5,05 В (по сравнению с Li + / Li), и он может работать стабильно. Таким образом, можно собрать полные элементы Mo 6 S 8 // LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 , которые имеют среднее напряжение разряда до 2,35 В и плотность энергии 126 Втч кг −1 [20].

Когда 7 м LiOTf (трифторметансульфонат лития) непрерывно добавлялся к 21 м электролитам LiTFSI WiS (обратите внимание, что первоначальный термин «растворять» не подходит, поскольку невозможно получить такой настоящий водный раствор), чтобы получить «вода в бисальте». (WibS) электролиты, в которых концентрация ионов Li + достигала 28 мкм, соответствующее отношение молекул воды к ионам соли составляло около 2 [21].Из-за более высокой концентрации соли плотность слоя SEI увеличивалась, а активность воды снижалась еще больше, так что он имел более широкое окно электрохимической стабильности около 3,1 В (рис. 3а). На основе этого электролита WibS был приготовлен ARLB с TiO 2 в качестве отрицательного электрода и LiMn 2 O 4 в качестве положительного электрода, с напряжением холостого хода 2,5 В, плато напряжения 2,07 В и энергией плотность 100 Вт · ч кг −1 (рассчитана исходя из суммарной массы электродов) (рис.3б). Электролит WibS на основе ацетата был сконструирован путем смешивания неорганических солей LiOAc и KOAc, которые имели отношение воды к катионам всего 1,3 [22]. Результаты показывают, что обычные материалы отрицательного электрода, такие как Li 4 Ti 5 O 12 и TiO 2 , могут обратимо интеркалировать / деинтеркалировать Li + в этом электролите WibS, и собранный TiO 2 / Mn. 2 O 4 ARLB имеет плоское разрядное плато 2,10 В (рис.3в). Электролит недорогой, экологически чистый, легко регулируется, легко адаптируется и универсален.

Рис.3

a Электрохимические окна электролитов WibS и WiS при скорости сканирования 10 мВ с −1 и первые следы CV активных электродов (C-TiO 2 и LiMn 2 O 4 ) при скорости сканирования 0,1 мВ с -1 в электролитах WibS. b Профили заряда-разряда C-TiO 2 / LiMn 2 O 4 аккумуляторов в 5-м и 100-м циклах.Воспроизведено с разрешения Ref. [21]. Авторское право 2016, Wiley – VCH. c Профиль заряда-разряда c-TiO 2 / LiMn 2 O 4 батарей при 0,5 C в электролитах WibS на основе ацетата. Воспроизведено с разрешения Ref. [22]. Авторское право 2018, Королевское химическое общество

Электролиты гидрат-расплав

Определение плавления гидрата аналогично определению WibS. Фактически, конструкция электролита WibS была вдохновлена ​​электролитом гидрат-расплав [23].Электролит гидрат-расплав на самом деле является продолжением сверхконцентрированного электролита в системе, в которой вода является растворителем. Сверхконцентрированные электролиты использовались в литий-ионных батареях. Было обнаружено, что они могут не только улучшить стабильность батарей, но и повысить рабочее напряжение (4 В). Эта концепция была впервые применена Yamada et al. к водным системам хранения энергии и известен как «гидрат-расплав». Исследовали эвтектический состав литиевых солей Li (SO 2 CF 3 ) 2 (LiTFSI) и литиевых солей Li (SO 2 C 2 F 5 ) 2 (LiBETI), оба имеют органический имидный анион.Результаты показывают, что, когда состав представляет собой Li (TFSI) 0,7 (BETI) 0,3 , растворимость смеси с водой является максимальной, может быть получен стабильный прозрачный раствор, а концентрация молекулы воды составляет всего 10,1 м ( Рис. 4а). Большое количество анионов TFSI / BETI изолируют свободные молекулы воды друг от друга, и все молекулы воды могут участвовать в гидратной оболочке ионов лития, тем самым снижая активность молекул воды и расширяя окно электрохимической стабильности электролитов.В этом растворе все молекулы воды координированы с ионами лития, а внутримолекулярные водородные связи почти не заметны (рис. 4б). Кроме того, было обнаружено, что равновесный потенциал реакции внедрения / отслаивания иона лития составлял 0,25 В в электролите гидрат-расплав, что было больше, чем значение в 22-метровом LiTFSI (рис. 4с). Термодинамический механизм (который снижает уровни ВЗМО) и кинетический механизм (пассивация, вызванная анионами) еще больше увеличивают разность потенциалов между анодом и катодом, тем самым расширяя окно напряжения до 3.8 В (рис. 4г). На основе электролита гидрат-расплав: Li 4 Ti 5 O 12 // LiCoO 2 и Li 4 Ti 5 O 12 // LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 полных ARLB были установлены, которые демонстрировали плато высокого напряжения разрядной ячейки при 2,26 В и 3,10 В, соответственно. На данный момент существует немного других исследований по применению электролитов расплава гидрата в водных батареях. Недавно Wu et al. применили электролиты к батареям Li-O 2 , которые, как было показано, эффективно предотвращают разложение растворителя и образование побочных продуктов, тем самым увеличивая срок службы Li-O 2 батарей [24].Для дальнейшей оценки и улучшения применимости электролита необходимы все более и более глубокие исследования.

Рис. 4

a Линия ликвидуса смесей LiTFSI + LiBETI в воде. b Первопринципный DFTMD моделирует снимок равновесной траектории Li (TFSI) 0,7 (BETI) 0,3 · 2H 2 O гидратный расплав и разбавленный LiTFSI / H 2 O. c Взаимосвязь между изменение равновесного потенциала интеркаляции лития и концентрации электролитов Li + . d Окна напряжений обычных электролитов LiTFSI / H 2 O и гидратированных электролитов расплава, а также окислительно-восстановительный потенциал Li 4 Ti 5 O 12 , LiCoO 2 , LiNi 0,5 Mn 1.5 O 4 в гидратированных электролитах расплава. Воспроизведено с разрешения Ref. [23]. Copyright 2016, Nature Publishing Group

Гибридный водный / неводный электролит (HANE)

Путем введения неводного растворителя, диметилкарбоната (DMC), в электролит WiS, гибридный водно-неводный электролит (HANE) с расширенным электрохимическим окном 4.1 В. Это нейтральный растворитель, который менее чувствителен к отталкиванию отрицательного электрода и, следовательно, легче участвует в межпространственной химии, чем анионы [25]. На основе этого гибридного электролита был создан ARLB, состоящий из LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 положительного электрода и отрицательного электрода Li 4 Ti 5 O 12 . Этот ARLB с плоским плато разряда при 3,2 В (рис. 5a) имел плотность энергии до 165 Вт · ч кг −1 и стабильность при циклических нагрузках более 1000 циклов (рис.5б). В аналогичном подходе также сообщалось о гибридной системе «ацетонитрил (AN) / вода-в-соли» электролита (AN – WiS), обеспечивающей повышенную ионную проводимость, пониженную вязкость и расширенный диапазон температур [26]. Увеличение концентрации соли LiTFSI в AN – WiS до уровня сверхконцентрации (15,3 м) расширяет окно электрохимической стабильности до 4,5 В [27]. Этот AN – WiSE активировал ARLB, например Li 4 Ti 5 O 12 / LiMn 2 O 4 и Li 4 Ti 5 O 12 / LiNi 0.8 Co 0,15 Al 0,05 O 2 полных батарей, с высоким напряжением, высокой плотностью энергии и отличными характеристиками при езде на велосипеде.

Рис. 5

a Кривые разряда ячейки LTO-LNMO при различных скоростях. b Циклические характеристики полных ячеек LTO-LNMO при 6 C. Воспроизведено с разрешения Ref. [25]. Copyright 2018, Elsevier B.V. c Сравнение напряжения завершения зарядки различных солей для ARLB. d Зарядно-разрядные кривые элемента TiO 2 / LiMn 2 O 4 при 5 C; вставленный график — это циклическая производительность батареи [28].Воспроизведено с разрешения Ref. [28]. Авторские права 2018, Nature Publishing Group

Электролит «вода в иономере»

Новый тип электролитов «вода в иономере» был представлен He et al. [28]. Электролит «вода в иономере», содержащий 50 мас.% Иономера, имеет окно электрохимической стабильности 2,7 В (рис. 5c). Полный элемент LiTi 2 (PO 4 ) 3 / LiMn 2 O 4 , основанный на этом электролите, показал отличные циклические характеристики и обеспечил среднее напряжение разряда> 1.5 В и удельной энергией 77 Втч кг −1 . Кроме того, с использованием алюминиевого токосъемника была получена полная батарея TiO 2 / LiMn 2 O 4 со средним выходным напряжением 2,1 В и начальной удельной энергией 124,2 Втч кг -1 (рис. 5d). .

Роль SEI
Разложение добавок к электролиту

Добавление добавок к электролиту также может формировать защитную, подобную SEI межфазную фазу на месте. Добавки должны соответствовать следующим требованиям: (1) иметь химическую стабильность, то есть стабильность в данном растворе электролита, и (2) иметь электрохимическую стабильность, чтобы электрохимический процесс мог происходить во время разложения с образованием межфазных компонентов.

Гель LiTFSI-HFE (высокофторированный эфир) был нанесен на поверхности отрицательных электродов в качестве межфазного покрытия-предшественника, которое было использовано для получения твердой межфазной границы, состоящей как из органических фторированных углеводородов, так и неорганических фторидов, что позволило получить высокую емкость / низкую производительность. потенциальные материалы отрицательного электрода (такие как кремний, графит и металлический Li) для обратимого цикла в гелевых полимерных электролитах (GPE) 21 м LiTFSI + 7 м LiOTf WibS (рис. 6a) [29]. Соединение отрицательных электродов с покрытием с различными материалами положительных электродов, серия из 4 штук.Получены 0 В ARLB с высокой эффективностью и обратимостью, сопоставимые с коммерческими литий-ионными батареями (рис. 6b – d). Кроме того, ARLB со сверхвысокой плотностью энергии 460 Вт · ч кг -1 был разработан путем соединения отрицательного электрода из гелевого графита HFE и положительного электрода типа преобразования-интеркаляции (LiBr 0,5 Cl 0,5 ) -графит (LBC –G) (рис. 6д, е) [30].

Рис. 6

a Зарядно-разрядные кривые графитовых электродов, предварительно покрытых гелем LiTFSI-HFE.Профили напряжения b Li / LiVPO 4 батареи F, c графит / LiVPO 4 батареи F и d Li / LiMn 2 O 4 батареи при 0,3 C. e Типичные кривые заряда-разряда (третьи циклы) аккумуляторов графит // LiBr / LiCl (синий) или графитовых // аккумуляторов с моногидратами LiBr / LiCl (красный). f Устойчивость этих полностью заряженных аккумуляторов во время езды на велосипеде. Воспроизведено с разрешения Ref. [29]. Авторские права 2017, Elsevier B.V. g Схематическое изображение металлического лития LISICON с пленочным покрытием. ч Кривая постоянного тока заряда-разряда Li / LiMn 2 O 4 аккумуляторов в первом цикле. Воспроизведено с разрешения Ref. [31]. Авторское право 2013, Исследования природы. i Кривые постоянного тока заряда-разряда во втором и десятом циклах Li / LiCoO 2 аккумулятора. Воспроизведено с разрешения Ref. [32]. Copyright 2013, Королевское химическое общество

Искусственный SEI

Для реализации функционального металлического литиевого электрода в водной электролитной системе на его поверхность можно нанести тонкий и компактный защитный слой раздела или искусственный SEI.Этот искусственный SEI должен не только иметь высокую ионную проводимость, чтобы можно было проводить электрохимический процесс, но и предотвращать проникновение воды, чтобы молекулы воды не могли проходить сквозь него, чтобы избежать реакции между молекулами воды и металлическим литием.

Наша группа представила пленку литиевого суперионного проводника (LISICON) на отрицательном электроде из металлического лития (рис. 6g) [31]. В этом исследовании LISICON служил комбинированным сепаратором и твердым электролитом с ионной проводимостью при комнатной температуре около 0.1 мСм см −1 . С LiMn 2 O 4 в качестве положительного электрода и 0,5 M Li 2 SO 4 (единица M — традиционная молярная концентрация, которая составляет моль л -1 ) в качестве электролитов, ионы лития переносятся через водный электролит со стороны положительного электрода, проходят через слой покрытия LISICON и достигают отрицательного электрода из металлического лития. Благодаря низкому потенциалу зачистки / покрытия металлического лития рабочее напряжение полученных ARLB увеличилось до более чем 4 В с плато на уровне 4.06 В и 3,85 В (рис. 6h). Аналогичные высоковольтные ARLB с высокой плотностью энергии были также разработаны на основе гелевой полимерной мембраны с литиево-графитовым отрицательным электродом с покрытием LISICON и положительным электродом LiCoO 2 / LiFePO 4 [32, 33]. Однако неудовлетворительная ионная проводимость LISICON может стать проблемой для достижения хороших скоростных характеристик. Ионная проводимость электрода со структурой перовскита, Al-замещенного литий-лантана-титанита (A-LLTO), разработанного Ле и соавторами, была увеличена до 0.317 мСм см −2 , что намного больше, чем 0,1 мСм см −2 , полученное с помощью LISICON [34]. Когда A-LLTO применялся в качестве искусственного SEI к отрицательному электроду из металлического лития, и он был объединен с положительным электродом LiCoO 2 , полученный ARLB имел напряжение холостого хода около 4,2 В и высокую удельную емкость 164 мА · ч. −1 при 0,1 C (рис. 6i). Тем не менее, его скоростные характеристики все еще не были сопоставимы с характеристиками обычных ARLB, и проблема низкой ионной проводимости искусственного SEI все еще требует решения.Более того, для создания искусственного SEI на поверхности металлического лития обычно требуется дополнительный слой для предотвращения прямого контакта между металлическим литием и проводящим разделительным слоем (LISICON, A-LLTO, LATP и т. Д.), Поскольку последний в противном случае был бы восстановлены металлическим литием из-за их химической нестабильности. Дополнительный слой обычно представляет собой гелевый полимерный электролит, состоящий из такого тонкого полимерного слоя (PVDF / PMMA / PVDF и PEO и т. Д.), Насыщенного органическими электролитами (1 M LiClO 4 в EC / DMC).

Система перезаряжаемых Ni – Li батарей была изготовлена ​​с использованием 1 M LiClO 4 в этиленкарбонате / диметилкарбонате (EC / DMC) в качестве органических электролитов для металлического литиевого отрицательного электрода и 1 M LiOH + 1 M KOH в качестве водных электролитов. для положительного электрода Ni (OH) 2 [35]. Органический и водный электролиты были разделены тонкой пленкой LISICON. Батарея имела напряжение плато 3,47 В и удельную емкость 268 мАч g -1 , что приводило к очень высокой плотности энергии 935 Втч кг -1 на основе объединенной массы активных материалов.В этой батарее использовались положительный электрод NiO / CNT конверсионного типа и отрицательный металлический литиевый электрод с гибридным водно-органическим электролитом, разделенные литий-ионной проводящей пленкой LATP (Li 1+ x + y Al x Ti 2- x Si y P 3- y O 12 ) [36]. У него было стабильное плато разряда при 3,38 В, но необходимы дальнейшие разработки, чтобы повысить его устойчивость к циклическим нагрузкам.

Использование отрицательных материалов с высокой удельной емкостью или низким окислительно-восстановительным потенциалом

Водная аккумуляторная гибридная батарея (ARHB), использующая положительный электрод LiMn 2 O 4 положительный электрод и металлический отрицательный электрод из цинка, была впервые предложена в 2012 году и работает примерно при 2 В с приемлемой плотностью энергии (50–80 Вт · ч, кг −1 ) и хорошими характеристиками при циклических нагрузках (сохранение емкости 95% после 4000 циклов) [37]. Однако его электрохимические свойства, такие как кулоновский КПД, нуждаются в дальнейшем улучшении.К настоящему времени предприняты следующие меры: (1) модификация поверхности и защита материалов положительных электродов; (2) улучшение электролитов; и (3) обработка цинкового отрицательного электрода.

Из-за низкой проводимости LiMn 2 O 4 и структурных изменений, вызванных искажением Яна – Теллера, гибридная батарея Zn / LiMn 2 O 4 имеет низкие энергетические характеристики и подвергается серьезной деградации емкости. Поскольку углерод обычно может использоваться для изготовления композитов, было обнаружено, что использование графеновых пленок в качестве искусственных SEI на поверхности LiMn 2 O 4 эффективно подавляет структурные искажения LiMn 2 O 4 . и значительно увеличивает ионную проводимость LiMn 2 O 4 , тем самым улучшая цикличность и быстродействие гибридной батареи [38, 39].

Из-за ограничения окна электрохимической стабильности, образования дендритов цинка и коррозии отрицательного цинкового электрода модификация электролита является еще одним эффективным способом улучшения электрохимических характеристик водного раствора Zn / LiMn 2 O 4 гибридных аккумулятора . Многие добавки, включая тиомочевину (TU) [40], SiO 2 [41], циклодекстрин (CD) [42] и коллоидальный диоксид кремния (FS) [43], были введены в электролит для улучшения электрохимических характеристик гибридных батареи.Хотя есть некоторые улучшения, эффекты все еще неудовлетворительны, и требуется дальнейшее улучшение.

Недавно Ван и его коллеги сообщили об электролите WiS, состоящем из 1 мкм Zn (TFSI) 2 + 20 мкм LiTFSI, в котором цинковый отрицательный электрод является очень обратимым. Гибридная батарея Zn / LiMn 2 O 4 достигла наивысшей плотности энергии, когда массовое отношение Zn / LiMn 2 O 4 было уменьшено до 0,25: 1. Кроме того, кривые заряда / разряда для разных циклов гибридной батареи сильно совпадают, что показывает ее хорошую электрохимическую обратимость.При температуре 4 ° C сохранение емкости после 4000 циклов составило 85%, при этом CE достигает 99,9%, что лучше, чем все ранее описанные работы с Zn-Li-батареями [44]. Однако высокая стоимость использования больших количеств органической соли может препятствовать применению смешанных ионно-цинковых аккумуляторов в крупномасштабных системах хранения энергии.

Сообщалось о новом электролите «глубокой эвтектики» (WiDES), который может ингибировать реакцию отрицательного цинкового электрода, уменьшать коррозию и пассивацию цинкового отрицательного электрода, увеличивать коэффициент использования цинка, и улучшить жизненный цикл [45].Следовательно, гибридная батарея Zn / LiMn 2 O 4 , в которой используется этот электролит WiDES, демонстрирует отличные характеристики при циклической работе.

В дополнение к LiMn 2 O 4 , другие коммерческие материалы положительных электродов для литий-ионных батарей, такие как LiFePO 4 , LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 (LVP) и LiMn 0,8 Fe 0,2 PO 4 , также были изучены в качестве материалов потенциальных положительных электродов для водных аккумуляторов. Zn – Li гибридные батареи.Поскольку в нескольких статьях рассматривалась соответствующая работа в этой области, мы не будем здесь вдаваться в подробности. Эти работы сведены в Таблицу 1 и Рис. 7а.

Таблица 1 Электрохимические свойства различных ARLB с высоким напряжением и плотностью энергии Рис.7

Плотность энергии и средняя разрядная емкость различных a ARLB, b ASIB, AKIBS и ANIB с высоким напряжением и плотностью энергии

Водные Na-ионные батареи

Развитие водных натрий-ионных батарей (ASIB) в основном связано с тем, что ресурсы натрия в земной коре намного больше, чем ресурсы лития.Кроме того, существует множество материалов для положительных и отрицательных электродов для ASIB, которые показывают очень хорошие электрохимические характеристики [49,50,51,52]. О ходе исследований электродных материалов существует множество обзоров, причем они также являются исчерпывающими [3, 6, 9]. Однако нет никаких систематических исследований того, как построить ASIB с высокой плотностью энергии. В таблице 2 и на рис. 7b представлены подробные сведения о характеристиках ASIB, о которых сообщалось на сегодняшний день.

Таблица 2 Электрохимические свойства для различных ASIB, AKIBS и ANIB с высоким напряжением и плотностью энергии

Как упоминалось выше, есть два способа улучшить энергетическую плотность химического состава водных аккумуляторов.Один заключается в расширении диапазона напряжений, а другой — в выборе подходящих материалов для отрицательного и положительного электродов с большой разностью потенциалов и высокой удельной емкостью.

Сверхконцентрированные электролиты

Разработка соответствующих натриевых электролитов WiS остается серьезной проблемой при разработке натриево-ионных батарей в водных растворах, поскольку существующие натриевые электролиты еще не отвечают требованиям высокой растворимости солей, содержащих химические источники (фтор). -содержащие соли), высокая химическая и электрохимическая стабильность в воде.Подобно ARLB, электролиты WiS также можно наносить на ASIB для расширения электрохимического окна. Установлено, что сила между Na + и TFSI — намного сильнее, чем сила между Li + и TFSI — , поэтому, хотя водный раствор соли NaTFSI может достигать только 9,26 м, он может образовывать SEI проводимости Na + , а окно электрохимической стабильности может достигать 2,5 В [53]. На основе этого электролита NaTi 2 (PO 4 ) 3 // Na 0.66 [Mn 0,66 Ti 0,34 ] O 2 Полная батарея была собрана со стабильной производительностью при циклической работе и плотностью энергии 31 Втч кг -1 . При комнатной температуре концентрации растворов трифторида натрия (NaOTf) и бис (трифторметансульфонил) имида (NaTFSI) низкие (9–10 м), и нельзя полностью использовать преимущество суперконцентрированных электролитов. Следовательно, для дальнейшего развития высоковольтных ASIB необходимы соответствующие натриевые соли для производства высококонцентрированных электролитов WiS.Установлено, что NaFSI имеет высокую растворимость (до 37 моль) в водном растворе и стабильное электрохимическое окно 2,6 В при концентрации до 35 моль. Дальнейшие исследования показывают, что катоды NaTi 2 (PO 4 ) 3 и катоды Na 3 (VOPO 4 ) 2 F могут использоваться в ASIB с напряжением более 2 В [54] . Смешанные катионные смеси динатрия могут использоваться для приготовления электролитов с более высокими концентрациями, например, 9 м NaOTf + 8 м KOTf и 22 м KOTf + 4 м NaOTf.Однако присутствие нескольких катионов может привести к встраиванию смешанных катионов в материал электрода, влияя на характеристики элемента. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали новый класс электролитов WiS с поддержкой взаимодействия, содержащих соли трифторида тетраэтиламмония (TEAOTf), которые из-за большого ионного радиуса TEA + трудно внедрить в большинство электродных материалов [включая прусские Синий аналог (PBA)], что позволяет избежать совместной интеркаляции мультикатионов в циклическом процессе [55].Этот активированный взаимодействием электролит WiS имеет концентрацию до 31 м (9 м NaOTf – 22 м TEAOTf) и окно электрохимической стабилизации до 3,3 В (рис. 8a). A Na 1,88 Mn [Fe (CN) 6 ] 0,97 · 1,35H 2 O // IC-WiS на основе Na // NaTiOPO 4 полная батарея с высоким напряжением отсечки (2,5 В) и Установлена ​​высокая удельная энергия 71 Втч кг -1 , которая показала выдающуюся стабильность при циклических нагрузках как на низких, так и на высоких скоростях (рис. 8b – e).

Фиг.8

a Окно электрохимической стабильности 9 моль кг −1 Электролиты NaOTf и электролиты Na IC-WiS (9 м NaOTf + 22 м TEAOTf) при скорости сканирования 10 мВ с −1 , в котором Ti и Al используются как положительный и отрицательный коллекторы соответственно. b Кривые заряда-разряда первого цикла для положительных электродов NaMnHCF (1 C) и отрицательных электродов NaTiOPO 4 (0,2 C) в электролитах 9 m NaOTf и 9 m NaOTf + 22 mTEAOTf, соответственно. c CV-кривые отрицательных электродов NaTiOPO 4 и положительных электродов NaMnHCF при 1 мВ с -1 в 22 м TEAOTf и 9 м NaOTf + 22 м TEAOTf электролитах, соответственно. d Зарядно-разрядные кривые NaMnHCF // NaTiOPO 4 аккумуляторов в первом, четвертом и десятом циклах. e Циклические характеристики батареи NaMnHCF // NaTiOPO 4 при 1 ° C [55]. Воспроизведено с разрешения Ref. [55]. Copyright 2019, Wiley – VCH

Теоретические расчеты показали, что нанесение пленки Al 2 O 3 на Al или пленки TiO 2 на Ti может увеличить энергетический барьер расщепления воды (рис.9а) [56]. При толщине около 3 нм и 5 нм соответственно для пленок Al 2 O 3 и TiO 2 окно электрохимической стабильности расширяется до 3,5 В, когда металлы, покрытые этими оксидными пленками, используются в качестве коллекторы и 15 м водный раствор NaClO 4 используется в качестве электролита (рис. 13б). Кроме того, в концентрированных электролитах (15 м NaClO 4 ) на поверхностях TiS 2 образуется плотная межфазная фаза электрод – электролит.Таким образом, TiS 2 , который имеет низкий реакционный потенциал, был впервые продемонстрирован в качестве материала отрицательного электрода в водной батарее (рис. 9c). Полученный в результате ASIB с использованием TiS 2 в качестве отрицательного электрода и MFCN (гексацианоферрат марганца натрия) в качестве положительного электрода обеспечивает плотность энергии 100 Вт · ч кг -1 с напряжением холостого хода (OCV) до 2,6 В. работал с почти 100% кулоновской эффективностью до 1000 циклов (рис. 9d).

Фиг.9

a Окно электрохимической стабильности 15 м водного раствора NaClO 4 водный раствор, когда используются Pt, Ti, Al с покрытием из Al 2 O 3 с разной толщиной и Ti с покрытием TiO 2 с разной толщиной как токоприемники. b Энергия адсорбции O * и HO * на поверхности Ti или TiO 2 и H 2 O * и H * на поверхности Al или Al 2 O 3 соответственно. c CV-кривая отрицательных электродов из TiS 2 при использовании алюминиевой фольги с регулируемым временем термообработки в качестве токоприемников. d Циклические характеристики батарей TiS 2 / MFCN при 5 ° C [56]. Воспроизведено с разрешения Ref. [56]. Copyright 2019, Elsevier BV

Zn-Na Hybrid Batteries

Поскольку натриевые соли дешевле, чем литиевые, водные Zn-Na гибридные ионные батареи являются очень многообещающей перспективой для замены водных Zn-Li гибридных батарей и стали привлекательными устойчивое устройство хранения энергии. Первый водный гибридный ионный аккумулятор Zn – Na был зарегистрирован нашей группой и состоял из стержнеобразного Na 0.95 MnO 2 материал положительного электрода и металлический отрицательный электрод из цинка, которые показали среднее напряжение разряда 1,4 В и плотность энергии до 78 Втч кг -1 (рис. 10a, b) [57].

Рис.10

a CV-кривые Zn и Na 0,95 MnO 2 в 0,5 M Zn (CH 3 COO) 2 + 0,5 M CH 3 Водный раствор COONa (0,5 мВ с −1 ). b Цикличность цинка // Na 0.95 MnO 2 ASIB при скорости 4 ° C [56]. Воспроизведено с разрешения Ref. [57]. Авторское право 2014 г., Королевское химическое общество. c CV-кривая Na 2 MnFe (CN) 6 положительных электродов в электролитах с добавлением SDS (5 мВ с -1 ). d Кривые заряда / разряда Na 2 MnFe (CN) 6 положительных электродов в электролитах с добавлением SDS (0,5 C) [59]. Воспроизведено с разрешения Ref. [59]. Copyright 2017, Королевское химическое общество

Na + -ионный суперионный проводник (NASICON) -структурированный Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 (NVP) с высокой теоретической емкостью 118 мАч g -1 стал новым потенциальным кандидатом в качестве положительного электрода для водных Na-Zn-гибридных батарей.Гибридная батарея Zn-NVP может обеспечить плотность энергии 67 Втч кг -1 . Однако емкость Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 в гибридных водных перезаряжаемых батареях Zn – Na остается серьезной проблемой. Помимо материалов положительного электрода NVP / C, другие полианионные соединения [такие как покрытый углеродом Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 ] рассматривались как положительные электроды для дальнейшего улучшения напряжение водных гибридных аккумуляторов Na – Zn [58].Гибридный Zn – Na 3 V 2 O 2 x (PO 4 ) 2 F 3−2 x батарея обладает высоким выходным напряжением 1,7 В и высокой энергией. плотность 84 Втч кг −1 .

берлинская лазурь и ее аналоги являются наиболее привлекательными материалами для гибридных батарей на водной основе из-за их большого канала и структуры открытого каркаса, которая способствует быстрой диффузии ионов. Рабочее напряжение гибридных аккумуляторов Na-Zn на водной основе высокое, и на срок службы аккумулятора в значительной степени влияет побочная реакция выделения водорода или выделения кислорода.Было обнаружено, что окно электрохимической стабильности электролита может быть увеличено с 1,8 до 2,55 В путем добавления поверхностно-активных веществ в смешанный электролит (рис. 10а, б) [59]. С помощью моделирования теории функционала плотности было обнаружено, что энергетический барьер молекул воды, проходящих через адсорбционный слой SDS, выше, чем барьер ионов натрия, проходящих через адсорбционный слой SDS. Ионы натрия легче проходят через гидрофобный слой, чем молекулы воды, тем самым подавляя разложение воды, тем самым улучшая окно электрохимической стабильности электролита.На основе этого электролита была успешно собрана перезаряжаемая смешанная цинк-натриевая батарея на водной основе с нанокубами Na 2 MnFe (CN) 6 в качестве катодов и листами цинка в качестве отрицательных электродов. Аккумулятор имеет рабочее напряжение до 2 В и высокую плотность энергии 170 Втч кг -1 (рис. 10c, d). Стратегия проектирования улучшения окна электрохимической стабильности электролитов за счет добавления добавок обеспечивает эффективность, близкую к эффективности электролитов WiS, и низкую стоимость.Он обеспечивает новое понимание для дальнейшего развития недорогих и высоковольтных батарей на водном растворе в будущем.

Водные K-ионные батареи (AKIB)

Высокий потенциал ионизации и большой ионный радиус (0,138 нм) K являются основными причинами ограниченного развития высокоэффективных электродных материалов AKIB. На сегодняшний день наиболее перспективными материалами положительных электродов для AKIB являются аналоги берлинской голубой (PBA).

Среди различных материалов положительных электродов PBA имеет широкие перспективы применения благодаря своей стабильности в воде, простоте приготовления и отличным электрохимическим характеристикам.Сообщается о разнообразных положительных электродах из ПБА в AKIB, но лишь немногие материалы обладают полностью удовлетворительными свойствами. Из-за отсутствия материалов-кандидатов с подходящими окислительно-восстановительными потенциалами, несколько многообещающих материалов были описаны в качестве материала отрицательного электрода AKIB. Ранее сообщалось, что электролит WiS на основе ацетата калия имеет широкий диапазон электрохимической стабильности, но pH электролита является слабощелочным (pH = 9), что не подходит для материалов положительных электродов.Поэтому очень важно изучить новый тип электродов с лучшей совместимостью с электролитом WiS на основе K + . В целом, из-за ограничений электродов и электролитов сообщений о разнообразии AKIB немного. Недавно был изготовлен полный AKIB, который состоял из Fe-замещенного Mn-богатого PBA {K x Fe y Mn 1- y [Fe (CN) 6 ] w · z H 2 O} положительный электрод, отрицательный электрод из органического 3,4,9,10-перилентетракарбоновой диимида (PTCDI) и 22 м KCF 3 SO 3 WiS электролит [60].22-метровый электролит KCF 3 SO 3 WiS имеет широкий диапазон напряжений 3 В, который не только препятствует растворению как положительных, так и отрицательных электродов во время цикла, обеспечивая хорошую стабильность цикла полной батареи, но также позволяет полная батарея должна работать при напряжении выше 2 В при низком токе 0,1 C (рис. 11a). Кроме того, как положительный, так и отрицательный электроды обладают высокой емкостью, высокими скоростными характеристиками и хорошей стабильностью при переключении. Таким образом, полная батарея обеспечивает высокую плотность энергии 80 Вт · ч кг −1 и отличную стабильность при циклических нагрузках с сохранением емкости 73% за 2000 циклов при 4 ° C (рис.11б). Несмотря на то, что эта аккумуляторная система имеет много преимуществ, есть еще много областей, требующих дальнейшего улучшения для содействия ее практическому применению. Прежде всего, для электродных материалов, хотя Fe является лучшим выбором для замены положительного электрода PBA, богатого Mn, материалы отрицательного электрода должны быть оптимизированы с высокой емкостью и низким окислительно-восстановительным потенциалом для дальнейшего увеличения плотности энергии AKIB. Кроме того, чтобы снизить стоимость всей батареи и в то же время для обеспечения ее превосходных мощных характеристик и высокого рабочего напряжения, следует изучить менее дорогие соли с высокой растворимостью, такие как снижение концентрации электролита путем изменения интерфейса и использования смешанные вода / неводные растворители.

Рис. 11

a Окно электрохимической стабильности 1 м и 22 м KCF 3 SO 3 электролитов при скорости сканирования 10 мВ с −1 при использовании Ti-сетки в качестве токосъемника. b Циклические характеристики PTCDI / K x Fe y Mn 1- y [Fe (CN) 6 ] w · 87 2 9018 9018 90 O полные ячейки при 4 ° C. Воспроизведено с разрешения Ref.{+} \) ионная батарея была описана Wu и соавторами в 2017 году с (NH 4 ) 1,47 Ni [Fe (CN) 6 ] 0,88 в качестве положительного электрода и PTCDI (3,4 , 9,10-перилентетракарбоновый диимид) в качестве отрицательного электрода (рис. 12) [61]. Эта батарея имела среднее рабочее напряжение всего 1,0 В и низкую плотность энергии 43 Вт · ч кг -1 . Водно-аммониевый двухионный аккумулятор с максимальным рабочим напряжением 1,9 В и высокой плотностью энергии 51,3 Вт · ч. Кг -1 был сконструирован с использованием электродов из органического полимера [62].{+} \) положительные электроды имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал.

Рис. 12

a Принципиальная схема работы водных ионных аккумуляторов NH 4 + на основе положительных электродов Prussian White и отрицательных электродов PTCDI. b Зарядно-разрядные кривые водного NH 4 + -ионный аккумулятор в первом, втором, пятом и десятом циклах (60 мА г −1 ). c Производительность при езде на велосипеде при скорости 3 C [61].Воспроизведено с разрешения Ref. [61]. Авторское право 2017, Wiley – VCH. d Окно электрохимической стабильности 1 M и 25 m AmAc электролитов (1 мВ с -1 ). e Циклические характеристики TiO 1,85 (OH) 0,30 · 0,28H 2 O-электрод в 25 м AmAc (1 A г −1 ) [63]. Воспроизведено с разрешения Ref. [63]. Авторское право 2017, Wiley – VCH. (е) ЦВА электродов Zn и Na-FeHCF в 1 M (NH 4 ) 2 SO 4 + 20 мМ ZnSO 4 водный раствор при скорости сканирования 3 мВ с −1 . г Кривые заряда-разряда гибридных аккумуляторов Zn / Na-FeHCF. Воспроизведено с разрешения Ref. [64]. Авторское право 2019, John Wiley and Sons. ч Кривые заряда-разряда при различных плотностях тока и циклическая характеристика i гибридных аккумуляторов Zn / CuHCF при плотности тока 1800 мА г −1 . Воспроизведено с разрешения Ref. [65]. Авторское право 2019 г., Американское химическое общество

Как и в случае с ARLB, электролиты WiS могут использоваться для расширения диапазона напряжений.Недавно новый электролит WiS (25 м CH 3 COONH 4 ) был использован в AAIB, который имеет потенциальное окно 2,95 В (рис. {+} \) также является эффективным способом увеличения плотности энергии AAIB [64, 65].Наша группа была первой, кто сообщил о водной перезаряжаемой гибридной аммонийно-цинковой батарее (ARAHB), содержащей высокопрочный гексацианоферрат натрия и железа NaFe III Fe II (CN) 6 (Na-FeHCF) положительный электрод нанокуба и низко- недорогой цинковый отрицательный электрод, с рабочим напряжением 1,3 В и высокой плотностью энергии 81,7 Вт · ч. кг −1 (в расчете на общую массу активных материалов) (рис. 12f, g). Затем мы дополнительно увеличили плотность энергии ARAHB до 114 Вт · ч · кг -1 , используя наночастицы CuHCF в качестве материала положительного электрода (рис.12h, i).

Водные Zn-ионные батареи (AZIB)

Цинк является наиболее идеальным материалом для отрицательных электродов для водных аккумуляторов из-за его низкого окислительно-восстановительного потенциала (- 0,76 В по сравнению с SHE), высокой удельной емкости (820 мАч г -1 ) , богатые запасы и нетоксичные свойства. Он широко используется в качестве отрицательных электродов в щелочных батареях на основе цинка (таких как щелочные цинк-MnO 2 батареи [66], цинк-никелевые батареи [67, 68] и Zn // Co 3 O 4 батареи [69, 70], воздушно-цинковые батареи [71, 72], ионно-цинковые батареи и гибридные цинковые батареи.В последнее время было много обзоров по этим аспектам, поэтому мы не будем подробно останавливаться на них с точки зрения электродных материалов [73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85 , 86]. Здесь мы подводим итоги последних достижений в области цинковых батарей с высоким напряжением и высокой плотностью энергии. В Таблице 3 и на Рис. 13 представлены подробные данные о показателях работы АЗИБ, о которых сообщалось на сегодняшний день.

Таблица 3 Электрохимические свойства различных AZIB, AMIB, ACIB и AAIB с высоким напряжением и плотностью энергии Рис.13

Плотность энергии и средняя разрядная емкость различных AZIB, AMIB, ACIB и AAIB с высоким напряжением и плотностью энергии

Zn-MnO 2 Батареи на основе водных электролитов на основе слабой соли цинка в настоящее время являются важной темой исследований [87, 88,89]. Несмотря на значительный прогресс, механизм реакции хранения Zn 2+ в материалах на основе Mn остается спорным. Предыдущий обзор суммировал три механизма накопления заряда [73]: (а) обратимое введение / извлечение ионов Zn в объемных материалах; (б) обратимые протонные реакции, сопровождающиеся отложением сульфата гидроксида цинка; и (c) H + и Zn 2+ , которые последовательно внедряются / удаляются на разных этапах заряда-разряда.Основываясь на этих механизмах (рис. 14a), батарея Zn – MnO 2 использует только емкость и напряжение, обеспечиваемые окислительно-восстановительной реакцией пары Mn 4+ / Mn 3+ , ограничивая емкость батареи и выходную мощность. Напряжение. Это выдвигает новые требования к электрохимии цинка и марганца. Поскольку ион Mn поливалентен (+2, +3 и +4), двухэлектронная реакция Mn 4+ / Mn 2+ емкостью 616 мА г -1 и платформа с более высоким напряжением можно постулировать.Недавно был предложен новый механизм, который включает обратимое осаждение / растворение Mn 2+ / MnO 2 , химическое превращение (между MnO 2 и MnOOH) и внедрение Zn 2+ [90]. На основе уникальной двухэлектронной окислительно-восстановительной реакции Mn 4+ / Mn 2+ была собрана высоковольтная электролитическая цинково-марганцевая батарея с высоким плато разряда 1,95 В и высокой плотностью энергии 409 Вт · ч · кг. −1 , а также отличные характеристики при циклической работе (сохранение емкости 92% после 1800 циклов) (рис.14б, в).

Рис. 14

a Схема трехступенчатых процессов гальваностатического разряда. b Кривые гальваностатического разряда. c Циклические характеристики при 30 мА см −2 . Электролитические ячейки Zn – MnO 2 заряжаются при постоянном напряжении 2,2 В (по сравнению с Zn / Zn 2+ ) [91]. Воспроизведено с разрешения Ref. [91]. Авторское право 2017 г., Американское химическое общество)

Чтобы еще больше увеличить напряжение и удельную энергию Zn-MnO 2 батареи, мы можем использовать гибридный электролит с разными значениями pH, например щелочно-нейтральный электролит и щелочно-кислотный электролит.Недавно наша группа сообщила о батарее Zn // MnO 2 с щелочным (1 M NaOH и 0,01 M Zn (Ac) 2 ) -нейтральным (2 M ZnSO 4 + 0,1 M MnSO 4 ) гибридом. электролит и мембрана Na + -Nafion от DKJ Co. Ltd. Принцип ее работы показан на рис. 15а. Использование Zn / Zn (OH) 2- 4 отрицательный электрод в щелочном растворе, который имеет относительно низкий окислительно-восстановительный потенциал, напряжение батареи значительно увеличивается.Аккумулятор в сборе имеет среднее плато разрядного напряжения 1,7 В и удельную энергию 487 Вт · ч кг −1 [92]. Кроме того, за счет объединения двух окислительно-восстановительных реакций электрода растворения / осаждения MnO 2 / Mn 2+ и Zn / Zn (OH) 2− 4 с использованием двойных кислотно-щелочных электролитов и ионоселективной мембраны была сконструирована высокоэнергетическая батарея Zn-MnO 2 [93]. Рабочий механизм показан на рис. 15б.При зарядке Zn (OH) 2- 4 восстанавливается до Zn, а Mn 2+ окисляется до MnO 2 . В то же время катионы (K + ) и анионы (SO 4 2- ), хранящиеся в BPM, возвращаются на положительный и отрицательный электроды соответственно, достигая баланса заряда. В процессе разряда эти два процесса развиваются в противоположном направлении. Батарея Zn – Mn 2+ имела высокое рабочее напряжение 2.44 В, высокий кулоновский КПД 98,4% и сохранение разрядной емкости 97,5% после 1500 циклов. В частности, его удельная энергия чрезвычайно высока (≈ 1503 Вт · ч, кг -1 , рассчитана на основе материала положительного электрода), что является самым высоким показателем среди всех водных аккумуляторов на основе цинка, о которых сообщалось до сих пор, и даже сопоставимо с таковыми из Zn- воздушные батареи.

Рис. 15

a Принципиальная схема разработанной водной цинково-марганцевой батареи [92]. Воспроизведено с разрешения [92].Авторское право 2020, Американское химическое общество. b Принципиальная схема и механизм Zn – MnO 2 аккумулятора с двойным кислотно-основным электролитом в условиях заряда и разряда. [93] Воспроизведено с разрешения Ref. [93]. Copyright 2020, Wiley – VCH

PBA

имеют трехмерный открытый каркас и большую щелевую структуру и считаются обратимыми Zn 2+ материалами-хозяевами интеркаляции / деинтеркаляции с быстрой зарядкой и разрядкой, высоким рабочим потенциалом и идеальным электрохимические свойства.В материалах электродов PBA обычно только один ион переходного металла (в большинстве случаев железа) считается электрохимически активным в водной системе электролита, что приводит к его ограниченной удельной емкости в водном растворе Zn 2+ (≈ 60 мАч г −1 ), тогда как в большинстве случаев напряжение низкое (~ 1,2 В Zn / Zn 2+ ), и поэтому удельная энергия батареи мала. Недавно был разработан новый вид кубиков Co / Fe PBA (гексацианоферрат кобальта, CoFe (CN) 6 ), в которых ожидается, что ионы Co и Fe будут эффективно участвовать в процессе двухэлектронного накопления энергии, что приведет к усилению удельной емкости [94].Как проиллюстрировано на фиг. 16a, вакансии, образованные в результате извлечения ионов K из каркаса CoFe (CN) 6 , имеют тенденцию отдавать предпочтение интеркаляции Zn 2+ . Интеркаляция / деинтеркаляция Zn 2+ требует двух стадий из-за разной энергии активации активных пар Co (III) / Co (II) и Fe (III) / Fe (II), что подтверждается кривыми CV (рис. . 16b). Собранная батарея Zn / CoFe (CN) 6 не только имела отличную скорость и циклическую производительность, но также работала на плато 1.75 В (рис. 16c) и показал плотность энергии 250 Вт · ч кг -1 .

Рис. 16

a Принципиальная схема обратимой интеркаляции / деинтеркаляции Zn 2+ в структуре CoFe (CN) 6 во время процессов зарядки и разрядки. b Первые три цикла кривых CV (1 мВ с -1 ). c Кривые постоянного тока заряда – разряда при различных плотностях тока [94]. Воспроизведено с разрешения Ref. [94]. Авторское право 2019, Wiley – VCH. d Принципиальная диаграмма взаимосвязи между энергией и плотностью состояний (DOS) в Co 0,247 V 2 O 5 · 0,944H 2 O и V 2 O 5 · n H 2 O положительные электроды. Воспроизведено с разрешения Ref. [102]. Copyright 2019, Wiley – VCH

Оксиды на основе ванадия, которые обладают несколькими степенями окисления и высокой емкостью (> 300 мАч г −1 ), широко используются в качестве материалов положительных электродов для водных цинк-ионных аккумуляторов.Существуют различные оксиды на основе ванадия, которые обеспечивают значительную емкость и отличную циклическую стабильность, которые интенсивно изучаются, такие как V 2 O 5 · n H 2 O [95], NaV 3 O 8 · 1,5H 2 O [96], Ca 0,24 V 2 O 5 · 0,83H 2 O [97], H 2 V 3 O 8 [98, 99], K 2 V 6 O 16 · 2,7H 2 O [100] и ванадат алюминия [101].Однако неприятным аспектом является то, что 80% их емкости находится ниже 1,0 В, что приводит к низкой плотности энергии (<250 Вт · ч кг -1 ), что резко контрастирует с их большой емкостью. Чжи и его коллеги сообщили о цинково-ионной батарее на основе положительного электрода с нанолентой Co 0,247 V 2 O 5 · 0,944H 2 O, который обеспечивает 52,5% общей емкости выше 1,0 В и, следовательно, была получена высокая плотность энергии 432 Втч кг -1 [102].Результаты показывают, что большая емкость Co 0,247 V 2 O 5 · 0,944H 2 O обусловлена ​​его более высокой адсорбционной способностью для Zn 2+ , а высокое напряжение аккумулятора в основном из-за взаимодействия между орбиталями Co 3d и V 3d , которое перемещает относительный окислительно-восстановительный потенциал пары V 5+ / V 4+ на более высокий уровень (рис. 16d).

Материалы типа NASICON имеют большие каналы и способность к быстрой диффузии ионов и очень привлекательны в качестве узлов хранения Zn 2+ -ion.Na 3 В 2 (PO 4 ) 3 был зарегистрирован как положительный электрод водной Zn-ионной батареи, с напряжением 1,1 В, 97,5 мАч г после 100 циклов) [103]. Недавно сообщалось, что другой материал типа NASICON, Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 , является высоковольтным положительным электродом (более 1,6 В) для ионов цинка. аккумулятор, с окислительно-восстановительным потенциалом 0.На 5 В выше, чем у Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 [104]. Собранный цинк-ионный аккумулятор имеет высокий потенциал 1,62 В и высокую плотность энергии 97,5 Вт · ч кг -1 (рис. 17a). Что еще более важно, при плотности тока 1 A g -1 цинк-ионная батарея показала очень стабильную производительность при циклической работе, сохраняя 95% емкости в течение 4000 циклов (рис. 17b).

Рис.17

a Кривые заряда-разряда первых трех циклов CFF-Zn // Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 @C батареи ( 0.08 A г −1 ). b Циклические характеристики CFF-Zn (углеродная пленка, функционализирующая Zn) // Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 батареи @C (1 A g −1 ) [104]. Воспроизведено с разрешения Ref. [104]. Copyright 2018, Elsevier BV Сравнение производительности Zn / Co (III) rich-Co 3 O 4 батарей в 1 M KOH и 2 M ZnSO 4 с 0,2 M CoSO 4 : a заряд-разряд кривые, b производительность первых 500 циклов (1 A g -1 ) [105].Воспроизведено с разрешения Ref. [105]. Авторское право 2018, Королевское химическое общество

Как правило, в цинково-кобальтовых батареях используется щелочной электролит, который демонстрирует плохую устойчивость к циклическим нагрузкам и вызывает загрязнение окружающей среды. Окислительно-восстановительная реакция между CoO и Co 3 O 4 была обнаружена в батарее Zn / Co 3 O 4 с мягким водным электролитом [105]. Слой CoO, сформированный во время процесса разряда, показывает процесс преобразования вставки ионов H + в Co 3 O 4 .Батарея с высоким содержанием Zn / Co (III) Co 3 O 4 , использующая мягкий водный электролит, показала окно напряжения около 2,2 В (рис. 17c, d), что намного шире, чем у батареи с щелочными электролитами ( около 1,9 В).

Водные магниево-ионные аккумуляторы (AMIB)

Магниево-ионные аккумуляторы постепенно становятся еще одной популярной областью исследований, поскольку ресурсы Земли богаты магнием, который недорого стоит и подходит для разработки устройств хранения энергии.Ион магния похож на ион лития. Однако основные проблемы, связанные с неводными перезаряжаемыми Mg-ионными батареями, препятствуют их развитию: (а) их электролит чувствителен к воде и имеет сложные химические свойства; (b) отсутствие высокоэффективных электродных материалов также ограничивает практическую применимость Mg-батарей из-за медленной диффузии Mg 2+ в твердых телах. Напротив, водные магниево-ионные батареи (AMIB) имеют много преимуществ, таких как низкая стоимость, отсутствие коррозии, хорошая безопасность и хорошая проводимость.Однако из-за отсутствия подходящих материалов для отрицательного и положительного электрода большинство материалов электродов для AMIB, о которых сообщалось, оценивались только на полуэлементной установке. Ограниченные окном стабильности напряжения традиционных водных электролитов (1,23 В), напряжение и плотность энергии AMIB также очень ограничены [106]. Общеизвестно, что Mg вряд ли может быть осажден и удален обратимо в водном растворе, поскольку Mg является активным металлом и имеет низкий окислительно-восстановительный потенциал (-2,37 В противОНА). Недавние исследования показали, что обратимое осаждение / удаление металлического магния в электролите, содержащем H 2 O, возможно путем введения искусственной твердой поверхности раздела. Наша группа сообщила о гибридной батарее Mg / LiFePO 4 , в которой реактив Гриньяра на основе магния применялся в качестве отрицательного электрода для неводного электролита, а LISICON служил в качестве комбинированного сепаратора / твердого электролита. Эта гибридная батарея продемонстрировала среднее напряжение разряда 2,1 В, стабильное плато разряда и хорошие циклические характеристики (рис.18а – в) [107].

Рис. 18

a Схематическое изображение водной батареи Mg / LiFePO 4 . b Зарядно-разрядная кривая первого цикла (50 мАч g −1 , 1,7–3,4 В). c Циклические характеристики (50 мАч g −1 , 1,7–3,4 В) [107]. Воспроизведено с разрешения Ref. [107]. Авторское право 2015, Издательская группа Nature. d Сравнение циклических характеристик Mg / V 2 O 5 и Mg (с межфазной защитой) / V 2 O 5 in 0.5 M Mg (TFSI) 2 / PC электролиты без / с водой. e Кривые заряда-разряда для Mg / V 2 O 5 и Mg (с межфазной защитой) / V 2 O 5 в 0,5 M Mg (TFSI) 2 / PC + 3 MH 2 электролита O (0,5–2,5 В, 29,4 мА г, –1 ). Воспроизведено с разрешения Ref. [108]. Copyright 2018, Nature Publishing Group

Недавно искусственная Mg 2+ -проводящая граница раздела на поверхности отрицательного электрода Mg была синтезирована термоциклированием полиакрилонитрила и Mg (OTf) 2 .Искусственная межфазная фаза позволила осуществить обратимый цикл полной ячейки Mg / V 2 O 5 в водосодержащем электролите на карбонатной основе (рис. 18d, e) [108]. В таблице 3 и на рис. 18 приведены подробные сведения о производительности AMIB, о которых сообщалось на сегодняшний день.

Водные кальциево-ионные батареи (ACIB)

Химические свойства Ca 2+ очень похожи на свойства Mg 2+ . Хотя радиус катиона Ca 2+ (0,100 нм) больше, чем у Li + (0.076 нм) и катионов Mg 2+ (0,072 нм), его окислительно-восстановительный потенциал низкий (–2,87 В по сравнению с SHE), богат запасами и низкая плотность ионного заряда, что делает его альтернативным анодным материалом для пост-литий-ионных аккумуляторов. ионные батареи. ACIB также является потенциальной электрохимической системой. Известно немного материалов электродов с интеркаляцией кальция, в основном из-за медленной диффузии Ca 2+ . В настоящее время немногочисленные материалы положительных электродов для ACIB, о которых сообщается, в основном представляют собой ПБА [включая NiHCF [109], K 2 BaFe (CN) 6 [110] и CuHCF [111]], а указанные отрицательные материалы в основном являются органическими. электродные материалы, такие как PNDIE {поли- [N, N ‘- (этан-1,2-диил) -1,4,5,8-нафталинтетракарбоксиимид]} [112].

До сих пор сообщалось только об одном ACIB, состоящем из отрицательного электрода PNDIE и PBA, гексацианоферрата меди {CuHCF, K 0,02 Cu [Fe (Cu) 6 ] 0,66 · 3,7H 2 O }, в качестве положительного электрода и водный раствор Ca (NO 3 ) 2 в качестве электролита (рис. 19) [112]. Полная батарея продемонстрировала удельную емкость 40 мАч g -1 при 1 ° C (1 C = 40 мАч g -1 ) со средним рабочим напряжением 1,24 В, что соответствует плотности энергии 54 Втч кг — 1 , и сохранение емкости 88% с почти 100% кулоновским КПД после 1000 циклов при 10 ° C.

Рис. 19

a Принципиальная схема зарядки и разрядки водной перезаряжаемой Ca-ионной батареи (PNDIE // Ca 0,3 CuHCF). b CV-кривые электродов и электрохимическая стабильность электролита [2,5 M Ca (NO 3 ) 2 , 1 мВ с -1 ]. c График зависимости напряжения от времени для аккумуляторов PNDIE // Ca 0,3 CuHCF (450 мАч g −1 ). d Циклические характеристики PNDIE // Ca 0.3 батареи CuHCF (400 мАч г −1 ). Воспроизведено с разрешения Ref. [112]. Copyright 2017, Wiley – VCH

Водные алюминиево-ионные батареи (AAIB)

Алюминий обладает высокой удельной объемной емкостью (8046 мАч см −3 ) и высокой гравиметрической емкостью (2980 мАч г −1 ), что составляет сравним с металлическим литием, имеет высокое содержание (около 8 мас.% земной коры) и является самым дешевым в производстве, за исключением железа. Кроме того, металлический алюминий имеет лучшую стабильность на воздухе, чем литий, что снижает потенциальные риски для безопасности, а также является экологически чистым.Введение ионных жидкостей при комнатной температуре (RTIL) с широким электрохимическим окном стабильности улучшило обратимость процесса удаления / нанесения покрытия из Al — прорыв, открывающий жизнеспособный путь для перезаряжаемых алюминиево-ионных батарей (AIB) [113,114,115]. В последние годы успешное приготовление новых электролитов и лучшее понимание природы SEI привело к разработке AAIB [116, 117]. Многие исследователи исследовали новые электродные материалы для AAIB, такие как TiO 2 [118,119,120,121], MoO 3 [122, 123], WO 3 [124], FeVO 4 [125] и PBA [126,127,128]) , и некоторые обзоры всесторонне резюмировали эту работу [129,130,131,132].Поэтому мы обсудим этот аспект лишь кратко и сосредоточимся на недавнем прогрессе в исследованиях высокоэнергетических перезаряжаемых AAIB на основе металлического алюминия. В таблице 3 представлены подробные сведения о производительности AAIB, о которых сообщалось на сегодняшний день.

Использование алюминия в качестве отрицательного электрода AAIB — захватывающий прорыв. 5 м водный раствор трифторметансульфоната алюминия [Al (OTf) 3 ] описан как электролит с потенциальным окном от — 0,3 до 3,3 В (по сравнению с Al 3+ / Al) и способностью получать обратимое осаждение / удаление алюминий (рис.20) [116]. На основе этого электролита AAIB был собран с отрицательным электродом из металла Al и положительным электродом из Al x MnO 2 · n H 2 O, который имел средний потенциал (1,1 В) и выдающаяся плотность энергии 481 Втч кг −1 [117].

Рис.20

a Окно электрохимической стабильности 5 м водного раствора Al (OTF) 3 (стеклоуглерод, 10 мВ с -1 ). b Зарядно-разрядная кривая при постоянном токе симметричного элемента Al – Al (5 м Al (OTF) 3 ). c График заряда-разряда первых пяти циклов батареи Al-MnO 2 . d Циклические характеристики батареи Al – MnO 2 . Воспроизведено с разрешения Ref. [117], Copyright 2019 Nature Publishing Group

Хорошо известно, что пассивирующий слой Al 2 O 3 быстро и необратимо образуется на поверхности металлического Al в воздухе, что препятствует усилиям по превращению воды в воду с высокой степенью обратимости. электрохимические ячейки на основе алюминия.Недавно сообщалось, что обогащенная ионной жидкостью (ИЖ) межфазная фаза на поверхности Al может быть получена путем погружения Al в кислотный электролит ИЖ, состоящий из AlCl 3 — [EMIm] Cl, более чем на 1 день, что приводит к коррозии пассивирующая пленка из Al 2 O 3 и предотвращала ее последующее образование [117]. Кроме того, такой интерфейс является постоянным и способствует миграции Al 3+ . С использованием этого искусственного SEI была создана водная батарея T – Al (обработанный ИЖ Al-анод) // MnO 2 с использованием водного Al (CF 3 SO 3 ) 3 электролитов, которые могли быть переработан и не показал значительного выделения водорода.Этот AAIB показал среднее напряжение 1,37 В и напряжение плато 1,40 В, обеспечивая удельную энергию около 500 Вт · ч · кг -1 (рис. 21). Характеристики были дополнительно улучшены за счет предварительного добавления 0,5 м MnSO 4 в водный электролит Al (OTf) 3 , который аналогичен батарее Zn / MnO 2 , где соль Mn 2+ улучшает оба емкость и циклические характеристики электрода из оксида марганца [133]. Эта батарея T-Al / 0,5Mn / Bir-MnO 2 продемонстрировала замечательную плотность энергии (620 Вт · ч кг -1 на основе массы MnO 2 типа бирнессита) и высокую сохраняющуюся емкость.

Рис. 21

СЭМ-изображение Al фольги (слева) и фольги T – Al (справа). b Зарядно-разрядная кривая при постоянном токе симметричных элементов Al – Al и T – Al / T – Al [2 м Al (CF 3 SO 3 ) 3 ]. Воспроизведено с разрешения Ref. [116]. Авторское право 2018, AAAS. c Кривые гальваностатического разряда / заряда водных алюминиевых батарей [2 м Al (CF 3 SO 3 ) 3 , 100 мА г -1 ]. d Вторые кривые разряд – заряд при постоянном токе для Al / Bir-MnO 2 , T – Al / Bir-MnO 2 и T – Al / 0.Аккумуляторы 5Mn / Bir-MnO 2 (100 мАч г −1 ). e Циклические характеристики батарей T – Al / Bir-MnO 2 и T – Al / 0,5Mn / Bir-MnO 2 . Воспроизведено с разрешения Ref. [133]. Copyright 2019, Wiley – VCH

WiS водный AlCl 3 в качестве электролитов был применен для создания AAIB на основе металлического Al, состав которого смог снизить начальный потенциал реакции выделения водорода до прибл. –2,3 В (по сравнению с Ag / AgCl), что позволило Al 3+ осесть на алюминиевый отрицательный электрод и расширить окно электрохимической стабильности AAIB примерно до 4 В [134].На основе этого электролита была успешно собрана алюминиевая / графитовая батарея с высокой удельной емкостью до 165 мАч g −1 , отличной стабильностью с сохранением емкости почти 99% и удельной энергией 220 Втч кг −1 . (Рис.22).

Рис. 22

a Принципиальная схема алюминиево-графитовой батареи во время разряда. b Зарядно-разрядные кривые постоянного тока алюминиевых графитовых ячеек при различных плотностях тока. c Циклические характеристики алюминиевых графитовых батарей (500 мА г -1 ).Воспроизведено с разрешения Ref. [134]. Авторское право 2019, Королевское химическое общество

Из-за ограниченной растворимости Al (OTf) 3 в воде очень трудно получить аналогичный электролит WiS для AAIB. Однако другие хорошо растворимые соли, такие как LiTFSI, могут быть введены для образования электролитов WiS. Например, смешанный электролит, содержащий 1 м Al (OTf) 3 + 17 м LiTFSI + 0,02 м HCl, был использован для создания перезаряжаемой водной батареи Al – S [135]. В этом смешанном электролите сверхконцентрированный LiTFSI не только ингибировал гидролиз полисульфида на положительном электроде, но также уменьшал побочную реакцию выделения водорода на отрицательном электроде, в то время как добавка HCl предотвращала образование пассивирующего слоя на поверхности отрицательного электрода.Собранная батарея Al – S имела начальную емкость 1410 мАч г -1 (в пересчете на массу серы) и сохраняла обратимую емкость 420 мАч г -1 после 30 циклов с приемлемой кулоновской эффективностью 97% ( Рис.23).

Рис. 23

a Гальваностатические кривые заряда – разряда первых двух циклов аккумуляторов Al‖Al (OTf) 3 + LiTFSI + HCl‖S / C (200 мА г −1 ). b Циклические характеристики батарей Al‖Al (OTf) 3 + LiTFSI + HCl‖S / C (200 мА г −1 ).Воспроизведено с разрешения Ref. [135]. Copyright 2020, Королевское химическое общество

Батарея Innolith, как сообщается, обеспечивает 4-кратную плотность энергии

Швейцарская энергетическая компания Innolith заявляет, что они разработали первую в мире перезаряжаемую батарею на основе лития с плотностью энергии 1000 Вт · ч / кг, которая обеспечит электромобилям запас хода более 1000 км без подзарядки. Батарея явно изготовлена ​​из менее дорогих материалов и негорючая.

Похоже, что Innolith удалось сделать три значительных прорыва в этом вопросе: негорючий характер батареи, ее высокая плотность и сокращение использования дорогих материалов.

Повышение безопасности аккумулятора заключается в использовании негорючего неорганического электролита. Кроме того, высокая плотность энергии батареи смогла сделать большой скачок из-за химии, которая, как говорят, преодолела плохие характеристики традиционных материалов на основе интеркаляции.

Председатель

Innolith Алан Гриншилдс объяснил, что прорыв произошел благодаря многолетним исследованиям всех аспектов неорганических электролитов.Он объяснил, что «Отсутствие органических материалов, имеющих решающее значение для стабильности мощного продукта Innolith, устраняет ключевой источник риска для безопасности и химической нестабильности высокоэнергетических батарей».

Innolith уже доказал революционный характер негорючих неорганических перезаряжаемых батарей, выпустив свой первый продукт — сетевые аккумуляторные батареи. Он был запущен в конце 2018 года с технологией неорганических литий-ионных аккумуляторов, способных выдерживать многие тысячи циклов за треть стоимости стандартных литиевых аккумуляторов.В настоящее время эта технология используется в США и предоставляет услуги быстрого регулирования частоты.

Innolith намеревается выпустить на рынок свой новый продукт под названием «Energy Battery» путем пилотного производства на предприятиях компании в Германии. За этим последует лицензионное партнерство с производителями аккумуляторов и автомобилей. По данным Innolith, на разработку и маркетинг новой ячейки уйдет от трех до пяти лет.

Тем не менее, были и другие попытки сделать прорыв в области аккумуляторных батарей, но до сих пор ни одна из них не дала результатов.Более того, Innolith держит в секрете многие химические детали — возможно, это можно понять на конкурентном рынке, но в то же время делает невозможным фальсификацию их заявлений. Так. доставка будет все как всегда.

innolith.com

Дополнительный отчет Норы Манти.

— РЕКЛАМА —

Технология Coperion для непрерывного производства аккумуляторных материалов. Надежные технологические решения, обеспечивающие неизменно высокое качество продукции: двухшнековые экструдеры ZSK, компоненты и гравиметрические питатели от Coperion и Coperion K-Tron специально разработаны для токсичных и труднообрабатываемых материалов в непрерывных производственных процессах.
www.coperion.com

.

No related posts.

Аккумуляторы ni cd: Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) для шуруповертов и аккумуляторного инструмента купить по низким ценам – интернет-магазин ВсеИнструменты.ру

Аккумуляторный квадроцикл детский: Квадроцикл Kreiss синий 2016 - купить в интернет магазине Детский Мир в Москве и России, отзывы, цена, фото

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *