Какой плотности залить электролит в аккумулятор? — 2 ответа
В автомобильных аккумуляторах обычно шесть банок для электролита. И этот электролит между собой не сообщается (если конечно не перевернуть аккумулятор, тогда электролит сможет перетекать например через вентиляционные отверстия).
Некоторые владельцы автомобилей называют банкой весь аккумулятор.
У вас как лопнуло? Трещина небольшая или через всю батарею? Вытек электролит только из одной банки или из всех шести?
Если пострадала только одна банка, а в других электролит имеется, то можно ареометром сделать замер плотности в соседней банке и ориентироваться на ту плотность, то есть заливать такой же электролит (в автомагазинах он продаётся, и дистиллированную воду тоже продают).
Необслуживаемый аккумулятор, это чаще всего батарея без пробок, и у вас нет возможности проверить плотность и уровень электролита (глазки не в счёт пока). Но… если возникла всё-таки необходимость проверки и доливки (как в вашем случае), тогда можно это сделать.
Опишу один из способов, однажды самостоятельно проверял и доливал в неослуживаемый аккумумулятор (глазок постоянно показывал низкий заряд и низкий уровень, вот я и решил проверить электролит).
Нужна дрель, сверло диаметром примерно на 4 или 5мм, заглушки пластиковые, лучше если они резьбовые (я когда в первый раз такую работу провёл, то заткнул латунными винтами, других затычек на тот момент не было в гараже, через месяц проверил — их чуть не полностью съела кислота). Потом пластиковых разных винтов набрал в отделе где продают клипсы (пистоны) для крепления различных чаще пластмассовых частей в машине. Если поставить пробочки без резьбы, то их могут вытолкнуть газы, образующиеся при подзарядке аккумулятора, поэтому надёжней будут пробки с резьбой. Ещё пригодился тонкий шланг от медицинской капельницы, его я надел на наконечник ареометра. Сам наконечник и толстоват и коротковат, а шланг от капельницы как раз годился для узкого просверлённого отверстия в аккумуляторе.
Сверху иногда видно в каком месте располагаются перегородки между банками в батарее аккумулятора. Если этого нет, тогда разметить на шесть частей длину аккумулятора, сверху конечно, ну как бы нарисовать те шесть банок которые есть там внутри. И вот посредине каждой банки я просверлил отверстия, через них делал отсос электролита ареометром для замера плотности и проверил уровень. Тогда плотность в заряженном аккумуляторе оказалась низкой, и я усиливал электролитом плотностью 1.4, который тоже продаётся в автомагазине, доводил плотность до 1,28 (в моих краях зима бывает морозная).
Если живёте и эксплуатируете автомобиль в южных регионах, то плотность электролита достаточна 1,25-1,27. Если же наоборот, вы в северных краях, тогда плотность нужна 1,27-1,29.
Выше 1,30 делать электролит не имеет смысла, потому что эта плотность уже рассчитана на очень сильный мороз, и большое повышение плотности электролита приводит к быстрому разрушению активной массы пластин аккумулятора. То есть с большой плотностью аккумулятор быстрее выйдет из строя.
Ну может и эта информация пригодится Ремонт трещин корпуса автомобильного аккумулятора ….
Добавлю, трещину в аккумуляторной батарее можно заделать растворенным в скипидаре пенопластом. Либо, тоже кусок пенопласта бросить в емкость с ацетоном, дождаться когда этот кусок превратиться в сгусток, достать его, проветрить малость на воздухе и потом этим как бы куском «пластилина», замазать трещину, втирая его в рассщелину.
какой электролит??? | caves.ru
Электролит для щелочных аккумуляторов (Эти данные выписаны мной в то время, когда я служил в армии из руководства по эксплуатации к щелочным аккумуляторам не помню какого типа использовавшимися для питания переносных радиостанций.)Срок службы щелочных аккумуляторов зависит от состава электролита.
В зависимости от температурных условий работы (использования)аккумуляторов, для максимально долгого сохранения ёмкости целесообразно работать с различными электролитами. Оптимальный состав электролита:
Температура: -15…+35 °С (допустимы кратковременные повышения температуры электролита до 45 °С.)
Состав: КОН +LiOH
Плотность: 1,19 –1,21 г/см3 +20 г/л (LiOH)
Температура: -25…-15 °С
Состав: КОН
Плотность: 1,25 г/см3
Температура: -40…-25 °С
Состав: КОН
Плотность: 1,27 г/см3
Температура: ≥+40…+60 °С
Состав: NaОН +LiOH
Плотность: 1,17 –1,19 г/см3 +от 10 до 15 г/л (LiOH)
Заряд необходимо проводить током 0,25С в течении 8 часов.
Температура: +10…+60 °С
Состав: NaОН
Плотность: 1,17 –1,19 г/см3
Температура: -15…+15 °С
Состав: КОН
Плотность: 1,19 –1,21 г/см3
Температура: +10…+30 °С
Состав: NaОН
Плотность: 1,17 –1,19 г/см3
Позволяет сохранить ёмкость аккумуляторов во время эксплуатации при температуре +40 °С в течении 1000 циклов применение составного электролита:
200 г/л КОН +20 г/л NaОН +10 г/л LiOH.
Формирование аккумулятора при этой температуре производить электролитом:
190 г/л КОН +30 г/л LiOH.
Летом и зимой в отапливаемых помещениях запрещается работать раствором КОН без добавления LiOH т.к. это приводит к безвозвратной потере ёмкости. 100 циклов при температуре +40 °С до 50% потери ёмкости от номинальной . У NaОН без добавления LiOH 200 циклов при температуре +40 °С до 20% потери ёмкости от номинальной.
Для ввода в строй: 190 г/л КОН +30 г/л LiOH.
Для эксплуатации: КОН плотностью 1,19 –1,21 г/см3 +10 г/л (LiOH)
Либо: 200 г/л КОН +20 г/л NaОН +10 г/л LiOH.
ЭТО ВАЖНО ЗНАТЬ!!!!
Замена электролита производится после разряда аккумулятора.
Замену электролита нужно производить через 100 циклов (заряд-разряд), но не реже одного раза в год.
Заряженные аккумуляторы должны храниться закрытыми, т.к. щёлочь поглощает углекислый газ из воздуха в следствии чего ёмкость аккумуляторов снижается, потому-то собственно щелочь время от времени меняется на новую.
При использовании электролита едкого натра, ёмкость батареи снижается на 5-15%
При смене электролита, в аккумуляторе остаётся от 20 до 40% старого электролита, который смешивается с новым.
Электролит меняется:
При переходе с летнего режима на зимний и наоборот;
В случае неисправности;
Для удаления скапливающихся вредных примесей (карбонатов) ухудшающих работу аккумуляторов.
После смены электролита необходимо дать отстояться батарее 2 часа и сообщить усиленный заряд.
Увеличение концентрации LiOH приводит к увеличению сопротивления электролита, а значит уменьшается разрядный ток, но зато увеличивается ёмкость аккумулятора.
Концентрация LiOH: 5 г/л, увеличение ёмкости: 10%
Концентрация LiOH: 20 г/л, увеличение ёмкости: 18%
Концентрация LiOH: 50 г/л, увеличение ёмкости: 22%.
Электролит необходимо хранить плотно закрытым.
Необходимо следить за тем, чтобы электролит в аккумуляторе не высох, т.к. из-за его кристаллизации аккумуляторы могут «разбухнуть» и прийти в негодность.
Аккумуляторы 2-3 раза промываются дистиллированной водой, после чего немедленно заливаются раствором едкого натра плотностью 1,17-1,18 г/см3 и пропитываются 2 часа новым электролитом. Затем аккумуляторам сообщается 2 усиленных заряда. Разряд после каждого из этих зарядов производится нормальным режимом в течении 8 час., но не ниже 1,0 вольт на элемент. После этих двух циклов электролит первой замены выливается из аккумуляторов и производится заливка свежим раствором едкого натра той же плотности. Затем повторяется 2 усиленных заряда и разряда в точности также , как и при первой замене электролита. Теперь следует нормальный 7 часовой заряд и следом за ним разряд. По данным этого разряда судят о том, как восстановилась ёмкость. Обычно она восстанавливается полностью.
|
При первичной заливке электролита в аккумулятор стартерной батареи автомобиля в условиях частного автосервиса следует придерживаться следующих правил: Нельзя приготавливать электролит для аккумуляторной батареи из концентрированной серной кислоты в неприспособленном для этого помещении. В крайнем случае можно приготавливать электролит на открытом воздухе с соблюдением всех мер предосторожности. Приготовление электролита реализуется вливанием серной кислоты в дистиллированную воду. Обратное вливание является грубейшим нарушением технической безопасности, так как может иметь место интенсивное вскипание и разбрызгивание кислоты. Приготавливать и заливать электролит в аккумуляторную батарею следует при температуре 15… 25°С. Плотность электролита, измеренная при приготовлении и заливке, приводится к температуре 25°С по формуле γ25 = γТ + 0,0007 (Т -25), где γТ плотность электролита при температуре измерения Т. Сначала приготавливают электролит с плотностью γ25 =1,40 г/см3, для чего в 650 объемных частей дистиллированной воды вливают 423 части концентрированной 94%-ной аккумуляторной серной кислоты. Использование технической серной кислоты недопустимо. При растворении серной кислоты в воде выделяется большое количество теплоты. Заливать в аккуумуляторную батарею можно только остывший электролит (15 Э Нормы расхода компонентов для приготовления 1 дм3 (л) электролита приведены в таблице:
При заливке электролита в аккумулятор приведенная плотность γ25 электролита обязательно указывается в сопроводительном документе на батарею; это необходимо для определения степени разряженности в дальнейшем. Плотность электролита при первичной заливке должна соответствовать климатической зоне эксплуатации автомобильного аккумулятора, а для влажных и холодных регионов также и времени года (смотрите таблицу ниже).
Для предполярных и полярных широт необходимо учитывать возможность замерзания электролита Из таблицы видно, что увеличение плотности электролита выше значения 1,31 г/см3 приводит к повышению температуры замерзания. Для точной подгонки плотности электролита при его заливке в батарею необходимо иметь дистиллированную воду и электролит с повышенной плотностью 1,4 г/см3. Если приготовленный электролит имеет плотность ниже требуемой, то в него доливается не аккумуляторная кислота, а электролит с повышенной плотностью. При необходимости понизить плотность в электролит доливают дистиллированную воду. Для удобства составления электролита с требуемой плотностью приведена таблица: | ||||||||||
Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Исследования, поддерживаемые JCESR, покрывают науку: новый электролит поддерживает конструкцию аккумуляторных батарей
Аккумуляторные электролиты, использующие хелатирующие агенты на основе амина, сольватирующие двухвалентные катионы, продемонстрировали стабильное и очень обратимое осаждение / удаление металлического Mg с помощью сканирующих электронных микроскопов (СЭМ) циклического анода Mg, показанного слева, вместе с типичной сольватационной оболочкой катиона Mg2 +. (Фото: Нина Бородина, Сингюк Хоу, Сяо Цзи из Университета Мэриленда.)Автором данного пресс-релиза является инженерная школа А. Джеймса Кларка, Университет Мэриленда.
Энергия, содержащаяся в литий-ионных батареях, может изменить технологию будущего поля боя, создавая мировой спрос на ключевые материалы для литий-ионных аккумуляторов, такие как литий, кобальт и никель, что создает проблемы с поставками для будущего производства.
Художественная визуализация аккумуляторных электролитов с использованием хелаторов на основе амина для содействия интеркаляции и деинтеркаляции ионов магния (Mg) (желтый) в высоковольтных катодах из оксида марганца.Хелатирующие агенты также способствуют обратимому нанесению металлического покрытия и зачистке на Mg-аноде. Реорганизация сольватной оболочки и модификация границы раздела электрод-электролит привели к плотности энергии в ионных батареях Mg 412 ватт-часов на килограмм на уровне электрода. См. Страницы 156 и 172. (Иллюстрация: В. Алтунян / Наука; данные: Сяо Цзи, Сингюк Хоу, Олег Бородин)Исследователи из Университета Мэриленда (UMD) и Команды развития боевых возможностей армии США, известной как DEVCOM, Army Исследовательская лаборатория разработала революционный аккумуляторный электролит, который может открыть новые возможности для многообещающих альтернатив, таких как перезаряжаемые магниево-металлические батареи.Подробное исследование этой новой аккумуляторной технологии было опубликовано 8 октября в журнале Science .
«Магния значительно больше, чем лития, что должно удовлетворить потребности постоянно растущего рынка аккумуляторов», — сказал Олег Бородин, армейский компьютерный химик из Объединенного центра исследований в области накопления энергии. «Низкий окислительно-восстановительный потенциал и большая емкость анода из металлического магния могут также потенциально обеспечить плотность энергии, сравнимую или даже большую, чем у литий-ионных батарей, в сочетании с оксидными катодами высокого напряжения.”
Бородин также пояснил, что по сравнению с литием магний образует меньше дендритов, что, по мнению экспертов, является основной причиной проблем с безопасностью литий-ионных аккумуляторов.
Несмотря на эти преимущества, металлические магниевые батареи по-прежнему сталкиваются с множеством проблем, препятствующих их развитию. Одна из основных проблем связана с сильной реакцией магния на обычные электролиты во время работы батареи — оба электрода должны быть совместимы с электролитом, чтобы батарея могла достичь достаточной плотности энергии.
В качестве материала анода магний имеет тенденцию к коррозии электролита и образованию толстого покрытия вокруг анода.
В то время как аналогичные покрытия в литий-ионных аккумуляторах обеспечивают диффузию ионов лития и защищают электролит от дальнейшего разложения, это покрытие вместо этого блокирует покрытие магнием и препятствует возникновению необходимых электрохимических реакций.
Пытаясь решить эту проблему, исследовательская группа UMD во главе с Чуншенг Ван, профессором химического машиностроения и директором Центра исследований экстремальных аккумуляторов, разработала новую стратегию проектирования, включающую новый класс растворителей.
К их удивлению, конструкция электролита не только предотвратила процесс коррозии, но также резко увеличила кинетику реакции как анода, так и катода, повысив общую производительность батареи.
«Предыдущие электролиты могли покрывать магний, но у них было много недостатков», — сказал Ван. «Это исследование решило эту проблему с помощью нового электролита, который позволил покрыть металлический магний, а также использовать катоды с более высоким напряжением. Впервые магниевый аккумулятор теоретически достиг такой же плотности энергии, как литий-ионный аккумулятор.”
Исследователи также обнаружили, что они могут применить тот же принцип конструкции к другим материалам, которые подпадают под категорию двухвалентных металлов, а не только к магнию.
«Магния значительно больше, чем лития, что должно удовлетворить потребности постоянно растущего рынка аккумуляторов. Низкий окислительно-восстановительный потенциал и большая емкость анода из металлического магния также потенциально могут обеспечить плотность энергии, сравнимую или даже большую, чем у литий-ионных батарей, в паре с оксидными катодами высокого напряжения.»- Олег Бородин
В своем эксперименте новая стратегия разработки электролита позволила исследователям обойти обычно наблюдаемые проблемы как для перезаряжаемых магниево-металлических батарей, так и для перезаряжаемых металлических кальциевых батарей.
«Испытание с кальцием демонстрирует, что эта конструкция электролита может быть распространена на другие типы мультивалентных батарей с низким потенциалом и расширяет выбор материалов электродов в целом», — сказал Сингюк Хоу, аспирант UMD и соавтор исследования.«Людей особенно интересует кальций, потому что потенциал кальциевого анода даже ниже, чем у магниевого анода, а также кальция очень много в земной коре».
Исследователи армиив основном поддержали исследование с помощью расчетов теории функционала плотности (DFT), которые помогли команде понять, почему новый электролит привел к этим улучшениям, и направить поиск новых электролитов.
«Армия помогла нам понять механику того, что именно произошло», — сказал Ван.«Мы знаем об этом явлении, но предоставленные ими расчеты сыграли важную роль в демонстрации этой технологии и того, что мы должны делать дальше, чтобы сделать ее лучше».
По словам Ванга, команда планирует оптимизировать электролит, а затем преобразовать концепцию в крупномасштабную силовую ячейку.
Бородин объяснил, что эта новая стратегия проектирования может означать настоящий прорыв в производстве двухвалентных металлических батарей после двух десятилетий исследований, связанных с проблемами, связанными с недостаточной плотностью энергии, вызванной несовместимостью электродов и электролитов.Это продвижение может изменить то, как армия снабжает энергией солдат на поле боя в будущем.
Перейдите по этой ссылке, чтобы прочитать исследование в выпуске журнала Science от 8 октября 2021 г.
Армейская исследовательская лаборатория внесла свой вклад в создание механизма для улучшения покрытия / удаления металлического магния, расчетов методом ТПФ и фильтрации растворителей. Доктор Бородин руководил исследованием и участвовал в написании рукописи.
(PDF) Модель процесса заполнения литий-ионных батарей электролитом
410 Thomas Knoche et al./ Процедура CIRP 41 (2016) 405 — 410
с целью улучшения эмпирических знаний о процессах. Расширение
понимания явлений процесса и корреляций между элементами
прокладывает путь для оптимизированного производственного процесса
и методологии для процесса и проектирования машин
. В то время как области продукта, оборудования
и реализации процесса тщательно проработаны, особенно
, явления процесса еще предстоит уточнить в дальнейших исследованиях
.Для некоторых эффектов были разработаны первые численные модели
, см., Например, моделирование поступления электролита
в одноэлектродные слои различной пористости [24].
Более того, существуют аналитические модели для описания простых
конфигураций смачивающих материалов, таких как уравнение Уошберна-
[16, 24]. О других эффектах, таких как образование пены,
сообщалось как препятствие процессу [4, 7, 9], но никогда не проводилось научной оценки
.То же самое относится к испарению
и его влиянию на ионную проводимость и свойства жидкости
в процессе заполнения. Междисциплинарные задачи
требуют сотрудничества между производственной технологией
и электрохимией.
5.2. Определение требований к процессу розлива и оборудованию
До сих пор процесс розлива должен быть заново разработан для
каждого типа электрохимической системы и типа ячейки [4].Таким образом, модель процесса
призвана помочь в разработке концепции процесса розлива
. Хотя общее количество элементов увеличится на
за счет уточнения модели, интерфейсы между феноменологией домена
и другими доменами практически не изменятся.
Таким образом, описана процедура разработки методов для
проектирования процесса розлива и подходящего оборудования
, хотя подробные методы еще предстоит разработать.Взяв
с практической инженерной точки зрения, можно извлечь данные
, необходимые для проектирования процесса розлива и устройства. Феноменология процесса
, желаемое качество, а также спецификации продукта
определяют, какие подэтапы процесса розлива
должны быть реализованы. Будут предложены базовые параметры для каждого шага
. Таким образом, модель процесса помогает пользователю в разработке процесса заполнения электролитом для случайной батареи.
Предлагаемая реализация процесса розлива служит основой для конструкции устройства розлива. Тем не менее, модель
не дает никаких руководящих указаний по созданию разливочного оборудования
, но помогает путем систематического создания требований
к его конструкции, представленных интерфейсами
между машиной и другими доменами. Таким образом, можно вычесть исчерпывающий набор требований
. Это помогает пользователю
в создании подходящего оборудования и упрощает наращивание мощности
.
6. Заключение и перспективы
Предложен подход для систематического описания процесса
знаний, который применяется к заливке электролита. Модель
сочетает в себе несколько методологий, чтобы обеспечить интуитивное понимание исследуемого процесса. Взаимозависимости
и причинно-следственные связи в основном описываются
графически. В то время как большинство областей тщательно проработаны,
уточнение феноменологии процесса требует междисциплинарных исследований
.На основе модели будет предложено руководство по проектированию процесса и оборудования для розлива
.
Благодарность
Результаты, представленные в этой статье, были достигнуты
в рамках проекта «ProLIZ», финансируемого
Федеральным министерством образования и исследований Германии.
Ссылки
[1] BCG. Аккумуляторы для электромобилей, 2010 г., http://www.bcg.com/
documents / file36615.pdf
[2] Wood DL III, Li J, Daniel C.Перспективы снижения затрат на переработку
литий-ионных аккумуляторов. J Power Sources 2015; 275: 234-242.
[3] Редди Т. Б., Справочник Линдена Д. Линдена по батареям. Нью-Йорк:
Макгроу-Хилл; 2011.
[4] Петтингер К.-Х. Fertigungsprozesse von Lithium-Ionen-Zellen. In:
Korthauer R. Handbuch Lithium-Ionen Batterien. Берлин, Гейдельберг:
Springer Vieweg; 2013. с. 221-235
[5] Wu MS, Liao TL, Wang YY, Wan CC. Оценка смачиваемости
пористых электродовдля литий-ионных аккумуляторов.J Appl Electrochemistry 2004;
34: 797-805.
[6] Решке Б. Способ заливки электролита в аккумуляторный элемент и устройство для
, реализующее способ. US 8047241 B2, 2011.
[7] Моризан Ю. Способ введения электролита. US 6497976 B1, 2002.
[8] Такимото К., Маекава Ю. Аппарат и способ впрыска жидкости в контейнер
. США 6706440 B1. 2000.
[9] Nemoto H, Kitho K, Enomoto A. Метод заполнения раствора электролита и конструкция батареи
литиевой вторичной батареи.US 6387561 B1, 2002.
[10] Hielscher T. Qualitätsmanagement in fertigungstechnischen Prozessketten.
Vorgehensweise zur fehlerbasierten Optimierung der gefertigten
Bauteilqualität. Дисс. Техн. Univ. Кайзерслаутерн. 2008.
[11] Eichgrün K. Prozessicherheit in fertigungstechnischen Prozessketten —
Systemanalyse, ganzheitliche Gestaltung und Führung. Дисс. Техн. Univ.
Кайзерслаутерн. 2003.
[12] Юнг Д. Практическая и учебная модель Optimierungsmodell (PPO-Modell) для
systematischen, kontinuierlichen Verbesserung komplexer Industrieller
Prozesse.Дисс. Univ. des Saarlandes, Саарбрюккен. 2000.
[13] Вестермайер М., Рейнхарт Г., Цайлингер Т. Метод определения качества
и классификации при производстве аккумуляторных элементов. 3
rd
международный электропривод
производственная конференция, 2013 г.
[14] Lindemann U. Methodische Entwicklung technischer Produkte. Methoden
flexibel undidentsgerecht anwenden. Берлин: Springer 2009.
[15] Фаулер М. UML Distilled.Краткое руководство по стандартному объектному моделированию
Language. Бостон: Эддисон-Уэсли; 2004.
[16] Pfleging W, Kohler R, Pröll J. Создаваемые лазером микроструктуры в ленточных литых электродах
для быстрого смачивания электролитом: новый технический подход с точки зрения затрат
эффективное производство аккумуляторов. Proc. SPIE 8968, лазерная микро- и
нанообработка VIII, 89680B, 2014.
[17] Sebastian G, Ogihara H, Zielke C, Metzdorf K, Fischer P. .EP2688124 (A1),
2014.
[18] Hecht T. Самоограничивающийся процесс заполнения электролитом. WO2014001212 (A1),
2014.
[19] Hecht T. Метод заполнения электролитом на основе модели. WO2013171057 (A1),
2013
[20] Мейснер Э. Способ изготовления батареи, заполненной жидким электролитом,
заправочной емкости для нее, машины и батареи. WO2013024020 (A1)
[21] Hohenthanner CR. Клиен А. Способ и устройство для заполнения электрохимической ячейки
.WO 2012069100 (A1), 2012.
[22] Washburn EW. Динамика капиллярного потока. Physical Review (1921)
17 (3), S. 273-283.
[23] Шэн И, Фелл ЧР, Сон Ю.К., Мец Б.М., Цзян Дж., Черч, Британская Колумбия. Влияние каландрирования
на смачиваемость электрода в литий-ионных аккумуляторах. Передний. Энергия
Рез. 2:56. 2014.
[24] Ли С.Г., Чон Д.Х. Влияние сжатия электрода на смачиваемость литий-ионных аккумуляторов
. J Power Sources 2014; 265: 363-369.
Конструкция электролита для литий-металлических анодных батарей в условиях экстремальных температур — Luo — 2021 — Advanced Science
В отличие от других систем, системы SSE обычно работают лучше при повышенных температурах, поскольку их литий-ионная проводимость значительно повышенная. Кроме того, поскольку SSE обычно содержат относительно меньше органического растворителя в своих композициях, SSE могут быть более термически стабильными. При более высоких температурах (<180 ° C) их ионная проводимость увеличивается, что приводит к улучшенным характеристикам.В этом разделе будут освещены важные стратегии проектирования систем электролитов, близких к твердому, и полностью твердотельных электролитов при высоких температурах, а также их недостатки / преимущества.
4.4.1 Твердотельные электролиты
Этот класс электролитов состоит из квазитвердых и гелевых. Квазитвердое состояние и гель-тип можно рассматривать как мост между полностью SSE и жидким электролитом, где с твердым материалом используются незначительные количества жидкости.Гибридный электролит можно рассматривать как смесь полимерного электролита и частиц SSE. Соответственно, свойства всех этих систем также представляют собой компромисс жидкого электролита и SSE. Почти твердые электролиты имеют тенденцию быть более механически гибкими по сравнению с настоящими системами SSE, что приводит к лучшему контакту с активными материалами. Поскольку подвижность молекул увеличивается с температурой, проводимость близких к SSEs обычно значительно выигрывает от работы при повышенной температуре (60 ° C). [ 101 ] Это делает этот класс электролитов пригодным для использования в некоторых средне-высокотемпературных аккумуляторных батареях. Однако они также имеют тенденцию быть более легковоспламеняемыми, чем твердотельные системы, из-за остаточного количества растворителя, который может выделяться при более высоких температурах во время отказа элемента.
Электролиты гелевого типа представляют собой смесь полимера и жидкого органического электролита. Обычный состав включает ПЭО, [ 102 ] полиметилметакрилат (ПММА), [ 103 ] сополимер винилиденфторида и гексафторпропилена (ПВДФ-ГФП), [] ] среди многих других.Гель, состоящий из двух компонентов, имеет отличный контакт с компонентами клеток благодаря своей высокой механической гибкости. Его высокотемпературные характеристики в основном ограничиваются точкой разложения геля. Температура стеклования ( T г ) полимерного электролита является ключевой, поскольку она сильно коррелирует с литий-ионной проводимостью. Кристаллическая полимерная сетка создает большое препятствие для транспортировки из-за жесткости полимерных цепей и, как следствие, низкой подвижности ионов лития. [ 105 ] Использование пластификатора (используемые обычные пластификаторы [ 106 ] включают этиленкарбонат, пропиленкарбонат, этиленгликоль и многие другие органические молекулы) значительно снижает T г до температуры значительно ниже комнатной, [ 106 ] с учетом переноса литий-ионных ионов. Квази-SSE было свободно определено в литературе, но часто включает использование твердых частиц (SiO 2 , [ 107 ] Al 2 O 3 , [ 108 ] Y 2 O 3 -ZrO 2 , [ 109 ] частиц металлоорганических каркасов, [ 110 ] SSE керамика, среди других ) в сочетании с полимерными и / или жидкими компонентами органического электролита (растворителем и / или солью).Помимо включения твердых частиц, квази-SSE очень похож на электролиты гелевого типа.
Ожидается, что высокотемпературная работа устройств, близких к SSE, будет благоприятствовать быстродействию из-за увеличения проводимости. Например, было продемонстрировано, что высокотемпературные свойства просто мембраны PVDF-HFP (до гелеобразования с жидким электролитом) являются весьма исключительными с термической стабильностью до 350 ° C, а также не легко воспламеняются. [ 112 ] Однако при поглощении жидкого электролита (≈86 мас.% Жидкого электролита) стабильность снижалась, и гель-электролит терял до 40 мас.% Своей массы при 150 ° C, вероятно, из жидкости. испарение. Такой большой выброс жидкости и высокая температура в основном сводят на нет преимущества безопасности от использования почти твердотельной системы и возвращают все проблемы, связанные с использованием жидких электролитов. При повышении температуры жидкий компонент геля может дестабилизироваться (испарение, утечка из геля), что приводит к значительному снижению рабочих характеристик (снижению проводимости, реакционной способности компонентов свободного жидкого электролита с LMA), а также к тепловым разгонам. [ 113 ]
Точно так же, как и электролиты гелевого типа, почти всегда сообщается, что потребность в жидком органическом компоненте, таком как этиленкарбонат, играет важную роль пластификатора для квази-SSE. [ 114 ] Термогравиметрический анализ в N 2 показывает содержание жидкого электролита ≈45 мас.%, При этом большая часть потери массы происходит при температуре> 180 ° C. Доля растворителя электролита в квазитвердых системах фактически почти идентична доле чистых жидких электролитов, а полимерный / неорганический каркас часто представлен в виде добавок или нескольких массовых процентов. [ 115 ] Хотя эта температура, вероятно, ниже любой аккумуляторной системы на основе LMA (очень близко к температуре плавления металлического Li), значительная утечка жидкого органического электролита при высоких температурах представляет проблемы для ограничения теплового разгона.
Несмотря на то, что в гелевых и квази-SSE системах присутствуют значительные количества жидкого электролита (> 40 мас.%), Экзотермические реакции при повышенной температуре, по-видимому, в некоторой степени затруднены.Например, дифференциальная сканирующая калориметрия до 300 ° C, выполненная Park et al. [ 116 ] показал значительное уменьшение экзотермического пика, наблюдаемого в катодной системе NMC 622, как показано на Фиг. 6a. В системе с жидким электролитом пик при 248,2 ° C составил 520 Дж / г -1 , в то время как квази-SSE с добавленным полимерным каркасом (LiTFSI, диметилкарбонат, триакрилат поликапролактона) дал небольшой 135,9 Дж / г -1 при 272 ° С. .7 ° С. Однако в этом испытании образец представлял собой просто списанный NMC 622 с делитированием с помощью квази-SSE, то есть испытания уровня материала. Поскольку безопасность в подавляющем большинстве случаев является основным аргументом в пользу перехода от жидкости к твердому телу, важно отметить, что необходимо провести более строгие и практически актуальные исследования термической стабильности, чтобы действительно прояснить точное улучшение тепловых характеристик гелевого электролита и жидкого электролита. Таким тестом может быть хорошо известная калориметрия с ускоренной скоростью (ARC), при которой используются образцы с уровнями мешочных ячеек (по крайней мере, 1 Ач с делитированным катодом с металлическим литиевым анодом). [ 117 ] Одно интересное исследование [ 118 ] провело тест ARC на ячейке мешочка (12 см 2 ). Твердый полимерный электролит продемонстрировал значительно повышенную температуру начала (247 ° C для твердого электролита против 90 ° C для жидкого электролита) и снижение максимальной скорости самонагрева (ниже 0,2 ° C мин. -1 с полимерным электролитом до> 1 ° C мин. −1 , рис. 6б, в соответственно). Однако катодом был LFP, который имеет гораздо меньшую реактивность, чем более популярные и энергоемкие катодные материалы с высоким содержанием никеля, и общая емкость элемента не сообщается.
а) Дифференциальная сканирующая калориметрия NMC 622 с жидким и квазитвердым электролитом (LiTFSI, DMC, триакрилат поликапролактона). Воспроизведено с разрешения. [ 116 ] Авторские права 2020, Американское химическое общество. б) скорость самонагрева по данным калориметрии с ускоренной скоростью (ARC) LiFePO 4 / Li ячейка с твердым полимерным электролитом (полиэфир с LiTFSI) и в) с жидким электролитом на основе карбоната в состоянии 50% и 100%. плата.б, в) Воспроизведено с разрешения. [ 118 ] Copyright 2017, Elsevier Ltd. d) схема конструкции самосшивающегося полимерного электролита при повышении температуры. Воспроизведено с разрешения. [ 119 ] Авторские права 2019, Королевское химическое общество.Интересно, что сшивание полимерного электролита при высоких температурах может быть интересным механизмом к встроенным функциям безопасности.Сшивка полимерного электролита при более высокой температуре будет по существу отключением батареи (рис. 6d). Поскольку катод и анод физически разделены и отсутствуют каналы для переноса ионов, возможность теплового разгона снижается. Это было продемонстрировано с использованием йодида лития и поливиниленкарбоната, где ячейка автоматически отключается (сшивается электролит) при 80 ° C, что приводит к увеличению импеданса ячейки на несколько порядков. [ 119 ] Хотя эта температура довольно низкая, теоретически гелевый электролит может быть синтезирован с более высокой температурой сшивки.
Кроме того, комбинированное использование только ионной жидкости и керамических частиц, которое, как было показано, обладает большим потенциалом в отношении тепловых характеристик. Ионные жидкости значительно менее воспламеняемы, чем органические растворители, и поэтому должны иметь более высокую термическую стабильность. Одним из конкретных примеров является использование бентонита, наполненного ионной жидкостью при комнатной температуре. [ 120 ] Согласно анализу ТГА, эта система электролитов начала демонстрировать потерю массы только при 355 ° C, а также стабильно циклически повторялась при 120 ° C в Li 4 Ti 5 O 12 vs Литиевый металлический элемент.К сожалению, окислительное разложение наблюдалось только при 3,1 В по сравнению с Li + / Li по данным линейной вольтамперометрии при 120 ° C, что делает его несовместимым с более распространенными катодами более высокого напряжения, такими как NMC, LCO и т. Д.
4.4.2 Твердотельный электролит
Использование жидкого электролита целиком или в качестве компонента в почти твердых системах неизбежно приведет к испарению при высокой температуре, представит возможность утечки и со временем подвергнется серьезной побочной реакции с электродами.Истинные твердотельные системы без помощи жидких электролитов разрабатывались в течение многих лет. [ 121 ] В последние годы безжидкостные SSE продемонстрировали значительный прогресс в литий-ионной проводимости до уровней, которые конкурентоспособны с жидкими органическими электролитами при комнатной температуре и улучшаются с повышением рабочих температур. [ 122 ] Благодаря высокой температуре плавления тепловые разгоны и электрохимическая реакционная способность значительно снижаются (из-за отсутствия любого испаряющегося органического электролита, то есть топлива), что делает твердотельные системы без жидкости очень привлекательный для работы при высоких температурах. [ 123 ] SSE (например, класс граната) обладают высокой устойчивостью к разложению при прямом контакте с металлическим Li. [ 122 ] Использование SSE без жидкости, вероятно, является одним из лучших вариантов для высокотемпературных батарей. SSE на основе граната (катод V 2 O 5 и анод из металлического Li) продемонстрировал хорошую стабильность цикла при 100 ° C и не воспламенялся в форме гранул. [ 123 ] Ионная проводимость увеличилась с 3.7 × 10 −4 См см −1 при комнатной температуре до 2,3 × 10 −3 См см −1 при 100 ° C, легко достигая проводимости в режиме жидкого электролита.
Хотя это может быть трудно сработать, тепловые разгоны все же возможны для SSE без жидкости, поскольку реакция между SSE и металлическим Li носит экзотермический характер. [ 124 ] Исследования ARC на различных типах SSE с металлическим Li показали, что тепловые разгоны все еще возможны ( Рис. 7a). [ 125 ] Было объяснено, что газ O 2 мог образоваться (что подтверждено теоретическими расчетами) из SSE, способствуя тепловому разгоне. Ожидается, что продукты разложения (включая газ O 2 ), образующиеся на границе раздела между SSE и металлическим Li, будут ускоряться при высокой температуре и, в свою очередь, как полагают, будут способствовать термической реакции неуправляемого нагрева (рис. 7b). Однако экспериментально O 2 обнаружено не было, что могло быть просто связано с быстрым характером реакции между O 2 и Li при высоких температурах.Из протестированных SSE (Li 1,5 Al 0,5 Ge 1,5 (PO 4 ) 3 , Li 1,4 Al 0,4 Ti 1,6 (PO 4 ) 3 , Li 3 x La 2 / 3- x TiO 3 и Li 6,4 La 3 Zr 1,4 Ta 0,6 O Z 12 (LLO) , Только LLZO (SSE типа граната) не показал значительного теплового разгона (самонагрева).Было хорошо известно, что реакция LLZO с металлическим Li имеет низкую термодинамическую движущую силу по сравнению с другими испытанными SSE (рис. 7c). [ 126 ] Термические разгоны можно также ожидать для SSE сульфидного типа, где обычно присутствуют PS 4 3-, которые были даже менее стабильны, чем фосфаты.
а) ARC-тест различных SSE, б) схема механизма теплового разгона.а, б) Воспроизведено с разрешения. [ 125 ] Авторские права 2020, Elsevier. c) схематическое изображение высокотемпературного Li-O 2 с помощью SSE и d) свободная энергия Гиббса реакции как функция температуры, указывающая на возможность четырехэлектронного процесса при повышенной температуре (≈150 ° C). c, d) Воспроизведено с разрешения. [ 130 ] Авторское право 2018, AAAS.Подобно циклическому воздействию повышенных температур металлического Li в жидких органических электролитах, безжидкие системы SSE могут также иметь улучшенную кинетику осаждения Li. [ 127 ] В жидких системах SEI, сформированный при 60 ° C, оказался более устойчивым, чем SEI, сформированный при комнатной температуре. [ 127 ] Отложения Li также оказались больше при повышении температуры. Вероятно, это связано с тенденцией к уменьшению поверхностной энергии с температурой и последующей неспособностью границы раздела LMA / электролит поддерживать высокую кривизну (то есть небольшие сферические отложения) в соответствии с модифицированным уравнением Юнга-Лапласа твердым телом / жидкостью. [ 128 ] Такие преимущества могут быть перенесены на твердые системы SSE / твердый металл Li. В настоящее время в основном не исследовано, будет ли увеличенная кинетика разложения SSE при контакте с металлическим Li более пассивным или более паразитическим. Кроме того, это, вероятно, также будет сильно зависеть от природы (ионная и электронная проводимость [ 129 ] ) границы разложения металла SSE / Li. Требуется дополнительная работа, чтобы понять масштабы часто заявляемых преимуществ безопасности от использования SSE.
В дополнение к очевидным преимуществам увеличения ионной проводимости и вероятным преимуществам безопасности использования SSE без жидкости по сравнению с электролитами, содержащими жидкость, существуют дополнительные преимущества, которые открываются при повышенных рабочих условиях для металлического Li с использованием SSE без жидкости. Характеристики SSE без жидкости при комнатной температуре и при повышенных температурах страдают от тех же проблем межфазного контакта, которые присутствуют в системах SSE при комнатной температуре.Соответственно, улучшающие контакт слои часто использовались для решения этой проблемы SSE гранатового типа с металлическим Li. [ 131 ] Одним из конкретных примеров, представляющих интерес, является использование сплава Li / Mg для SSE типа граната. Mg был напылен на SSE типа граната в качестве предшественника контактного слоя для металлического Li. Для легирования Mg металлическим Li требовалась стадия термообработки перед циклом (при 300 ° C). [ 132 ] Стабильная производительность в симметричной ячейке была достигнута в течение более 35 часов полного цикла, хотя и только при 0.1 мА см −2 . Что еще более важно, в недавнем исследовании сообщалось, что SSE сульфидного типа (Li 3 PS 4 ) также значительно выигрывают от аналогичного нанесенного контактного слоя. В частности, тонкий слой (≈60 нм) Au продемонстрировал улучшенные характеристики цикла, и было высказано предположение, что, когда ячейка работала при 100 ° C, Au in-situ диффундировал в Li и сплавлялся с ним на уровне Li / Li . 3 PS 4 интерфейс, возможно ограничивающий нежелательное образование межфазных пустот.При сопряжении с катодом NMC 111 неплохая производительность была получена при соответствующей плотности тока 1,3 мА · см −2 и большой емкости 6,5 мА · ч · см −2 всего при 100 ° C (по сравнению с 300 ° C. этап предварительной обработки, необходимый для слоя Mg), но всего за 5 циклов. [ 133 ]
SSE без жидкости также может выступать в качестве надежного физического барьера, предотвращающего химический переход. Отличным примером этого является высокотемпературная работа Li-O 2 батареи.Назар и др. [ 130 ] продемонстрировал использование SSE (Li 1,5 Al 0,5 Ge 1,5 (PO 4 ) 3 ) в качестве физического барьера, разделяющего катод и анод для высоких температур ( 150 ° C) Li-O 2 аккумулятор. Следует отметить, что эвтектическая расплавленная смесь LiNO 3 / KNO 3 использовалась в качестве электролита, контактирующего с электродами, для облегчения сложной реакции превращения O 2 в Li 2 O Благодаря этой уникальной конфигурации лаборатория- Масштабное четырехэлектронное электрохимическое восстановление O 2 до Li 2 O стало термодинамически возможным благодаря работе при повышенных температурах (рис. 7d).Кроме того, переход O 2 к металлическому аноду Li был предотвращен слоем SSE. [ 130 ] Эти работы выдвигают на первый план только две уникальные возможности, которые возможны при циклировании при более высокой рабочей температуре.
Энергия, батареи и вторичное использование
Основы электрохимии
Основные электрохимические процессы, такие как использование окислительно-восстановительных реакций для создания потока электронов, являются основой работы батарей.Большинство батарей или элементов основаны на гальванических элементах. Хорошими примерами батарей на основе гальванических элементов являются сухие батареи, обычно используемые в фонариках и транзисторных радиоприемниках; свинцовые аккумуляторные батареи — автомобильные аккумуляторы; и литий-ионные батареи, которые обычно используются в сотовых телефонах, цифровых камерах, ноутбуках и электромобилях. Гальванические элементы содержат катоды и аноды с некоторой формой электронного солевого мостика. Катод заряжен отрицательно, там, где происходит восстановление, и где накапливаются электроны.Противоположный конец спектра на батарее — это положительно заряженный анод, на котором теряются электроны. Следует отметить, что это когда ячейка работает. Соляные мостики помогают продлить срок службы батареи и замыкают цепь потока электронов. Без солевого мостика электроны не перетекли бы от катиона к аниону, так как цепь была бы неполной, и накопление остатков, которые собираются от использования батареи, сделало бы ее бесполезной, поскольку не было бы создано никакого заряда.
Важное различие между современными батареями и классическими гальваническими элементами заключается в том, что новые батареи полностью автономны и не требуют солевых мостиков, что дает им преимущество перед классическими гальваническими элементами. Вместо соляных мостов в батареях используется какая-то форма электролита, который, проще говоря, представляет собой вещество, которое может проводить электричество при растворении в воде. Поток электронов в батареях измеряется разностью электрического потенциала анода, окисленной части, и катода, положительной части, и измеряется вольтметром.Напряжение на этих элементах называется напряжением элемента батареи, потенциалом элемента и часто называется ЭДС элемента (электродвижущая сила). Важно помнить, что все они измеряются в вольтах.
Но как определить, какие элементы использовать для катодов и анодов? Используя стандартные восстановительные потенциалы, можно увидеть, какие элементы лучше всего подходят для создания батарей. Рассмотрение уравнения определения потенциала ячейки помогает понять, почему определенные элементы лучше использовать в качестве анодов, а некоторые — в качестве катодов.Eºcell = Eºcathode-Eºanode помните, что катод — это место, где происходит восстановление и где накапливаются электроны. Если посмотреть на стандартную таблицу потенциалов восстановления, то она показывает, насколько вероятно, что элемент будет восстанавливаться или приобретать электроны, таким образом, чем выше или более положительный потенциал восстановления, тем больше вероятность его уменьшения, и чем ниже или более отрицательный потенциал восстановления, тем более вероятно, что элемент должен окисляться и терять электроны. Это означает, что лучшие батареи создаются за счет наличия элемента с высоким потенциалом восстановления, чтобы иметь хороший катод, и элемента с очень низким потенциалом восстановления в качестве анода, чтобы создать самую большую разницу и самое высокое выходное напряжение.
Самое лучшее решение для повышения безопасности батарей может оказаться самым утомительным
Иногда батарейки взрываются. Кадры пугающие, но ученые и стартапы уже давно работают над созданием более безопасной батареи. Они возятся с дизайном и тестируют новые материалы в надежде решить проблему раз и навсегда. Но каждый подход, кажется, имеет загвоздку, и самое практичное решение на данный момент может оказаться самым скучным.
Улучшение аккумуляторов требует трех основных задач: отказ от воспламеняющихся жидкостей для твердой батареи; обеспечение пожаробезопасности компонентов аккумуляторных батарей; и, что утомительно, немного изменив существующие функции в батарее.Возможно, изменение, по крайней мере, в отношении батарей, происходит медленно.
Чтобы понять, как исследователи пытаются решить проблему, важно знать основы того, как работают батареи и почему они выходят из строя. Чтобы быть ясным, мы говорим о литий-ионных батареях, которые являются наиболее распространенным типом батарей, потому что литий хранит так много энергии. Ученые также разрабатывают магниевые батареи (они медленные) и серные батареи (они недолговечны), но литий-ионные батареи пока все еще остаются королем.
Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов или электрических проводников, расположенных на противоположных сторонах.Ионы лития перемещаются с одной стороны на другую, чему способствуют легковоспламеняющиеся химические вещества в середине, называемые электролитами.
Если вы в первую очередь сведете к минимуму ошибки, у вас будет меньше нужды в причудливых технологиях, чтобы спасти вас
Есть несколько причин возгорания батарей. Чаще всего из-за слишком сильного нагрева или плохой конструкции батареи электролиты реагируют таким образом, что выделяется тепло, а затем возникает неконтролируемая петля положительной обратной связи, называемая «тепловым разгоном», которая приводит к возгоранию.Производители аккумуляторов также помещают разделители между двумя сторонами аккумулятора, чтобы они не соприкасались. Если сепараторы выходят из строя, как это произошло в случае с Samsung, энергия перенаправляется на электролиты, что тоже приводит к возгоранию.
Итак, как мы можем это исправить?
Одно из самых разрекламированных решений — твердотельные батареи. Идея проста: вместо использования легковоспламеняющихся жидких электролитов сделать электролиты из твердых материалов; твердый аккумулятор с меньшей вероятностью загорится.Но ионам труднее перемещаться через твердые тела, чем через жидкости, а это означает, что твердотельные батареи сложны в разработке, дороги и могут иметь проблемы с производительностью.
Существует три основных подхода к созданию твердотельных батарей. «Вы можете сделать электролит из керамики, стекла или полимеров», — объясняет Майкл Циммерман, материаловед из Университета Тафтса и основатель компании Ionic Materials, производящей твердотельные батареи.
Керамика и стекло имеют тенденцию быть хрупкими, поэтому они легко ломаются при приложении давления.(Этот недостаток будет очевиден для всех, кто когда-либо ломал посуду.) Керамику и стекло также труднее производить в больших количествах, говорит Циммерман, что делает их непрактичными, поскольку нам нужно много батарей. Кроме того, в процессе их производства иногда выделяются токсичные газы.
Тогда есть полимеры. Некоторые полимеры могут проводить ионы, но обычно это работает только при очень высоких температурах. Команда Циммермана разработала полимер, который может проводить ионы при комнатной температуре, но также является огнестойким.В одном видео они демонстрируют, как его можно разрезать на части, не загораясь.
Сейчас Ionic Materials работает с производителями аккумуляторов, которым необходимо изменить способ изготовления аккумуляторов, чтобы они соответствовали новому полимеру. Надеюсь, говорит Циммерман, в ближайшие два-три года будут доступны ячейки.
Два или три года — это не так уж и далеко, но это тоже старый рефрен. «Было обещано, что твердотельные батареи появятся на рынке в ближайшие два-три года в течение последних четырех-пяти лет, и инвесторы становятся все более нетерпеливыми по поводу прогресса твердотельных аккумуляторов», — говорит Иэн МакКленни, аналитик. в Navigant Research, которая специализируется на исследованиях аккумуляторов.
Почти все производители электромобилей, с которыми говорил МакКленни, заявляют, что они совершили прорыв в твердотельных технологиях. (Например, автомобильный дизайнер Хенрик Фискер недавно сделал то же самое.) Но МакКленни считает, что почти все твердотельные батареи довольно далеки от коммерциализации. «Я не думаю, что твердотельные аккумуляторы действительно станут вариантом до начала или середины 20-х годов, потому что срок службы клеток еще не установлен», — говорит он. «Хлеб с маслом», который движет инновациями в области аккумуляторов, — это электромобили, и на данный момент большинство твердотельных аккумуляторов, вероятно, служат в течение полутора лет.Это может быть приемлемо для телефона, но вряд ли возможно для дорогого электромобиля.
Еще одна тактика в поисках более безопасной батареи — сделать сами электролиты огнестойкими, хотя и жидкими. Сурья Моганти — технический директор NOHMs Technologies. Они разрабатывают электролиты из «ионных твердых частиц», материала, похожего на соль, но жидкого при комнатной температуре.
Встраивание этого материала в электролит делает их негорючими, но, опять же, могут возникнуть проблемы со сроком службы батареи.NOHMs улучшает составы, чтобы батареи с их технологией могли работать до 500 циклов, а также работает с производителями над лицензированием технологии. Аналогичная проблема преследует исследователей, которые в прошлом году создали батарею на водной основе. Эта батарея безопасна. В отличие от других, менее мощных батарей на водной основе, он может достигать четырех вольт, что соответствует напряжению органических электролитов. Но он проработал всего около 70 циклов, и, как отмечает Моганти, производители аккумуляторов хотят аккумуляторы, рассчитанные как минимум на 500.
Из этих потрясающе звучащих технологий, похоже, нет ни одной, которая готова взять верх, — говорит МакКленни. Эти улучшения идут, и будет здорово, когда они появятся. Но, несмотря на головокружительные заголовки, этого не произойдет в ближайшем будущем.
Сейчас самая эффективная стратегия, вероятно, заключается не в больших изменениях и изобретении батареи. Это происходит из-за изучения существующих функций и их небольшого улучшения. Например, батареи уже содержат систему управления батареями, которая представляет собой программное обеспечение, которое отслеживает, как работает батарея, и может определять, что что-то идет не так.Одним из полезных исправлений было бы улучшение BMS. В конце концов, система управления уже является частью каждой батареи, и производителям не нужно искать творческие и дорогостоящие способы интеграции новой технологии. «Компании могут использовать передовые датчики или другие способы сбора данных на уровне ячеек, особенно в случае крупных установок, где у вас есть тысячи ячеек, составляющих систему батарей», — говорит МакКленни. «Возможность точно определить, какая ячейка не соответствует стандартам, может увеличить срок службы батареи.”
Это похоже на подход, принятый Amionx, компанией, занимающейся безопасностью аккумуляторов из Сан-Диего. (Это «Am-ionics».) Amionx возникла из компании American Lithium Energy, производящей аккумуляторы, и ее исследования были начаты с попытки создать пожаробезопасные батареи для военных.
Их подход, названный SafeCore, является последней линией защиты, говорит главный операционный директор Билл Дэвидсон. SafeCore не меняет компоненты самой батареи. Это дополнительный слой материала внутри ячейки, который останавливает огонь до того, как он начнется.При срабатывании чего-то вроде слишком большого количества тепла или слишком высокого напряжения слой разрывает соединение между электродами и частью батареи, отвечающей за регулирование прохождения электричества через устройство. Это полностью отключает аккумулятор.
Как и другие компании, Amionx специализируется на лицензировании технологии для существующих производителей аккумуляторов. Но если это окажется слишком медленным, они подумают о создании собственных ячеек, чтобы вывести их на рынок. «Я был бы разочарован, если бы не увидел этот продукт на рынке в 2019 году», — говорит Дэвидсон.
Несмотря на громкие случаи взрыва батареи — например, в телефонах Samsung Galaxy Note 7 — сегодня батареи со статистической точки зрения безопаснее, чем в прошлом. Но и сейчас ставки выше, чем когда-либо. Забудьте о телефонах: появление электромобилей заинтересовало всех — и их популярность, кстати, также означает рост возгораний аккумуляторных батарей электромобилей. И даже говорят об огромных батареях, которые служат резервными источниками для традиционной электросети и возобновляемых источников энергии.
Когда дело доходит до безопасности, самое простое решение — не обязательно технологическое, а структурное. Эксперты говорят, что мы уже достигли почти 90 процентов максимального времени автономной работы, теоретически возможного от литий-ионной батареи. Мы сами создаем проблемы, заставляя батареи работать быстрее и мощнее.
По словам МакКленни, если компании будут вносить постепенные улучшения вместо того, чтобы быстро искать решение — например, делали сепараторы тоньше для повышения энергоемкости и удельной мощности — батареи, которые они производили, могли бы быть более экологичными.Улучшение отдельных компонентов приводит к более устойчивому дизайну, который компания может продолжать развивать.
Если вы в первую очередь сведете к минимуму ошибки, у вас будет меньше нужды в технологиях, которые могли бы вас спасти.
Исправление 13 августа 2018 г. 12:00 PM EST: в более ранней версии статьи неверно говорилось, что МакКленни считал, что компании иногда срезают углы при производстве аккумуляторов.
«Исследование смачивания электролита в литий-ионных батареях: эффекты» Янпин Шэн
Члены комитета
Nidal Abu-Zahra, Junhong Chen, ChangSoo Kim, Jianlin Li
Ключевые слова
Микроструктура электрода, смачивание электролитом, литий-ионная батарея, производство, ртутная порозиметрия, сеть пор
Абстрактные
Помимо природных энергоносителей, таких как нефть, уголь и природный газ, литий-ионная батарея является многообещающим искусственным энергоносителем будущего.Этот процесс развивался от эпохи лошадиных сил до эпохи двигателей. Впереди еще много проблем, таких как низкая плотность энергии, низкая производительность, проблемы старения, высокая стоимость и безопасность и т. Д.
В литий-ионных батареях исследование производственного процесса так же важно, как и разработка материала. Производство литий-ионных аккумуляторов, включая производственный процесс (приготовление суспензии, нанесение покрытия, сушка и т. Д.), А также последующее производство (продольная резка, каландрирование и т. Д.) Также являются сложными и важными для общей производительности батареи.Он включает согласование емкости анодных и катодных материалов, исследование методом проб и ошибок толщины, пористости, активного материала и аддитивной нагрузки, подробные микроскопические модели для понимания, оптимизации и проектирования этих систем путем одновременного изменения одного или нескольких параметров. . При производстве одним из наиболее важных принципов является обеспечение хороших смачивающих свойств между пористыми твердыми электродами и жидким электролитом. Помимо свойств поверхности материала, этот процесс транспортировки электролита для заполнения пор в электроде после инъекции менее заметен в академических кругах, где для уровня лабораторных монетных элементов требуется всего 2-3 капли электролита.В промышленности важность переноса электролита хорошо известна, и он рассматривается как часть смачивания электролитом (или начального смачивания в некоторых ситуациях). Принимая во внимание практический срок использования, смачивание электролитом принято использовать в этой диссертации для процесса транспортировки электролита, хотя химия поверхности, касающаяся смачивания, не рассматривается.
Подробное исследование смачивания электролитом все еще отсутствует, хотя оно оказывает существенное влияние на производство. Смачивание электролита определяется свойствами электролита и микроструктуры электрода.В настоящее время для отражения характеристик смачивания электролитом используются только вязкость и поверхностное натяжение электролита. Сообщений о количественном измерении смачивания электролитом очень мало. Более того, имеются только простые качественные наблюдения, хорошие, плохие и удовлетворительные, о смачиваемости микропористых сепараторов. Следовательно, разработка метода количественного анализа имеет решающее значение для понимания механизма того, как смачивание электролитом зависит от свойств материала и производственных процессов.
В этой диссертации разработан метод количественных испытаний для анализа характеристик смачивания электролитом. Скорость смачивания, измеряемая методом баланса смачивания, используется для количественного измерения скорости смачивания электролита. Возможность определения скорости смачивания демонстрируется повторным тестом скорости смачивания между электролитами и электродами. Измерения различных электролитов, от простых растворителей до сложных промышленных электролитов, измеряются с помощью базовых электродов. Электроды с различным составом, активными материалами и производственным процессом, разделительные листы с различными материалами и добавками также измеряются с базовым электролитом.Поведение смачивания для различных материалов и производственных процессов может быть использовано для улучшения оптимизации производственного процесса.
Очень необходимо выявить механизм, лежащий в основе смачивания электролита, особенно влияние микроструктуры пор электрода. Электроды, состоящие из активного материала, связующего и технического углерода, формируются в ходе производственного процесса (реологическая обработка, покрытие, сушка) и постпроизводственного процесса (календарная обработка, нарезка и т. Д.). Структура пор также осложняется широким диапазоном размеров пор от нанометра до десятков микрометров. В этой диссертации концепция поровой сети, выявленная в тесте MIP (порозиметрия с проникновением ртути), используется для характеристики структуры пор электрода. Он состоит из случайной поровой полости и связанной части пор, которые дополнительно описываются процентом от общего объема пор, а также пороговым и критическим диаметром пор.
Влияние процесса каландрирования на смачивание электролитом, как демонстрация типичного постпроизводственного процесса, было выявлено путем анализа баланса смачивания.Количественный анализ структуры пор в рамках концепции сети пор используется для исследования эволюции структуры пор с увеличением силы каландрирования. На основе структуры пор для понимания механизма предлагается гипотеза о совместном воздействии капиллярного и сходящегося-расходящегося потока при смачивании электролитом. Дальнейшая демонстрация эффекта производственного процесса при добавлении избыточного количества углеродной сажи.