Сколько электролита в аккумуляторе: Сколько литров электролита в сухой батарее

Содержание

Сколько электролита входит в аккумулятор

Cледите за чистотой корпуса АКБ, наличие грязи, пыли, капелек электролита приводит к саморазряду АКБ.
Устраните налёт на выводах АКБ и наконечниках проводов, зачистите их.

При снятии АКБ с автомобиля следует отсоединить сначала отрицательную клемму (-), а затем положительную (+). При установке подсоединить сначала положительную клемму (+), а затем отрицательную (-).

После соединения клем проводов с выводами батареи те и другие покройте защитной плёнкой: смазка ПВК или ВТВ-1, защитные составы типа «Унисма», WD-40.

* Регулярно, примерно раз в месяц, проверяйте уровень и плотность электролита. Если корпус прозрачный, уровень должен быть между отметками « минимум» и «максимум». Если корпус (непрозрачный) уровень электролита измеряется мерной стекляной трубочкой. Уровень электролита должен быть выше пластин на 10 мм. или до «лапки» в банке.

* Если уровень электролита ниже нормы в АКБ нужно доливать только дистиллированую воду.

(Серная кислота не испаряется, испаряется только вода).

Примерно раз в месяц (а особенно в зимний период) необходимо проверять плотность электролита, и в случае падения плотности ниже 1,25г/см2 подзаряжать АКБ только на стационарном зарядном устройстве, обязательно выкрутите заливные пробки если они имеются.

Необходимая плотность электролита в разряженной АКБ (плотность примерно ниже 1,24 г/см2), достигается только путем непрерывной зарядки АКБ стационарным зарядным устройством током 1/10 емкости батареи, с обязательным выкручиванием заливных пробок.

* В полностью заряженной АКБ плотность электролита должна быть 1,27+0,01 г/см2. (при t + 15º C)

* Помните! Если степень заряженности батареи 80% ( плотность примерно 1,24 г/см2) и ниже, генератор не сможет зарядить АКБ до 100% её ёмкости, даже при длительной работе автомобиля, её нужно снять с автомобиля и зарядить стационарным зарядным устройством до 100% её ёмкости.

Определить причину разряда АКБ:

* реле регулятор не обеспечивает необходимое (13,9 −14,5V) напряжение на выводах АКБ;

* коротит или клинит стартер, в этом случае при запуске от АКБ требуется большой ток;

* плохой контакт между выводами АКБ и клемами проводов, что мешает нормальному заряду АКБ;

* из-за подмыкания в электросети существует постоянная утечка тока;

* другие бытовые случаи: работа на длительное потребление тока при выключенном двигателе (радиоприемник, салонное освещение, габаритные огни и т.

п.), длительная работа сигнализации, «прикуривание» на неисправные автомобили и другие случаи. (Прикуривать не рекомендуем, особенно тонкими проводами и плохами «крокодилами», так как может прогореть вывод в АКБ и призойти взрыв АКБ)

Нельзя эксплуатировать аккумуляторы с плотностью электролита ниже 1,25 г/см. (при t + 15ºC).

* при запуске происходит интенсивное кипение, темнеет электролит, осыпается активная масса пластин в АКБ, возможен взрыв.

* происходит сульфатация пластин, что приводит к уменьшению отдачи по току и подмыканию между пластинами.

Не допускайте длительного разряда батареи большим током, иначе пластины батареи могут покоробиться, активная масса из них осыплется, и батарея выходит из строя.

Включайте стартер максимум на 5 сек., а после 3-х попыток делайте 30-ти секундный перерыв.

В зимний период, чтобы «прогреть» АКБ перед запуском двигателя, включите ближний свет на 30 секунд.

Степень заряжености необслуживаемых АКБ можно определить по напряжению на выводах, желательно измерять цифровым вольтметром, утром (после ночного простоя авто).

Если напряжение на выводах АКБ измеряется сразу после поездки или зарядки, необходимо снять избыточное напряжение, включив (не запуская двигатель) фары на 20–30 секунд и тогда степень заряжености можно определить так: 12,66 в — 100% зарядки, 12,44 в — 75%, 12,20 в — 50%, 11,95в — 25%, 11,65в — 0%

Температура замерзания электролита в АКБ в зависимости от плотности:

Исправность системы генератор — реле — регулятор можно проверить измеряя напряжение на клеммах АКБ при работающем двигателе.Оно должно быть в пределах 13,9в- 14,4в и не меняться при изменении оборотов двигателя.

Простой способ проверки реле регулятора: включить фары, свечение должно быть интенсивным (питание от генератора).При изменении оборотов двигателя яркость свечения не должна меняться.

Исправность стартера можно определить, измеряя напряжение на клеммах АКБ в момент запуска двигателя. При исправном стартере, и заряженном аккумуляторе напряжение в момент запуска падает не ниже

10,5 в. в зимний период.

Если АКБ разряжается в то время, когда автомобиль не эксплуатируется, виной может быть утечка в электросистеме. Необходимо отсоединить (при не работающем двигателе) наконечник (лучше от вывода «минус») АКБ и в разрыв включить амперметр, утечка должна быть в пределах

0,05А (примерно 0,05 А в случае наличия сигнализации, электрочасов, компьютера).

При длительной стоянке автомобиля (более недели, или постоянных простоях более недели) рекомендуем снимать минусовую клемму или заряжать АКБ после простоя до 100% плотности.

Пример: (норма утечки — 0,05 А х 24 часа =1,2 А х 14 дней (отпуск) =16,8 А;) ( если утечка 0,2 А х 24 часа =4,8 А х 14 дней = 67,2 А — дефект в авто.) Обращатя на СТО к электрикам.

Сейчас современные автомобили и их комплектующие очень надежны. Аккумуляторы в автомобиле также не являются исключением. Вот только многие забывают, что надежность — не гарант долговечности. Чтобы не случилось так, что, находясь где-нибудь на опустевшей трассе, ваш автомобиль перестал заводиться, необходимо хотя бы изредка проводить диагностику и замерять уровень электролита в аккумуляторе.

Правильное обслуживание АКБ

АКБ в автомобиле выполняет функцию обеспечения необходимым количеством электроэнергии стартера во время запуска двигателя. Также АКБ обеспечивает электричеством всю электронную систему автомобиля.

  • Обслуживаемые.
  • Малообслуживаемые.
  • Гибридные.
  • Необслуживаемые.

Для того чтобы аккумулятор прослужил долгое время и не подводил вас в неожиданный момент, его необходимо правильно и своевременно обслуживать.

Одним из самых важных пунктов для поддержания рабочего состояния является электролит для аккумуляторов. За ним нужно следить в первую очередь.

Второй, не менее важный пункт в работе аккумулятора – это плотность электролита. Проверяется она с помощью специального прибора – денсиметра или ареометра. В зависимости от времени года плотность жидкости должна быть разной.

Рекомендуемая плотность электролита в аккумуляторной батарее

Также аккумулятор нуждается в постоянной проверке его напряжения. Проверить напряжение в аккумуляторной батарее можно с помощью вольтметра, мультиметра или нагрузочной вилки.

Как проверяется уровень электролита

Электролит для аккумуляторов в жару имеет свойство испаряться, так как его основным компонентом является вода. Также к его испарению причастно и кипение аккумулятора в процессе эксплуатации. В связи с этим уровень его необходимо проверять постоянно. В летнюю жару идеальной будет ежемесячная проверка.

Проверить уровень можно визуально, если позволяет материал, из которого состоит корпус АКБ (он должен быть прозрачным). Если визуально не удается определить нужное, необходимо найти специальные метки на корпусе. С их помощью также можно попытаться установить уровень электролита.

Если же ни один из вышеперечисленных способов не помог, нужно открутить пробки на АКБ и при помощи стеклянной трубки определить количество жидкости.

Сделать это нужно так: опускаете стеклянную трубку в заливное отверстие, чтоб она уперлась в сетку пластины сверху. Прикрыв пальцем верхнее отверстие трубки, вытащить ее и замерить уровень жидкости. Он должен составлять приблизительно 10-15 мм.

Обратите внимание: если в АКБ уровень ниже нормы, то доливать необходимо не электролит, а дистиллированную воду. При выкипании из электролита воды увеличивается плотность. При доливке дистиллированной плотность вернется к норме.

Если же долить электролит и оставить плотность высокой, это приведет к быстрому выходу из строя АКБ в скором времени.

От того, какой электролит в аккумуляторе у вас залит и как вы его обслуживаете, зависит срок службы батареи.

Объемы электролита в разных АКБ

Если вы приобрели сухозаряженный аккумулятор или по какой-то причине решили поменять в своем аккумуляторе электролит, нужно знать необходимый объем жидкости, который нам понадобится.

Так сколько электролита в аккумуляторе должно быть? Его объем определяется по типу вашего аккумулятора, который приведен в таблице.

Климатические районы Время года Плотность электролита, приведенная к 25°C, г/см³
Заливаемого в аккумулятор Заряженной батареи При разрядке батареи на
25% 50%
С температурой зимой ниже -40°C Зима 1,28 1,30 1,26 1,22
Северные с температурой зимой до -40°C Круглый год 1,26
1,28
1,24 1,20
Центральные с температурой зимой до -30°C Так же 1,25 1,27 1,23 1,19
Южные Так же 1,23 1,25 1,21
Необходимый объем электролита
Тип АКБ Объем в литрах
45 А 2,7
55 А 3,4
60 А 3,4
75 А 4,1
90 А 5,4
190 А 10,5

Самостоятельное приготовление электролита

Если при проверке уровня жидкости в АКБ у вас под рукой не оказалось электролита, его можно приготовить самостоятельно.

При приготовлении электролита нужно использовать чистые материалы и соблюдать технику безопасности, так как кислота может нанести непоправимый ущерб вашему здоровью при смешивании с водой.

Обратите внимание, что в воду тонкой струей вливается кислота, а ни в коем случае не наоборот. Это может вызвать резкую реакцию и закипание воды, которая при разбрызгивании может попасть на вас.

Приготовить электролит для аккумуляторов несложно, зная определенные пропорции, но все же лучше приобрести его в магазине, так как стоит он недорого.

Обслуживание аккумулятора — занятие несложное. Если знать все необходимые параметры жидкости и своевременно их диагностировать, можно сохранить вашу АКБ в рабочем состоянии, и она будет долгое время служить вам верой и правдой.

Как показывает практика далеко не каждый, кто интересуется вопросом, сколько электролита в аккумуляторе, знает, что вообще такое электролит и зачем он нужен, поэтому сейчас вы получите ответы на все озвученные вопросы. Итак, обо всем по порядку.

Что такое электролит и зачем он вообще нужен?

Если вы уже успели прочитать на нашем портале статью: «Какая кислота в аккумуляторе автомобиля», то общее представление об электролите вы уже имеете. Если нет – разъясняем.

Электролит – это раствор серной кислоты и простой дистиллированной воды. Им в нужной концентрации и объеме заполняют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи для того, чтобы те благодаря химическим процессам происходящим с этим раствором могли хранить энергию. Отсюда, если концентрация или количество электролита в АКБ уменьшается, она перестает справляться в полной мере со своими обязанности и начинает нуждаться в замене или восстановлении. В последнем случае перед автомобилистами как раз и встает вопрос: сколько электролита должно быть в аккумуляторе.

Итак, сколько электролита должно быть в АКБ?

То, сколько электролита должна содержать аккумуляторная батарея автомобиля для максимально эффективной своей работы, напрямую определяется ее емкостью. Конечно, в зависимости от производителя возможна некоторая разбежка, но в целом объем электролита для аккумуляторов разной емкости будет следующим:

  • 55 А·ч – 2,5 л +/- 100 г;
  • 60 А·ч – 2,7-3 л;
  • 62 А·ч – около 3 л;
  • 65 А·ч – около 3,5 л;
  • 75 А·ч – 3,7-4 л;
  • 90 А·ч – 4,4-4,8 л;
  • 190 А·ч – порядка 10 л.

Но это лишь примерный литраж, он нужен больше для справки перед походом в магазин. В процессе же восстановления аккумулятора нужно ориентироваться не на него, а на особые метки, присутствующие на корпусе последнего. Теперь подробнее.

Какой должен быть уровень электролита в аккумуляторе?

Если в вашем аккумуляторе присутствует шкала с минимумом и максимумом, то вопрос, до какого уровня следует заливать электролит, решается очень просто – по верхнюю черту, то есть до отметки «MAX»,

Если же такой шкалы нет, возможно, в отверстиях вашего аккумулятора есть «язычки», тогда электролита в АКБ нужно заливать столько, чтобы они покрылись 5 мм слоем раствора (полностью в него погрузились).

Ну, а если нет ни того, ни другого, залейте в АКБ электролит в рекомендуемом выше объеме (его должно быть не под завязку, а чуть меньше), а затем для самоконтроля возьмите стеклянную трубочку, диаметром до 5 мм и опустите ее внутрь АКБ, пока она не упрется в предохранительный щиток. Закройте верхнее отверстие трубочки пальцем и выньте ее наружу. Если уровень оставшегося в ней электролита находится в пределах 10-15 мм вы все сделали правильно – уровень электролита в АКБ оптимален.

Важно!

Если вы заметили, что уровень электролита в автомобильном аккумуляторе со временем стал меньше необходимого, его восполнение следует осуществлять лишь дистиллированной водой с небольшой плюсовой температурой – 15-25˚С, подробнее в статье – «Как поднять плотность электролита в аккумуляторе». Электролит может использоваться лишь в отношении абсолютно пустых АКБ.

Видео.

Сколько электролита должно быть в аккумуляторе? — Узнаю свое Авто!

Как показывает практика далеко не все, кто интересуется вопросом, сколько электролита в аккумуляторе, знает, что по большому счету такое электролит и для чего он нужен, исходя из этого на данный момент вы получите ответы на все озвученные вопросы. Итак, обо всем по порядку.

Что такое электролит и для чего он по большому счету нужен?

Если вы уже успели прочесть на отечественном портале статью: «Какая кислота в аккумуляторе автомобиля», то неспециализированное представление об электролите вы уже имеете. В случае если нет – разъясняем.

Электролит – это раствор серной кислоты и несложной дистиллированной воды. Им в объёме и нужной концентрации заполняют свинцово-кислотные аккумуляторные батареи чтобы те благодаря химическим процессам происходящим с этим раствором имели возможность хранить энергию. Из этого, в случае если концентрация либо количество электролита в АКБ значительно уменьшается, она перестает справляться полностью со собственными обязанности и начинает нуждаться в замене либо восстановлении. В последнем случае перед автолюбителями именно и поднимается вопрос: какое количество электролита должно быть в аккумуляторе.

Итак, сколько электролита должно быть в АКБ?

То, сколько электролита обязана содержать аккумуляторная батарея автомобиля для максимально действенной собственной работы, напрямую определяется ее емкостью. Само собой разумеется, в зависимости от производителя вероятна некая разбежка, но в целом количество электролита для аккумуляторная батарей различной емкости будет следующим:

55 А·ч – 2,5 л +/- 100 г; 60 А·ч – 2,7-3 л; 62 А·ч – около 3 л; 65 А·ч – около 3,5 л; 75 А·ч – 3,7-4 л; 90 А·ч – 4,4-4,8 л; 190 А·ч – порядка 10 л.

Но это только примерный литраж, он нужен больше для справки перед походом в магазин. В ходе же восстановления аккумулятора необходимо ориентироваться не на него, а на особенные метки, присутствующие на корпусе последнего. Сейчас подробнее.

Какой должен быть уровень электролита в аккумуляторе?

В случае если в вашем аккумуляторе присутствует шкала с максимумом и минимумом, то вопрос, до какого именно уровня направляться заливать электролит, решается весьма легко – по верхнюю линии, другими словами до отметки «MAX»,

В случае если же таковой шкалы нет, быть может, в отверстиях вашего аккумулятора имеется «язычки», тогда электролита в АКБ необходимо заливать столько, дабы они покрылись 5 мм слоем раствора (всецело в него погрузились).

Ну, а вдруг нет ни того, ни другого, залейте в АКБ электролит в рекомендуемом выше количестве (его должно быть не под завязку, а чуть меньше), а после этого для самоконтроля заберите стеклянную трубочку, диаметром до 5 мм и опустите ее вовнутрь АКБ, пока она не упрется в предохранительный щиток.

Закройте верхнее отверстие трубочки пальцем и выньте ее наружу. В случае если уровень оставшегося в ней электролита находится в пределах 10-15 мм вы все сделали верно – уровень электролита в АКБ оптимален.

Принципиально важно!

Если вы увидели, что уровень электролита в автомобильном аккумуляторе со временем стал меньше нужного, его восполнение направляться осуществлять только дистиллированной водой с маленькой плюсовой температурой – 15-25?С, подробнее в статье – «Как поднять плотность электролита в аккумуляторе».

Электролит может употребляться только в отношении полностью безлюдных АКБ.

.

Аккумуляторы GEL, AGM и особенности их обслуживания

Герметизированные автомобильные аккумуляторы с иммобилизованным (связанным, не находящимся в батарее в виде свободной жидкости) электролитом — это и есть аккумуляторные батареи типа AGM и GEL с предохранительным клапаном VRLA.

В производстве герметизированных батарей разработаны два способа связывания жидкого электролита:

  • загущение (получение гелеобразного) электролита — GEL;
  • адсорбция (пропитка) жидкого электролита в сепараторах из стекловолокна с высокой пористостью — AGM.

Создание полностью необслуживаемого свинцово-кислотного автомобильного аккумулятора стало возможным после изобретения сепараторов (межпластинных изоляторов, пропитанных электролитом) из стекловолокна с мельчайшими микропорами, в которых происходит кислородный цикл — замкнутая рекомбинация газов, иначе сказать переход молекул газа в другие химические соединения без «открытого» газовыделения.

Процессы, при которых происходит выделение кислорода и водорода, это:

  • Гидролиз — распад молекул воды на кислород и водород в электролите. При зарядном напряжении до 15,2V, процесс гидролиза практически отсутствует.
  • Выделения кислорода и водорода из намазки пластин при зарядке.

При увеличении на несколько процентов емкости отрицательных пластин в аккумуляторе, чем положительных, в ходе заряда положительные пластины полностью заряжаются раньше, чем отрицательные. Благодаря этому, активное выделение кислорода начинается до начала активного выделения водорода. Эта часть образующегося кислорода сразу вступает в химическое взаимодействие с активной массой (намазкой) отрицательной пластины. Одновременно образующийся кислород (на положительной решетке) и водород (на отрицательной решетке) попадают в микропоры сепаратора и там вновь соединяются.

Для увеличения скорости поступления кислорода от положительной пластины к отрицательной уменьшили объем «свободного» электролита.

Искусственное ограничение емкости положительных пластин и объема электролита привели к тому, что емкость таких аккумуляторов со «связанным» электролитом на 15-20% меньше, чем батарей со «свободным» электролитом того же объема и массы.

В качестве загустителя для создания гелеобразного электролита применяют силикагель, аллюмогель и другие вещества. При смешении с серной кислотой эти вещества образуют тиксотропный гель (вязкость уменьшается со временем).

В качестве сепараторов в подавляющем большинстве герметизированных аккумуляторов используют стекломаты из ультратонких волокон. Объемная пористость (способность пропитываться) современных стеклосепараторов достигает 80-85%. Их применяют для как для батарей GEL, так и AGM.

Технология производства батарей типа AGM немного дешевле, но емкостные показатели хуже, чем у аккумуляторов GEL. Свинцовые аккумуляторные батареи со «связанным» электролитом являются герметизированными, но не являются полностью герметичными как, например, никель-кадмиевые герметичные щелочные аккумуляторы. Во всех свинцовых герметизированных аккумуляторах есть предохранительный клапан VRLA (означает Valve Regulated Lead Acid, т.е. кислотная батарея с предохранительным клапаном). Он служит для того, чтобы давление внутри аккумулятора не превышало величины, которая является допустимой по условиям работоспособности и прочности корпусных деталей аккумулятора, проще говоря, что бы АКБ не лопнул. Дело в том, что, несмотря на используемые ограничения емкости положительных пластин, выделение водорода на отрицательной пластине в процессе заряда, особенно на завершающей стадии, полностью подавить невозможно. Причем скорость выделения водорода в конце заряда несколько выше, чем скорость выделения кислорода. Избыточная часть водорода вызывает увеличение давления внутри батареи и для избежания взрыва служит клапан.

Эксплуатация герметизированных аккумуляторов ограничена более узким диапазоном допустимого напряжения бортовой сети на автомобиле и при зарядке, чем для обычных батарей. Эту величину напряжения недопустимо превышать как при эксплуатации на автомобиле, так и при заряде стационарным зарядным устройством. Максимальное напряжение заряда 15,2 V. При достижении этого напряжения начинается активный процесс гидролиза (распада молекул воды в электролите на водород и кислород). В случае превышения величины напряжения на 0,05 V скорость газовыделения становится так велика, что ведет:

  • к нарушению контакта между активной массой пластин с электролитом (образуется газовая подушка).
  • к «высыханию» аккумулятора. Обильная потеря молекул воды из электролита в результате гидролиза (распада), а в батареях такого типа количество электролита сильно снижено, приводит к еще большему его уменьшению.

Все эти причины ведут к быстрому преждевременному выходу из строя батареи. Весьма жесткие ограничения величины зарядного напряжения и более высокая стоимость батарей AGM и GEL, в сравнении с обычными, создают определенные трудности для их широкого использования на автомобилях.

Зарядка

Зарядка аккумуляторов AGM и GEL производиться специальными зарядными устройствами в полном соответствии с инструкцией к зарядному устройству и АКБ. Для таких аккумуляторов надо использовать зарядное устройство имеющее индикацию, как по току, так и по напряжению, т.е. одновременно контролировать оба эти параметра.

При зарядке аккумуляторов жестко отслеживается температура электролита. Температура выше +45°C считается не допустимой и влечет за собой преждевременный выход из строя аккумулятора. Так же по этой причине не рекомендуется размещение таких батарей в подкапотном пространстве.

Особенность заряда AGM и GEL аккумуляторов это стабилизация заряда по напряжению, а не по току, что позволяет не допускать сильного газообразования.

Пример: Инструкция по эксплуатации АКБ AGM для БМВ

  • Напряжение заряда АКБ AGM для автомобилей БМВ не должно превышать 15,2 V.
  • Оптимальное напряжение заряда AGM аккумуляторной батареи должно быть 14,4-14,8 V (согласно инструкции производителя).
  • Температура аккумуляторной батареи во время зарядки должна составлять +15°C — +25°C.
  • Батарея считается достаточно заряженной, если зарядный ток падает ниже 2,5 А.
  • Если аккумуляторная батарея заряжается при более низкой температуре, то процесс зарядки завершается только после падения зарядного тока ниже 1,5 А.

Предостережение

  • Не заряжать батарею AGM и GEL ускоренным режимом зарядки. Быстрая традиционная зарядка аккумуляторов с применением обычных зарядных устройств может привести к существенной поломке (раздутию) а в крайних случаях от переизбытка газов корпус АКБ может взорваться.
  • Ни в коем случае не открывать пробки-клапана, так как в результате поступления из воздуха кислорода нарушится ее химическое равновесие, что приведет к потере функциональных свойств батареи.

Рекомендуемое зарядное устройство


Интеллектуальное зарядное устройство HYUNDAI (HY 1500 EXPERT)

6-ти ступенчатое зарядное устройство предназначено для зарядки свинцово-кислотных 6/12/24V аккумуляторных батарей легковых, грузовых автомобилей, мотоциклов, снегоходов, катеров (лодок), газонокосилок, тракторов, гидроциклов и т.д. Обслуживаемых и необслуживаемых, GEL, AGM, глубокого цикла (тяговые).

Емкость заряжаемых АКБ от 20 до 300 А/ч.

Зарядное устройство обладает высокой эффективностью и имеет защиту от ошибок, которые может допустить пользователь. В случае выключения питания зарядное устройство обладает памятью, переходит в режим ожидания и после включения питания продолжает заряжать с той же ступени. Имеет датчик контроля температуры, который регулирует напряжение заряда в диапазоне от-20°С до +50°С.

Устройство управляется с помощью 12-битного процессора ADC. Микропроцессор позволяет оценивать состояние батареи с анализом ее исправности и соответствующим образом устанавливает силу зарядного тока от 2 до 15 А и напряжение (в зависимости от типа АКБ и ее состояния). Это позволяет наиболее эффективно зарядить АКБ и продлить срок его службы.

Ещё почитать:

Гель или AGM?
Необслуживаемые аккумуляторы: Жидкостные, Гелевые и AGM

Твердоэлектролитно-межфазная конструкция в ограниченном ансамбле для твердотельных аккумуляторов

Твердотельные батареи (SSB) представляют собой одно из наиболее перспективных направлений в области накопления энергии. Однако развитие SSB в настоящее время ограничено сложными [электро-] химическими реакциями, которые неизбежно происходят на границе раздела частиц твердотельного электролита (SSE). Более того, учитывая материальную сложность таких систем, не существует простой методологии решения этой нестабильности интерфейса.В этой работе комбинированный высокопроизводительный метод вычислений ab initio и машинного обучения используется для изучения и проектирования твердотельного межфазного твердого электролита (SEI) с настраиваемой электрохимической стабильностью с использованием нашего уникального описания ансамбля с ограничениями. Машинное обучение показывает, что способность твердотельного SEI стабилизироваться за счет эффекта механического сжатия является невыпуклой и нелинейной, но тем не менее детерминированной функцией композиции. Сила этого подхода продемонстрирована с использованием границы раздела стеклянных и керамических сульфидных семейств твердых электролитов.Наконец, экспериментально подтверждено, что разработанные интерфейсы на самом деле разлагаются и электрохимически пассивируются на основе наших прогнозов.

Эта статья в открытом доступе

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

«Разработка усовершенствованных электродов и электролитов для хранения энергии» Кевин В. Нильсон

Название степени:

Доктор философских наук

Отделение:

Химия и биохимия

Аннотация

Электромобили, смартфоны и портативные компьютеры питаются от литий-ионных батарей.Это связано с тем, что литий-ионные аккумуляторы могут хранить больше энергии в меньшем пространстве, чем аккумуляторы других технологий. Кроме того, они перезаряжаемые и служат долго. Последняя Нобелевская премия по химии 2019 года была присуждена Джону Гуденафу, М. Стэнли Уиттингему и Акире Йошино «за разработку литий-ионных батарей». Благодаря своей работе они сделали автомобили, которые не сжигают ископаемое топливо, и телефоны, которые являются беспроводными и портативными. Литий-ионный аккумулятор не только обеспечивает питание вашего телефона, но и является невероятно эффективным способом хранения энергии из возобновляемых источников, таких как ветер, солнце или гидроэлектростанция.

С момента появления литий-ионных аккумуляторов на публичном рынке до настоящего времени основы технологии аккумуляторов оставались относительно неизменными. Это означает, что электрод из оксида металла, содержащий Co, сочетается с электролитом, содержащим Li. И Ко, и Ли — редкие элементы, у которых есть проблемы с устойчивостью. Замена этих компонентов может сделать батареи более энергоемкими и устойчивыми для будущих поколений.

В первой части этой работы описывается усовершенствованный синтетический метод изготовления электродов аккумуляторных батарей из возобновляемых органических материалов и элементов, богатых землей.Было обнаружено, что эти электроды обеспечивают плотность энергии, не уступающую таковой в современных литий-ионных технологиях. Электроды, представленные в этой работе, используют материал, называемый металлоорганическими каркасами (сокращенно MOF). Было обнаружено, что MOF в этой работе хорошо работают с литиевыми батареями и служат более 1000 циклов. Спектроскопические методы использовались, чтобы доказать, что как для металла, так и для органического компонента MOF выгодно накапливать энергию.

Другой неустойчивый компонент батареи — это литиевый электролит.В этой работе Са-электролиты были усовершенствованы и разработаны. Са — очень распространенный и нетоксичный элемент, который встречается повсюду. Эти качества делают его очень подходящей альтернативой Ли. Электролиты Ca имеют свойства, отличные от Li. Здесь исследуется очень важный вклад растворителя, используемого в электролите. В настоящее время для аккумуляторов работают не очень многие электролиты Ca. В этой диссертации был обнаружен новый рабочий электролит Ca и полностью протестирован на его способность работать в батареях Ca.Были испытаны две полностью функционирующие Ca-батареи с разными электролитами и электродами. Эти батареи являются наиболее энергоемкими из когда-либо заявленных батарей из кальция и напрямую конкурируют с литий-ионными батареями.

Рекомендуемое цитирование

Нильсон, Кевин В., «Разработка усовершенствованных электродов и электролитов для хранения энергии помимо литий-ионных батарей» (2021 г.). Все кандидатские диссертации и диссертации . 8080.
https://digitalcommons.usu.edu/etd/8080

Как аккумуляторы накапливают и разряжают электричество?

Кеннет Бакл, приглашенный ученый из Центра исследований интегрированного производства при Рочестерском технологическом институте, дает это объяснение.

Этот вопрос, который кажется простым и прямым, на самом деле наполнен тонкостью и сложностью. Во-первых, необходимо установить определение батареи. Существует множество химических и механических устройств, которые называются батареями, хотя они работают на разных физических принципах. Батарея для целей этого объяснения будет устройством, которое может накапливать энергию в химической форме и преобразовывать эту накопленную химическую энергию в электрическую, когда это необходимо. Это самые распространенные аккумуляторы, имеющие привычную цилиндрическую форму.Нет батарей, которые действительно хранят электрическую энергию; все батареи хранят энергию в какой-то другой форме. Даже в рамках этого ограничительного определения существует множество возможных химических комбинаций, которые могут накапливать электрическую энергию — список слишком длинный, чтобы вдаваться в его краткое объяснение.

Существует два основных типа химических аккумуляторных батарей: перезаряжаемые, или вторичные, и неперезаряжаемые, или первичные. С точки зрения хранения энергии или разряда электричества они похожи, это просто вопрос того, допускают ли задействованные химические процессы многократную зарядку и разрядку.

Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо также различать гальванический элемент и батарею, как я это определил. Первый — это основная единица электрохимического накопления и разряда. Батарея состоит, по крайней мере, из одной, но, возможно, из множества таких элементов, соединенных соответствующим образом. Поскольку фактическое действие накопления и разряда происходит в ячейке, этот ответ будет сосредоточен на том, что происходит на этом уровне.

Все электрохимические ячейки состоят из двух электродов, разделенных некоторым расстоянием.Пространство между электродами заполнено электролитом — ионной жидкостью, проводящей электричество. Один электрод — анод — позволяет электронам выходить из него. Другой — катод — их принимает. Энергия накапливается в определенных соединениях, составляющих анод, катод и электролит — например, цинке, меди и SO 4 соответственно.

Предполагая, что батарея приобрела свое заряженное состояние в результате перезарядки или производства, совокупный эффект химических реакций, происходящих между анодом и катодом, приводит к разряду электричества.Анод подвергается так называемой реакции окисления: во время разряда два или более иона электролита объединяются с анодом, образуя соединение и высвобождая один или несколько электронов. Одновременно катод подвергается реакции восстановления, в которой материал, из которого сделан катод, ионы и свободные электроны объединяются с образованием соединений.

Проще говоря, химическая реакция на аноде высвобождает электроны, а реакция на катоде их поглощает. Когда электрический путь, обеспечиваемый электролитом и внешней электрической цепью, соединяет анод и катод, две одновременные реакции протекают, и электроны, освобожденные на аноде, проходят через внешнее электрическое соединение и химически реагируют на катоде, заставляя элемент функционировать.Ячейка может продолжать разряжаться до тех пор, пока на одном или обоих электродах не закончатся реагенты для соответствующих реакций. В первичной ячейке это означает конец ее срока службы, а во вторичной — это просто время для подзарядки. Для вторичных элементов процесс перезарядки является обратным процессу разряда. Внешний источник постоянного электрического тока подает электроны к аноду и отводит их от катода, заставляя химические реакции происходить в обратном направлении до тех пор, пока элемент не перезарядится.

Вышеупомянутое представляет собой упрощенное объяснение того, как электрохимическая энергия, накопленная в элементе, удаляется как электрическая энергия в процессе разряда и восстанавливается в процессе перезарядки вторичного элемента. Одновременно происходит гораздо больше электрохимических и тепловых процессов, и для большинства практичных комбинаций элементов, упакованных в виде батарей, невозможно полностью охарактеризовать все процессы. Следовательно, это приближение первичных реакций является лишь кратким объяснением того, что на самом деле происходит, хотя оно должно служить для иллюстрации основных принципов в действии.

Аккумуляторные электролиты: новейшие графеновые композиты

Хранение электроэнергии теперь является важной частью нашей жизни. Зарядка и разрядка аккумуляторов в телефонах, ноутбуках, зубных щетках и все чаще в автомобилях и мотоциклах — обычное дело для большинства населения мира. Даже поезда и корабли, которые мы используем для перевозки товаров и людей по всему миру, обращаются к батареям, чтобы уменьшить свой углеродный след.

Поскольку мы больше полагаемся на аккумуляторы, чем когда-либо, повышение их эффективности становится необходимой и все более ценной областью исследований.

Литий-ионные и электролиты

В настоящее время литий-ионные батареи предлагают непревзойденное сочетание энергоэффективности и плотности мощности, что делает их идеальным выбором для портативных устройств. Однако, хотя литий-ионные батареи могут быть обычным явлением, их повсеместное распространение не означает, что нет места для инноваций.

Например, в недавнем блоге Каллума МакГуинна «Литий-ионные батареи — питание электромобилей будущего» исследуется потенциал новых катодных и анодных материалов для хранения большего количества энергии и повышения эффективности разряда литий-ионных аккумуляторов.Катод и анод представляют собой «коробки», соединенные электролитом. Заряженные ионы перемещаются между катодом и анодом через электролит, чтобы заряжать и разряжать аккумулятор. Каллум объясняет: « [в качестве] полезной аналогии, представьте себе небольшую коробку (катод) у подножия холма, набитую теннисными мячами (ионами лития). Чтобы зарядить аккумулятор, вы достаете шары из коробки и скатываете их вверх по холму во вторую коробку большего размера (анод). Как только все шары окажутся в верхнем ящике, вы можете отпустить их, чтобы скатиться с холма обратно в меньший ящик, и можно использовать высвобождаемую при катании электрическую энергию… ».

Если продолжить эту аналогию, электролит — это поверхность холма, по которой шарики катятся вверх и вниз. Таким образом, увеличение легкости, с которой шары могут катиться вверх и вниз по склону, путем модификации электролита представляет собой потенциальный выигрыш в эффективности.

В традиционных аккумуляторах используется жидкий электролит: раствор литиевой соли в органическом растворителе. Ионы лития протекают через раствор, перенося заряд между катодом и анодом. Однако для жидких электролитов существует внутреннее сопротивление потоку ионов, поскольку неупорядоченная молекулярная структура жидкости нарушает движение ионов.

Возвращаясь к приведенной выше аналогии, представьте себе холм, по которому перекатываются теннисные мячи, покрытый длинной неухоженной травой, препятствующей плавному катанию мячей вверх или вниз по склону. Шары медленнее катятся с холма и, следовательно, не хотят высвобождать накопленную энергию. Более того, часть накопленной энергии фактически выделяется в траву в виде тепла. Что касается батареи, это выделение тепла в электролит снижает электрический КПД батареи. Это также ограничивает максимальную скорость разряда, возможную с жидким электролитом, поскольку тепло, выделяемое в электролит, должно рассеиваться, чтобы не перегревать аккумулятор.

Добавляемый в смесь органический компонент электролита часто легко воспламеняется, что создает очевидную угрозу безопасности при повышении температуры.

Еще одним артефактом использования жидких электролитов является то, что микроволокна металлического лития могут осаждаться внутри раствора электролита, особенно при более высоких скоростях разряда. Эти осажденные литиевые нити могут прерывать путь ионов между анодом и катодом, уменьшая емкость батареи. Они также могут иметь более разрушительный эффект, если образуют мост между анодом и катодом, вызывая короткое замыкание — неконтролируемый разряд батареи, быстрый нагрев и, возможно, возгорание.

Чтобы снизить эти риски, необходимо поддерживать относительно большой зазор между анодом и катодом, заполненный таким же большим объемом жидкого электролита. Однако этот больший зазор и объем увеличивают сопротивление электролита (тем самым снижая эффективность), а также увеличивают размер батареи (тем самым снижая плотность энергии).

Твердые электролиты

Одно из возможных решений этих проблем — использование твердых электролитов.

Твердые электролиты обеспечивают более высокую плотность энергии и ускоряют разряд.Упорядоченную кристаллическую структуру твердого тела легче организовать так, чтобы ионы лития могли перемещаться и проходить сквозь нее, чем у жидкости. Таким образом, вместо холма, покрытого высокой травой, мячи имеют гладкую плоскую рампу, позволяющую быстро и эффективно катиться вниз. В результате меньше энергии рассеивается в электролите в виде тепла, что обеспечивает более быструю скорость разряда и большую эффективность.

Кроме того, твердый материал препятствует образованию нитей лития, поскольку образование нитей внутри твердой структуры просто термодинамически нецелесообразно.Это почти исключает риск короткого замыкания в батарее, поэтому слой твердого электролита можно сделать тоньше, а плотность энергии увеличить вместе с уменьшением физического размера наших батарей.

Однако не все гладко. Суть электролита в том, что он должен быть избирательно проводящим, позволяя переносить ионы лития, но не электроны, чтобы поддерживать разделение зарядов, необходимое для хранения электрической энергии. Это свойство присуще солевым растворам, используемым для жидких электролитов, но гораздо реже встречается в твердых телах.

Одно семейство материалов, которые действительно позволяют себе это имущество, — это керамика. Их пористая структура позволяет перемещать ионы лития через твердое тело, но отсутствие свободных электронов позволяет избежать параллельного переноса электронов.

Однако любой, кто уронил свою любимую кружку на пол, скажет вам, что механические свойства керамики не всегда соответствуют физическим требованиям, предъявляемым к современным батареям.

Керамика, пропитанная графеном

В начале 2000-х годов авиакосмическая промышленность стремилась улучшить механические свойства керамики, чтобы их превосходные тепловые свойства можно было использовать в космических аппаратах и ​​т.п.Они добились этого, включив наноматериалы по всей керамической матрице (как обсуждалось в статье Королевского общества «Микромеханика разрушения в нанокерамике»), чтобы повысить вязкость разрушения.

Недавно группа из Университета Брауна исследовала потенциал этого метода в электролитах керамических батарей (как объясняется в их статье Matter «Высокопрочные неорганические твердые электролиты с использованием восстановленного оксида графена»). Группа использует пластинки графена, равномерно распределенные по литий-алюминиево-титано-фосфатной керамике (LATP), чтобы обеспечить усиление.Композитный материал изготавливается путем смешивания пластинок графена и порошкообразного LATP перед нагреванием примерно до 1000 ºC с образованием более упругого керамического электролита. Фактически достигается более чем двукратное увеличение механической вязкости.

Как соотношение керамики и графена, так и размер графеновых пластинок необходимо тщательно контролировать. Графен обладает высокой проводимостью, поэтому увеличение доли графена или размера пластинок рискует увеличить электронную проводимость керамики, что сделало бы материал бесполезным в качестве электролита.

Группа обнаружила, что сохранение содержания графена на уровне около 1% по объему было оптимальным вариантом — повышение сопротивления разрушению, так что электролит можно было использовать в обычных приложениях, при этом не увеличивая проводимость в ущерб характеристикам батареи.

Синтез раствора

Тем временем группа из Калифорнийского университета применила другой подход к решению этой проблемы хрупкости — изучив способ производства батарей.

Традиционные технологии производства укладывают листы электролита между катодным и анодным слоями.Как только электролит плотно зажат между этими внешними слоями, катод и анод могут укрепить хрупкий электролит, но при предварительном сэндвиче лист электролита склонен к растрескиванию. В результате производители вынуждены использовать более толстые и прочные слои электролита для защиты от этих трещин. Конечно, это сказывается на плотности энергии и эффективности получаемых батарей, а это означает, что весь потенциал материала твердого электролита не может быть реализован.

Тем не менее, новаторский новый подход к производству аккумуляторов полностью исключает необходимость обращения с твердым электролитом и вместо этого формирует твердый электролит из раствора непосредственно на катоде (как описано в статье Королевского химического общества «Разработка химического состава растворов для низких энергий»). -температурный синтез твердых электролитов на основе сульфидов »).

Катод покрывают раствором P2S5, который затем «отверждают» обработкой нуклеофилом LiSEt.Анион LiS- разрывает связи фосфор-сера в P2S5 с образованием керамики β-Li3PS4. Эта реакция также может происходить при низких температурах, в отличие от 1000 ºC, необходимых для традиционных твердотельных синтезов, поэтому методика in-situ совместима со стандартными катодными и анодными материалами.

При использовании этого метода твердый электролит никогда не образуется без его катодного армирования, что означает, что слои можно сделать тоньше, не беспокоясь о требованиях к обращению с ним.Граница между поверхностями катода и электролита также более бесшовная, что повышает эффективность ионного потока между двумя материалами.

По аналогии с описанным выше графитовым армированием в эту керамику жидкой формовки также можно вводить дополнительные армирующие материалы. Полезно то, что низкотемпературный синтез позволяет использовать «стандартные» армирующие материалы, которые в противном случае разложились бы во время твердотельного синтеза при 1000 ° C. Например, кевларовые волокна теперь используются в тандеме с этим жидким синтезом β-Li3PS4 для создания ультратонкого армированного слоя электролита (как объясняется в статье Американского химического общества «Полностью твердотельные литий-серные батареи с катодной опорой и Высокая плотность энергии на клеточном уровне »).Используя каркас из кевлара, исследователям удалось получить пригодный к употреблению слой электролита толщиной всего 100 мкм — примерно на 50% меньше по сравнению с последними твердыми электролитами.

Забегая вперед, ожидается, что для реализации всего потенциала твердотельных ионно-литиевых батарей потребуется изучение новых наноусилений в сочетании с этими инновационными технологиями синтеза и производства. Эти достижения должны помочь вывести технологии твердотельных аккумуляторов из лаборатории в руки масс, в результате чего батареи, которые мы используем в наших повседневных устройствах, могут быть меньше, дольше работать без подзарядки и быстрее заряжаться при необходимости. .

физическая химия — Можно ли построить батарею, в которой несколько электродов используют один и тот же электролит?

У меня только базовая подготовка по химии, так как я специализируюсь в области электротехники, но я хотел бы подойти к вашему вопросу с другой стороны.

Я предполагаю, что ваш вопрос — это своего рода проблема X-Y, и вы на самом деле не заинтересованы в повышении эффективности реальной клетки на основе лимона.

С инженерной точки зрения, то, что вы хотите от источника питания, — это, попросту говоря, извлекать максимальное количество энергии без больших потерь в процессе.

Здесь задействованы 3 основные величины: энергия, мощность и КПД. Напряжение и / или ток имеют гораздо меньшее значение, поскольку существуют электронные методы, которые могут повысить один из них за счет другого.

Для генераторов переменного тока трансформатор может увеличивать / уменьшать напряжение при одновременном уменьшении / увеличении тока (с заданной нагрузкой).

Для генераторов постоянного тока, таких как батареи, вы можете добавить импульсный преобразователь постоянного тока в постоянный, который может повышать или понижать напряжение по мере необходимости с высокой эффективностью.

Итак, суть в том, является ли ваш эффективный метод увеличения мощности или выработки энергии вашей ячейки?

Как уже указывалось, ваше «многоячеечное» устройство можно смоделировать как последовательное соединение ячеек, при этом каждая ячейка имеет параллельный резистор. Последний моделирует тот факт, что электролит различных элементов является общим для них.

Эти параллельные сопротивления представляют собой дополнительную нагрузку на ячейки. Это пустая трата мощности и энергии. Эти потери незначительны или нет? Чтобы ответить на этот вопрос, вы должны рассмотреть другие потери в системе, например.грамм. внутреннее сопротивление электролита, контактное сопротивление соединительных проводов и сопротивление самих проводов.

Чтобы провести осмысленное сравнение, вы должны знать значение этих параллельных сопротивлений, а это, вероятно, непростое дело.

Но помните, что энергия, запасенная в элементе, зависит от объема электролита (ну, вероятно, от его массы, но при условии более или менее постоянной плотности …), поэтому вы должны спросить, есть ли лучший способ отсасывания расход энергии из данного объема электролита.Что ж, это то, что уже делается, когда вам нужно больше энергии: вы строите большую ячейку. А если вам нужно больше мощности, вы увеличиваете его номинальный ток (поскольку его напряжение нельзя изменить), увеличивая поверхность электродов.

Если вам нужно более высокое напряжение для заданной мощности, вы просто помещаете повышающий преобразователь постоянного тока в постоянный между ячейкой и нагрузкой. В настоящее время это то, что делается во многих продуктах, которые могут питаться, например, от одной ячейки AA или AAA.

Таким образом вы полностью избегаете дополнительных потерь, связанных с этими параллельными сопротивлениями.

НИЖНЯЯ ЛИНИЯ

Как уже отмечалось в других ответах и ​​комментариях, ваша идея может сработать, но она неэффективна. Для повышения эффективности вы должны увеличить эти параллельные сопротивления, а это означает большее расстояние между парами электродов. Это подразумевает потребность в большем объеме электролита.

Это также (вероятно) неэффективный , потому что уже есть другие хорошо протестированные средства для извлечения энергии из того же количества электролита и предоставления конечному пользователю (нагрузке) уровня напряжения, необходимого для правильной работы.

Более того, ваша система намного сложнее в настройке, даже если вы можете сделать потери незначительными, поскольку выходное напряжение может быть установлено только кратным напряжению элемента, и вам понадобится преобразователь постоянного тока в постоянный (или преобразователь постоянного тока). / Преобразователь переменного тока, если вашей нагрузке требуется переменный ток) в любом случае для выработки напряжения, необходимого для нагрузки.

Оптимизация производительности цементных батарей

Описывается разработка батареи с использованием различных электролитов на цементной основе для обеспечения низкого, но потенциально устойчивого источника электроэнергии.Ток, напряжение и срок службы батарей, изготовленных с использованием различных добавок к электролиту, катодов из медных пластин и (обычно) анодов из алюминиевых пластин, сравнивались, чтобы определить оптимальную конструкцию, компоненты и пропорции для увеличения выходной мощности и долговечности. Изученные параметры включают соотношение вода / цемент, отношение площади поверхности анода к катоду, материал электрода, расстояние между электродами и влияние песка, заполнителя, солей, углеродной сажи, микрокремнезема и силиката натрия на электролит.Результаты показывают, что наибольшая и длительная мощность может быть достигнута при использовании высоких долей воды, технического углерода, пластификатора, солей и микрокремнезема в электролите, а также при использовании магниевого анода и медного катода. Эта ячейка вырабатывала напряжение холостого хода 1,55 В, пиковый ток, нагруженный резистором, более 4 мА, поддерживающий более 1 мА в течение 4 дней, и квазистационарный ток 0,59 мА со сроком службы более 21 дня.

1. Введение

Для автономных применений как ветровым, так и солнечным энергетическим системам требуются батареи или другие механизмы накопления энергии, чтобы выдерживать постоянные нагрузки из-за прерывистой их подачи.Таким образом, новая конструкция батарей может помочь ослабить зависимость общества от нефти, угля и газа. Исследования новых форм аккумуляторов направлены на создание более мощных аккумуляторов и большей емкости перезарядки, а также на продление срока службы традиционных аккумуляторов за счет адаптации их компонентов и материалов.

Электричество — это поток электронов через проводящий материал, вызванный дисбалансом электрического заряда [1]. Напряжение — это количество доступной потенциальной энергии или работы, которую необходимо выполнить на единицу заряда для перемещения электронов через проводник.В батарее электроны перемещаются от одного электрода к другому посредством ионных реакций между молекулами электрода и молекулами электролита [1]. Эти реакции активируются, когда есть внешний путь для электрического тока (через электрическую цепь), и прекращаются, когда он прерывается. Во время разряда электроны передаются от анода к катоду через внешний провод. На рисунке 1 показана основная концепция батареи с цинковым анодом, медным катодом и раствором хлорида натрия (NaCl) в качестве электролита.В воде соль NaCl расщепляется на ионы натрия (Na + ) и хлорида (Cl ). Атомы цинка растворяются в электролите в виде ионов, у которых отсутствуют два электрона (Zn 2+ ), и объединяются с двумя отрицательными ионами хлора в электролите с образованием ZnCl 2 . Два отрицательно заряженных электрона растворенного атома цинка остаются в металлическом цинке (2e ). Молекулы воды (H 2 O) в электролите восстанавливаются с образованием молекулярного водорода (H 2 ) на поверхности меди и пузырьков, выходящих из раствора.Электроны, потерянные в реакции, восполняются путем перемещения двух электронов из цинка через внешний провод, как показано на рисунке 1.


Электролит является ионным проводником [2]. Жидкие электролиты предпочтительны в батареях, поскольку они обладают высокой подвижностью ионов и непрерывностью границы раздела между электродом и электролитом. Основная проблема батарей с жидким электролитом — это использование токсичных материалов и их склонность к утечкам во время использования или после утилизации. Твердые электролиты не склонны к утечкам, но их ионная проводимость, как правило, меньше, чем у их жидких аналогов, и они более дороги.Некоторыми примерами твердых электролитов являются полимеры, легированные ионами [3–5], или керамика с ионами, расположенными так, чтобы обеспечить их существенное движение [6–8]. Цемент является проводником ионов из-за его порового раствора, который может храниться и проходить через его поры и микротрещины, как показано на рисунке 2. Это увеличивает его потенциал в качестве хорошего электролита для новых конструкций цементных батарей.


Мэн и Чанг [2] представили первоначальное доказательство концепции, что цементные батареи действительно могут быть разработаны для обеспечения выхода напряжения и тока.В их конструкции цемент и вода являются общими составляющими всех слоев, как показано на рисунке 3, причем катод также содержит частицы диоксида марганца, а частицы цинка анодного слоя. К обоим электродным слоям добавляли технический углерод и водоредуцирующий агент. Предлагаемое преимущество этой конструкции перед электродными зондами на основе нецемента (рис. 1) состоит в том, что активная фаза присутствует во всех слоях (поровый раствор в цементном тесте), а не только на границе раздела электрод / электролит.Диоксид марганца (MnO 2 ) — один из наиболее распространенных материалов для катодных батарей, поскольку он недорог и легкодоступен. Цинк находит широкое применение в качестве материала отрицательного электрода в батареях, например, в щелочных цинково-марганцевых, серебряно-цинковых, никель-цинковых и воздушно-цинковых батареях [10]. Углерод был добавлен для увеличения проводимости границы раздела между цинком и цементом и для увеличения его общей электронной проводимости. Выходная мощность этой конструкции батареи была очень низкой с напряжением холостого хода 0.72 В, пиковые токи 120 мк А и работают только при полном насыщении.


Примеры успешной разработки цементных батарей, как правило, повторяют конструкцию слоев электродного цемента Meng и Chung [2] с активными добавками, разделенными основным цементным электролитом. Rampradheep et al. [11] использовали аналогичную конструкцию с добавлением самоотверждающегося агента для получения максимального напряжения 0,6 В и нераскрытого значения тока. Qiao et al. [12] производили батареи, основанные на конструкции Менга и Чанга [2], и добавляли углеродные волокна и нанотрубки в слои электролита, что позволило достичь максимальных напряжений и плотностей тока примерно 0.7 В и 35,21 А / см 2 . Холмс и др. [13] сравнили батареи, похожие на Meng и Chung [2], которые были отверждены либо в растворе деионизированной воды, либо в 0,5 M растворе английской соли, и обнаружили, что последний вызывает снижение производительности с более быстрым временем высыхания и более коротким сроком службы. Поддержание высокого содержания воды необходимо для срока службы батареи из слоистого цемента.

Примеры батарей типа электрод-зонд, аналогичные конструкции на Рисунке 1, но с использованием цемента в электролите, как правило, сосредоточены на сборе энергии коррозии.Бурштейн и Спекерт [14] разработали батарею со стальным катодом и алюминиевым анодом, установленным в бетонный электролит, который мог обеспечивать небольшую плотность тока. Оуэлетт и Тодд [10] разработали аккумуляторный комбайн для сбора энергии с морской водой с магниевыми и угольными зондовыми электродами, в которых в электролит был добавлен цемент для пассивного ограничения количества потребляемого кислорода в более глубокой воде. Холмс и др. [13] показали, что ограничение цемента электролитом значительно увеличивает как срок службы, так и выходную мощность цементных батарей по сравнению с многослойной конструкцией, показанной на Рисунке 3.

В этой статье представлено параметрическое экспериментальное исследование по разработке батареи на основе цемента, которая станет надежным и устойчивым источником электроэнергии. Развитие цементных батарей до сих пор не было полностью изучено академически, хотя есть много примеров небольших экспериментов, доступных на веб-сайтах обмена видео и онлайн-форумах по энергетике. Поскольку эта область так мало изучена, не было большого прогресса в том, чтобы сделать эти батареи более эффективными, мощными, долговечными и перезаряжаемыми.Здесь сравниваются различные конструкции цементной смеси в отношении их выходной мощности и долговечности, чтобы определить, какие добавки повышают выходную мощность батареи и / или увеличивают ее срок службы.

Цементные батареи, представленные здесь, предназначены для катодной защиты наложенным током (ICCP) стальной арматуры в бетонных конструкциях. ICCP — это метод защиты арматурной стали в бетоне от коррозии путем подключения ее к инертному, менее благородному металлу, чем сталь, и пропускания через него тока низкого уровня с использованием внешнего источника питания [17].Рекомендуемая расчетная плотность тока составляет 20 мА / м 2 площади окружности стержней [18] или более низкие значения для полностью погруженного бетона, экспонируемого с обеих сторон 1 мА / м 2 [19]. Катодная защита, которая представляет собой обеспечение защитного тока до того, как произойдет какая-либо коррозия, требует более низкой плотности тока 2–5 мА / м 2 [20]. Поэтому режим тестирования и разработки батарей, представленный в этой статье, был направлен на повышение тока нагрузки резистора и увеличение срока службы.

2. Концепция
2.1. Базовый проект

Следуя выводам Holmes et al. [13] батарея с твердыми металлическими электродами и цементом, присутствующим только в электролите, считалась наиболее эффективной для этого приложения. Выбранная стандартная форма батареи показана на рисунке 4 и используется для сравнения различных конструкций электролита и электродов при ограничении других характеристик, таких как размер и форма. Базовая батарея состояла из цемента и водной пасты для образования электролита, катода из медной пластины и анода из алюминиевой пластины.Размер ячейки не имеет отношения к ее напряжению; однако это влияет на его внутреннее сопротивление, которое, в свою очередь, влияет на максимальный ток, который может обеспечить элемент [1]. Таким образом, все батареи, за исключением проверок соотношения электродов, были рассчитаны на один и тот же размер. Расстояние между электродами поддерживали равным 100 мм, за исключением испытаний расстояния между электродами.


2.2. Цементный электролит

Как обсуждалось в разделе 1, хороший электролит — это ионный проводник, который способствует перемещению заряда по нему.Существует ряд примеров миграции ионного раствора через затвердевший бетон. Хлорид-ионы считаются основной причиной коррозии встроенной арматурной стали в бетон [21, 22] и могут проникать внутрь через абсорбцию, диффузию, капиллярное проникновение и капиллярное действие через взаимосвязанную сеть пор. Процесс коррозии встроенной стали в бетон — еще один пример ионного потока через затвердевший бетон. Во время коррозии атомы железа удаляются со стальной поверхности в результате электрохимической реакции, а затем растворяются в окружающем растворе электролита, что в бетоне может возникать только там, где поры встречаются с поверхностью армирующей стали на аноде.Поскольку это окислительно-восстановительная реакция, электроны должны переходить от анода к катодному участку, который получает электроны. Перенос электронов происходит по металлу и создает ток между областями с разным потенциалом. Ионы из таких реакций, как ион двухвалентного железа (Fe 2+ ), переходят в раствор, захваченный в порах бетона, и реагируют с гидроксильными ионами (OH ) с образованием гидроксида трехвалентного железа, который в дальнейшем вступает в реакцию с образованием ржавчины, как показано на Рис. 5.


Ионный поток через поры бетона также можно стимулировать или форсировать с помощью методов ионной экстракции.Эти методы используются для защиты бетонной стальной арматуры от коррозии путем отвода ионов. Катодная защита, по сути, является обращением процесса коррозии, действуя как электрохимическая ячейка путем введения внешнего анода и подачи небольшого тока на арматуру, заставляя ее действовать как катод (в отличие от растворяющегося анода) в электрохимической ячейке [ 23]. Экстракция хлоридов аналогична катодной защите, но требует гораздо более высокой плотности тока и является однократным применением.Ионную проводимость цемента можно увеличить, увеличивая долю раствора в пасте, тем самым увеличивая объем пор и количество раствора в порах. Его также можно увеличить, увеличивая ионную проводимость самого раствора, добавляя компоненты, химические вещества которых легко диссоциируют с образованием свободных ионов, например соли.

2.3. Электроды

Величина напряжения (электродвижущая сила), генерируемая любой батареей, зависит от конкретной химической реакции для этого типа элемента.Химические взаимодействия, при которых электроны передаются непосредственно между молекулами и атомами, называются окислительно-восстановительными или (окислительно-восстановительными) реакциями. В батарее анод и катод подвергаются окислению и восстановлению соответственно. Гальванический ряд металлов, представленный в таблице 1, соответствует присутствию морской воды. Алюминий и медь были выбраны из-за их высокой анодности и катодности соответственно, что привело к ожидаемому электродвижущему потенциалу 2 В (0,34 В + 1,66 В) для конструкции базовой батареи.

Магний 9024 Золото Соотношение катода и анода должно определяться с использованием их реакций окисления и восстановления (см. (1) и (2)) и их молярной массы, в результате чего получается расчет 2.5 частей меди (Cu) на 1 часть алюминия (Al). Однако перед проверкой этой теории в базовых конструкциях была взята пропорция 1: 1.

Общая проблема с металлами, особенно с сильно анодными материалами, — это образование оксидных слоев (тонкого слоя продукта реакции). Алюминий очень быстро реагирует с кислородом и образует оксид алюминия (Al 2 O 3 ) в атмосфере. Медь также образует оксидный слой при контакте с воздухом, но эти реакции протекают медленнее и состоят в основном из Cu 2 O и CuO [23].Эти оксидные слои могут препятствовать выходу батареи, поскольку они уменьшают границу раздела между электродами и электролитом. Такие слои можно удалить соскабливанием наждачной бумагой или промывкой уксусной кислотой и ополаскиванием летучей жидкостью, такой как этанол [2], перед добавлением в смесь.

3. Методология
3.1. Препарат

Материалы наивысшей чистоты были выбраны так, чтобы их специфическое воздействие можно было отличить от потенциального воздействия их примесей.Материалы также были выбраны так, чтобы они были нетоксичными в случае утечки, чтобы эти батареи могли иметь преимущество перед многими традиционными типами с жидким электролитом. Подробная информация о материале, используемом в батареях, представлена ​​в таблице 2.


Материал Стандартный потенциал электрода (В)


Железо
Никель
Медь
Платина
Углеродистый черный Электролитный углеродные агломераты; средний размер 30 нм

Элемент Материал Детали

Цемент CEM I в соответствии с BS EN 197-1, 2000 [16]
Водный редуктор Sika VistoCrete 30HE
Соли (NaCl, квасцы и соль эпсома) Чистота более 99% для всех
Песок и легкий заполнитель Песок 0.4 мм, керамзитовый заполнитель 15 мм
Силикат натрия Плотность 1,38 г / см 3 (40 Be) и pH 11,3

Анод цинковые пластины Чистота> 99%
Алюминиевые пластины Чистота> 99%
Пластины из магниевого сплава Чистота 96% (3% алюминия и 1% цинка)

Катод плита 99.Чистота 5%, толщина 0,4 мм
Углерод Графитовый стержень

В качестве основного электролита использовалось соотношение вода / цемент 0,4. Материалы электролита взвешивали и пропускали через сито 200 мкм, мкм, чтобы удалить любые несоответствующие комки или массу для достижения желаемого формата порошка. Сухие компоненты были хорошо смешаны с деионизированной водой и помещены в пластиковые формы размером 100 × 100 × 30 мм (300 × 120 × 50 мм для проверки соотношения электродов) для создания электролитного блока.

Электродные пластины размером 60 × 30 × 0,5 мм были отшлифованы и промыты в растворе буры для удаления любых примесей и вставлены в блок влажного электролита, выступающий на 5 мм от поверхности для облегчения подключения к цепи резистора. Затем батареи помещали на вибростол на 30 секунд, чтобы удалить оставшийся воздух, и оставляли для отверждения в течение 24 часов под полиэтиленовым листом, после чего начинались испытания.

3.2. Сбор данных

Показания напряжения холостого хода и постоянного напряжения () во время разрядки тока через резистор 10 Ом () регистрировались в течение срока службы батарей.Ток разряда через резистор рассчитывался по показаниям напряжения по закону Ома ().

Резистор 10 Ом был подключен между анодом и катодом батареи, чтобы действовать как резисторная нагрузка, как показано на рисунке 6. Блок сбора дифференциальных данных (DAQ) LabVIEW National Instruments NI 9205 использовался для регистрации напряжения с обеих сторон резистора. как показано на той же схеме. Пилотные испытания с использованием мультиметра уточнили частоту показаний и предоставили вероятные диапазоны измеренных значений тока и напряжений.Эти значения позволили завершить разработку подходящей программы LabVIEW (рисунок 6). Калибровку установки проводили по блоку питания постоянного тока и вольтметру. Зарегистрированные файлы из программы LabVIEW были записаны в формат CSV (значения, разделенные запятыми) и импортированы непосредственно в MS Excel после завершения тестирования.


3.3. Конструкция батареи и ее обоснование

Было исследовано семь различных компонентов на предмет их влияния на ток нагрузки резистора, напряжение холостого хода и срок службы.Это соотношение вода / цемент (WC 1–4), соотношение анода и катода (Al 4: 1 Cu – Al 4: 4 Cu), основные добавки (Add 1–6), 0,5 М солевые растворы для замены воды ( Soln 1 – Soln 3), соль, добавляемая в виде твердых кристаллов (Crys 1-2), силикат натрия в качестве полного и частичного замещения воды и в качестве покрытия пластин (SS 1-3), расстояние между электродами (Sp 1-5), доля технического углерода (CB 1–4) и влияние использования различных электродных материалов (El 1–4). Пропорции смесей, материалы и расстояние между электродами представлены в таблице 3.Добавления 1 и 5, выделенные жирным шрифтом, часто использовались в качестве базовых смесей для сравнения других батарей. Средняя сухая масса каждой ячейки составляла 335 г.

902 43900 9024 Cu 5 Al3 Соль Crys 2 Al 9024 300 5 Al 4 Al

Арт. CEM I (г) Вода (г) Анод Катод Pl (г) CB (г) Добавка (г) или расстояние между электродами (мм) Фото

WC 1 300 90 Al Cu
WC 2 300 12024 Cu
WC 3 300 150 Al Cu
WC 4 300 180 Al Cu
Al 4: 1 Cu 900 360 Al Cu 15 5
Al 3: 1 Cu 360 Al Cu 15 5
Al 2: 1 Cu 900 360 Al Cu 15 5 5 : 1 Cu 900 360 Al Cu 15 5
Al 1: 2 Cu 900 360 Al Cu
Al 1: 3 Cu 900 360 Al Cu 15 5
Al 1: 4 Cu 900 360 Al 5
Al 4: 4 Cu 900 360 Al Cu 15 5

9024 Добавить 124 0037300 120 Al Cu
Добавить 2 300 120 Cu г песок
Добавить 3 300 120 Al Cu 100 г общий
Добавить 4 300 120
Добавить 5 300 120 Al Cu 5

8

5

8 9024

300 120 Al Cu 5 5 100 г si слюдяной дым

Soln 1 300 Al Cu 5 5 120 г 0.5 M NaCl
Soln 2 300 Al Cu 5 5 120 г 0,5 M Epsom
300 120 Al Cu 5 5 100 г Квасцы соли

SS 1 300 — 5 5 120 г силиката натрия
SS 2 300 100 Al Cu 5 5 20 г силикат натрия
SS 3 300 120 Al Cu 5 5 Покрытие из силиката натрия

9024 9024 9024 9024 Al Cu 5 5 5 мм
Sp 2 300 120 Al Cu 5 5 10 300 120 Al Cu 5 5 30 мм
Sp 4 300 120 Al Cu 5
Sp 5 300 120 Al Cu 5 5 80 мм

CB 1 300 120 Al Cu 5 3
CB 2 300 120 Cu.5
CB 3 300 120 Al Cu 5 6
CB 4 300 120 Al

El 1 300 120 Mg Cu 5 5
El 2 5
El 3 300 120 Zn Cu 5 5
600 230 12

3.3.1. Соотношение вода / цемент

Раствор воды в порах в затвердевших цементных смесях обеспечивает сеть для перемещения ионов, позволяя переносить заряд и производить ток. Поэтому соотношение между соотношением вода / цемент (и, следовательно, объемом воды в порах цемента) и характеристиками батареи сравнивалось путем регулирования соотношения вода / цемент между 0,3 и 0,6 и записи выходного сигнала.

3.3.2. Соотношение анод / катод

Теоретически при проектировании батареи соотношение анода и катода может быть рассчитано, как описано в разделе 2.3 с использованием их молярной массы. Для алюминия и меди это должно быть примерно Al 2,5: 1 Cu. Поэтому соотношение анода и катода было исследовано здесь путем изменения соотношений в пользу анода или катода.

Как обсуждалось в разделе 2.3, чем больше площадь поверхности контакта между электродами и электролитом, тем больше должен быть ток и не должно влиять на напряжение. Таким образом, также было исследовано увеличение материала как анода, так и катода.

3.3.3. Добавки

Жесткость батареи была увеличена за счет добавления песка (добавка 2) или легкого керамзитового заполнителя (добавка 3) в конструкцию базовой смеси (добавка 1). Пластификатор обычно добавляют для уменьшения количества воды, необходимой при сохранении удобоукладываемости. Однако, поскольку уменьшение количества воды привело бы к уменьшению пор и пористого раствора, объем воды, добавленной к смеси, не был уменьшен для добавления 4. Добавление 5 включало сажу в качестве примеси, поскольку, как известно, увеличивает электронную проводимость и сформировали базовую смесь технического углерода для сравнения с батареями, которые включали технический углерод наряду с другими разработками.Было показано, что микрокремнезем улучшает механические свойства и долговечность цемента [20]. Дым кремнезема был введен в качестве добавки к базовой смеси наряду с проводящей сажей и пластификатором в качестве добавки 6.

3.3.4. Соли

Чистая вода не обладает высокой проводимостью; однако, когда соль растворяется в ней, молекулы соли легко расщепляются и обеспечивают дополнительные ионы в жидкости, как обсуждалось в разделе 1. Добавка 5, содержащая сажу и пластификатор, использовалась в качестве базовой смеси для солевых батарей.0,5-молярные растворы хлорида натрия (NaCl), соли квасцов (AlKO 8 S 2 · 12h3O) и соли Эпсома (MgSO 4 · 7H 2 O) были приготовлены с использованием деионизированной воды. Эти растворы использовались в качестве полной замены воды по сравнению с базовой смесью, такой как Soln 1, Soln 2 и Soln 3. Квасцы (Crys 1) и соли Эпсома (Crys 2) также были добавлены в основную смесь Add 5 в виде твердых кристаллов и содержание воды поддерживали в соответствии с базовой смесью.

3.3.5. Силикат натрия

Силикат натрия обычно добавляют в бетон для уменьшения его пористости за счет образования силикатов кальция, которые заполняют поры, уменьшая водопроницаемость [21].Силикат натрия был добавлен в конструкцию базовой смеси в качестве полной замены (SS 1) и частичной замены (SS 2) содержания воды. Раствор дополнительно использовали для покрытия электродов (SS 3) в попытке уменьшить количество газа, которое наблюдалось на поверхности электролита на алюминиевой анодной пластине, тем самым увеличивая гладкость границы раздела электрод / электролит.

3.3.6. Electrode Proximity

Слой цементного электролита сохраняется как можно тоньше, чтобы снизить сопротивление в многослойных батареях [2].Смесь базовой пасты (Add 5) использовалась для сравнения расстояния между электродами 5, 10, 30, 60 и 80 мм. Это проверяется, чтобы определить, оказал ли объем электролита между электродами какое-либо существенное влияние на рабочие характеристики.

3.3.7. Технический углерод

Частицы технического углерода (CB) очень маленькие, имеют высокую пористость и могут образовывать длинные разветвленные цепочки, что приводит к улучшению электропроводности соединения, такого как проводящие пластиковые композиты [24]. Он использовался в предыдущих конструкциях батарей [2, 11, 13] для улучшения связи между частицами электрода или в цементных батареях для создания более тесной границы раздела между активным электродным материалом и цементом [2, 25].Однако в исследуемой конструкции сажу нельзя добавлять к электродам, поскольку они представляют собой сплошные пластины, а вместо этого добавляется в качестве добавки к цементному электролиту.

Добавление технического углерода делает затвердевший цемент хрупким [13]. Поэтому было решено определить влияние увеличения доли технического углерода в конструкции на производительность, не влияя на жесткость блока. Технический углерод был добавлен в базовый состав смеси 3, 4.5, 6 и 7.5 г вместе с 5 г пластификатора (Pl), чтобы не требовалось дополнительной воды (что увеличило бы хрупкость).

3.3.8. Материал электрода

Как обсуждалось в разделе 2.3, материал электрода и соответствующие потенциалы электродвижущей силы управляют напряжением любого элемента батареи. До сих пор в конструкциях (разделы 3.3.1–3.3.8) использовались медные и алюминиевые электроды. Базовая конструкция (Добавление 5) использовалась для сравнения различных материалов электродов Al: Cu (El 1), Mg: Cu (El 2), Zn: Cu (El 3) и Al: C (El 4).Размеры пластин оставались такими же, чтобы можно было проводить прямое сравнение, за исключением El 4, поскольку углерод мог быть получен только в форме зонда с большей площадью поверхности, и в этом случае объем алюминиевого анода должен был быть увеличен, чтобы соответствовать ему. Каждый из этих материалов обладает разными электродвижущими потенциалами, как показано в таблице 1, где разные комбинации должны представлять разные напряжения.

4. Результаты и обсуждение
4.1. Интересующие параметры

В следующих разделах представлены кривые тока разряда в логарифмическом масштабе, чтобы показать влияние различных параметров, обсуждаемых в разделах 3.3.1–3.3.8 по току разряда через резистор 10 Ом и сроку службы.

4.2. Соотношение вода / цемент

Повышение содержания воды не повлияло на напряжение холостого хода и срок службы. Однако существует прямая корреляция между содержанием воды и током под нагрузкой резистора, как показано на Рисунке 7. Наблюдалась закономерность увеличения тока на 3,5–5% на каждые 0,1 увеличения водоцементного отношения. Любое более высокое содержание воды приводило к осаждению воды из смеси во время отверждения.


Структура пор, форма, размер, распределение и связность влияют на движение ионов в электролите цементной батареи [21]. Было показано, что более низкие отношения w / c приводят к меньшей пористости и сужению (зависит от отношения диаметра диффундирующей частицы к диаметру поры), а также к более высокому коэффициенту извилистости (свойство извилистого пути) [26]. Представленная здесь работа отражает результаты этих симуляций, так как низкие отношения w / c привели к более низким выходным токам от аккумуляторных элементов из-за уменьшения связности и объема пор.

4.3. Отношение анод / катод

Отношение анода к катоду согласно расчету молярной массы, которое привело бы к уравновешиванию реакций в материалах электродов, не привело к большему выходу из ячеек. Вместо этого наблюдалась более общая тенденция увеличения количества электродного материала, что приводило к более высокому току (Рисунок 8). На напряжение холостого хода не повлияло, поскольку электродвижущая сила материалов электродов осталась прежней (около 1,2 В), но больший ток был произведен с более высокими объемами анода и катода, поскольку было облегчено большее количество химических реакций.


4.4. Добавки

Как видно на Рисунке 9, добавление песка, легкого заполнителя или пластификатора не оказало значительного влияния на ток, напряжение или срок службы. Было обнаружено, что технический углерод немного увеличивает напряжение (примерно на 0,15 В) и улучшает прохождение электрического заряда (тока) с увеличением срока службы разряда до более 7 часов. Добавление микрокремнезема поверх сажи дополнительно увеличивало как ток, так и срок службы, но не оказывало дальнейшего влияния на напряжение холостого хода.Взаимосвязь паров кремнезема с ионной проводимостью в цементе сложная. Было показано, что он снижает общую электрическую проводимость цементного теста и снижает пористость [27, 28]; однако при более высоких пропорциях он может увеличить пористость пасты [28], что связано с увеличением ионной проводимости. Однако, аналогично этим открытиям, ранее было показано, что микрокремнезем увеличивает электрическую проводимость цементных паст, содержащих проводящие добавки, такие как углеродные волокна, за счет улучшения их дисперсии в смеси [29, 30].


4.5. Соли

Добавление соли, будь то в растворе или в форме сырых кристаллов, к электролиту значительно увеличило срок службы батареи и улучшило поток электрического заряда, как показано на рисунке 10. Базовая смесь содержала в растворе только деионизированную воду. В трех других конструкциях батарей использовались разные 0,5-молярные солевые растворы. По сравнению с базовой смесью использование солевых растворов привело к увеличению выхода тока примерно на 20% с 1.От 69 мА до 2,02 мА. Срок службы батарей был значительно увеличен примерно на 50% с 6,82 часов до 9,77–12,17 часов. Хотя солевой раствор увеличивал силу тока и увеличивал срок службы, добавление его в форме твердых гранул также помогло увеличить ток на 15% с 1,69 мА до 1,90 мА и срок службы на 62,5% с 6,82 часов до 12,54–12,57 часов.


4.6. Силикат натрия

Силикат натрия обычно добавляют в бетон для уменьшения пористости и проникновения воды, что препятствует ионному потоку.Однако он имеет высокую концентрацию проводящих ионов в поровом растворе и, следовательно, показал более высокую проходимость заряда, чем другие активирующие материалы в шлаковых растворах, активируемых щелочами [31]. Электропроводность большинства обычных силикатных стекол обусловлена ​​движением ионов щелочных металлов, особенно натрия [32]. Полная замена воды силикатом натрия (SS 1) снизила как ток, так и срок службы батареи почти до нуля, как показано на рисунке 11. Его добавление в качестве частичной замены воды (SS 2) не оказало значительного влияния по сравнению с базовой конструкцией. с токами в пределах 0.02 мА друг от друга и срок службы в пределах получаса.


В работе Бурштейна и Спекерта [14] наблюдалось набухание электролитной системы во время схватывания бетона из-за выделения водорода на алюминиевом аноде. Это также наблюдалось в представленных здесь батареях в виде пузырьков между анодом и бетонным электролитом. Покрытие анода силикатом натрия (SS 3) было попыткой обеспечить водород ионами для реакции с образованием безвредной воды; однако это не привело ни к какому увеличению выпуска продукции.

4.7. Близость электродов

На рис. 12 не видно заметной корреляции между расстоянием между электродами и током, сроком службы или напряжением холостого хода. Ток был в пределах 0,05 мА от базовой смеси, срок службы — 43 минуты, а напряжение холостого хода — 0,08 В.


4,8. Технический углерод

Технический углерод, как показано в Разделе 4.4, увеличивает производительность, в частности, ток и долговечность. Как можно увидеть на Рисунке 13, существует четкая корреляция между содержанием технического углерода и текущим объемом производства и сроком службы.По мере увеличения его доли по весу с 0,7% до 1,7% ток покоя увеличивается с 1,5 мА до 2,2 мА (44%), напряжение холостого хода увеличивается с 1,3 до 1,4 В (13%), а срок службы увеличивается с менее чем 15 часов. до более 21 часа (33%) соответственно. Из-за крупности частиц технического углерода его добавление делает ячейки значительно более хрупкими [13], и включение пластификатора оказалось важным при использовании технического углерода в цементном тесте в этих пропорциях.


Частицы сажи имеют кристаллическую структуру графитового типа, которая улучшает электропроводность и поэтому чаще используется в электродных материалах [33, 34].Следовательно, вероятно, что повышение напряжения связано с контактом частиц сажи с электродом. В электролите движение заряда в ячейке включает в себя генерацию и потребление как ионов, так и электронов. Высокая реакционная активность достигается при высоких скоростях переноса как ионов, так и электронов. Более того, подобное увеличение ионной проводимости было обнаружено в предыдущих исследованиях с использованием углеродной сажи в полимерных смесях, где предполагалось, что углеродная сажа может содержать небольшое количество подвижных ионов, которые могут вносить вклад в ионную проводимость при воздействии влаги [35]. .Модифицированные углеродные материалы, включая технический углерод, также ранее добавлялись для улучшения ионно-проводящих путей полимерно-ионных жидких электролитов [36]. Для этих тестов большое количество электронов в углероде и сродство к ионам в полимере способствовали диссоциации и переносу ионов через электролит.

4.9. Материал электрода

Замена алюминиевого анода магнием значительно увеличила ток, напряжение и срок службы элемента, как показано на Рисунке 14.Замена медного катода углеродным также показала преимущество; однако общий размер ячейки El 4 был вдвое больше, чем у других ячеек из-за доступного размера углеродного катода, что означает невозможность прямого сравнения.


Медь постоянно использовалась в качестве катодного материала, поскольку она очень благородна. Сравнивая алюминиевые, цинковые и магниевые аноды, можно увидеть, что магний дал существенное улучшение во всех областях, особенно в токе и долговечности. Магний является одним из наиболее активных материалов (таблица 1), за ним следует цинк, а затем алюминий [37].Измеренные напряжения холостого хода для El 1 и El 2 отражают это при 1,553 В для Mg: Cu и 1,311 В для Al: Cu. Однако измеренное значение цинка составляет 0,059 В. Следовательно, можно предположить, что во время испытания цинка произошла ошибка из-за короткого замыкания батареи, или что цинковые пластины были герметизированы или имели оксидный слой, который не был удален должным образом, тем самым создавая барьер между анодом и электролитом. Это область, требующая дальнейшего исследования.

4.10. Сводка результатов

В таблице 4 представлена ​​сводная информация о влиянии каждого отдельного изменения в составе или пропорции батареи на ток нагрузки, напряжение холостого хода и срок службы.Случаи, указанные как равные, включают незначительные изменения (ниже 0,1 мА, 0,2 В или 1 час) или когда не было обнаружено заметного рисунка.

↑ Солевой раствор 9018 Испытания с приоритетом тока и срока службы показывают, что оптимальная производительность может быть достигнута за счет разработки высоких соотношений в / в, использования магния в качестве анода и добавления большого количества углеродной сажи, пластификатора, солевых гранул и микрокремнезема.Изменения в составе электролита или близости и соотношения электродов не показали значительного влияния на время, необходимое для выхода тока на плато. Однако изменение материала электрода оказало значительное влияние, особенно в ячейке Mg: Cu. Последняя батарея была спроектирована в соответствии с Таблицей 5 с высоким водоцементным отношением 0,6. Хотя технический углерод инертен, он похож по плотности на микрокремнезем, и было показано, что его включение увеличивает прочность цементных смесей [27]; следовательно, если и технический углерод, и микрокремнезем рассматриваются как пуццолановые материалы, представленное соотношение вода / цемент + пуццолан будет равно 0.54.


Переменный Ток (при нагрузке 10 Ом) Напряжение (начальная разомкнутая цепь) Срок службы

коэффициент
= =
Песок = = =
Агрегат = = =
Технический углерод (+ пластификатор)
Увеличить материал электрода = =
Кристаллы соли =
Силикат натрия = 9024 8 = =
Ближайшие электроды = = =
Магниевый анод

CEM I (г) Вода (г) Углеродная сажа
(г)
Пластификатор
(г)
Дым кремнезема

9024 (г) Соль Эпсома
(г)

Квасцы
(г)
Магниевый анод
(мм)
Медный катод (мм)

300 176 6 6 6 20 50 50

Как показано на Рисунке 15, срок службы батареи был значительно выше, чем у предыдущих моделей и длился 21 день.Квазистационарный ток с нагрузкой на резистор 10 Ом, полученный через три дня после начального пика (4,37 мА) в течение 12-дневного периода, составил 0,59 мА.


Кривая разряда имеет форму, аналогичную предыдущей конструкции батареи, в которой в качестве анода использовался магний (El 1 на рисунке 14), с изогнутым пиком и медленным спадом. Достигнутый пиковый ток (4,37 мА) также был аналогичен El 1 (4,13 мА). Однако при сравнении этих батарей срок службы значительно увеличился — с 40 до 505 часов.Кроме того, средний квазистационарный ток разряда 0,59 мА длился всего 19 часов для El 1 (Рисунок 14), увеличиваясь до 288 часов для последней батареи (Рисунок 15). Поскольку материалы и размеры анода и катода были одинаковыми для обеих батарей, это повышение как тока, так и долговечности может быть связано с конструкцией электролита, который обеспечивал большее количество сажи, более высокое содержание воды, а также введение микрокремнезема и эпсома и Соли квасцов. Этот тип батареи может обеспечивать более 1 мА через резистор 10 Ом в течение 4 дней и квазистационарный ток 0.59 мА со сроком службы более 21 дня. Дальнейшая разработка цементных батарей показала, что герметизация электролита может увеличить выходной ток на 50% и что емкость может быть успешно увеличена путем параллельного соединения элементов [38].

5. Заключение

В этом документе представлены результаты исследования конструкции цементных аккумуляторных блоков. В ходе исследования изучалось влияние содержания воды, площади поверхности анода и катода, различных добавок, типа электродов, расстояния между электродами и добавления сажи.Предыдущая работа в этой области позволила разработать многослойную батарею на основе цемента, которая вырабатывала малую электрическую мощность с очень коротким сроком службы разряда. Результаты здесь представляют собой значительно улучшенные конструкции батарей с более высокими электрическими выходами и сроком службы. В цементном электролите использование более высоких соотношений в / в, добавления технического углерода с пластификатором, квасцов и английских солей, а также микрокремнезема — все это увеличивало напряжение, ток и срок службы. Магниевый анод и медный катод оказались наиболее эффективной комбинацией электродов из исследованных, обеспечивающих адекватный ток катодной защиты для 1 м 2 затопленного бетона в течение 4 дней.В настоящее время проводятся испытания для увеличения срока службы и выходного тока за счет конструкции компонентов и методов уплотнения. Первичные испытания зарядки аккумуляторов с помощью фотоэлектрических элементов были многообещающими.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Это исследование финансировалось Ирландским научным фондом за развитие инновационных технологий (SFI TIDA).

Твердотельные батареи | Что вам нужно знать об этом EV Tech

К сожалению, мир двигателей внутреннего сгорания неизбежно завершится в какой-то момент многих наших жизней.Гибриды и электромобили становятся все более доступными и совершенными быстрыми темпами, а это означает, что батареи заменяют ископаемое топливо. Это привело к столь же быстрому прогрессу в технологии аккумуляторов с основными целями повышения емкости, времени зарядки и безопасности. Одним из важных достижений в этой области является появление твердотельных батарей, которые обещают раздвинуть границы ограничений, которые несут современные литий-ионные батареи.

Что такое литий-ионные батареи?

Электромобили уже много лет питаются от литий-ионных аккумуляторов, аналогичных тем, которые используются в ноутбуках, сотовых телефонах и другой бытовой электронике.Они сконструированы с жидким электролитом внутри, что делает их тяжелыми и нестабильными при высоких температурах. Поскольку каждый отдельный аккумуляторный блок не может генерировать столько энергии сам по себе, несколько необходимо соединить последовательно, что еще больше увеличивает вес. Стоимость разработки, производства и установки аккумуляторных батарей составляет значительную часть общей стоимости электромобиля.

Литий-ионные аккумуляторы электромобилей, как и сотовые телефоны, необходимо заряжать.Скорость, с которой могут заряжаться аккумуляторы электромобиля, зависит от самого транспортного средства, типа используемых в нем аккумуляторов и от инфраструктуры зарядки. Как правило, общественные зарядные станции попадают в категорию либо уровня 2, либо уровня 3, причем обе из них могут заряжать электромобиль намного быстрее, чем стандартная бытовая розетка. Зарядные устройства уровня 1 и уровня 2 обеспечивают питание бортового зарядного устройства от сети переменного тока, которая преобразуется в мощность постоянного тока для зарядки аккумулятора. Уровень 3, который также можно назвать быстрой зарядкой постоянного тока, обходит этот встроенный генератор и вместо этого заряжает аккумулятор напрямую и с гораздо большей скоростью.Однако со временем как емкость аккумулятора, так и способность достигать максимальной скорости зарядки ухудшаются.

Этот контент импортирован с YouTube. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.


Чем отличаются твердотельные батареи

Твердотельные батареи, как следует из названия, избавляются от тяжелого жидкого электролита, который живет внутри литий-ионных аккумуляторов.Замена — твердый электролит, который может иметь форму стекла, керамики или других материалов. Общая структура твердотельных аккумуляторов очень похожа на структуру традиционных литий-ионных аккумуляторов, в остальном, но без необходимости в жидкости, аккумуляторы могут быть намного плотнее и компактнее. Не углубляясь слишком глубоко в их внутреннюю работу, твердотельные батареи расходуют энергию и перезаряжаются так же, как и традиционные литий-ионные блоки.

Твердотельные батареи — не новость, но их использование в таких тяжелых условиях, как автомобиль, — это новость.Они уже много лет используются в небольших устройствах, таких как кардиостимуляторы, носимые устройства и RFID. Ожидания относительно способности твердотельных аккумуляторов значительно улучшить электромобили, мягко говоря, высоки. Использование твердого электролита должно сэкономить место из-за того, что он занимает меньше места, чем традиционные жидкости. В том же пространстве, которое требуется литий-ионной батарее под автомобилем, твердотельная батарея должна иметь емкость от двух до 10 раз больше. Их конструкция также означает, что им не нужны все системы контроля, управления и охлаждения, необходимые для правильной работы литий-ионных батарей.Это означает больше места в шасси автомобиля для размещения аккумулятора с меньшим проникновением в пространство, обычно занимаемое пассажирами или механическими компонентами.

Значительно улучшенная плотность энергии и снижение веса за счет удаления жидкого компонента батареи должны в значительной степени улучшить запас хода электромобилей. Твердотельные батареи тоже должны заряжаться быстрее, по крайней мере, теоретически.

Жидкие электролиты могут вызывать проблемы

Твердотельные батареи также обещают быть более безопасными и долговечными в долгосрочной перспективе.При повреждении или иным образом литий-ионные аккумуляторы могут испытывать так называемый тепловой разгон, который происходит, когда повышение температуры одного элемента аккумулятора вызывает аналогичную реакцию на другие элементы аккумулятора. Иногда этот процесс останавливается внутри аккумуляторной батареи, но в других случаях неконтролируемая реакция может вызвать возгорание. Жидкий электролит легко воспламеняется, что делает возгорание аккумулятора чрезвычайно опасным и токсичным. Процесс тушения возгорания батареи требует времени, а иногда и тысяч галлонов воды.Твердотельные батареи позволяют избежать этой проблемы без горючей жидкости внутри.

Помимо редкой вероятности возникновения пожара, жидкие электролиты внутри литий-ионных аккумуляторов не особенно долговечны. Со временем соединения в жидкости могут разъедать внутренние компоненты батареи и могут разрушаться или накапливаться твердый материал внутри, что приводит к снижению емкости батареи и общей производительности.

Где все твердотельные батареи?

Почему все мы не ездим на автомобилях с твердотельными аккумуляторами? Как и другие новые технологии, твердотельные батареи дороги, что частично связано с затратами на разработку, но также во многом связано с тем фактом, что их трудно производить в больших масштабах.Автопроизводителям и производителям аккумуляторов также нужно проделать больше работы, прежде чем твердотельные батареи будут готовы к использованию в прайм-тайме. Несмотря на свои преимущества по сравнению с жидкостями, твердые электролиты представляют трудности в поиске правильного баланса материалов, чтобы обеспечить достаточное количество энергии для питания электродвигателя автомобиля.

Твердотельные батареи пока находятся в разработке. Toyota планирует продать свой первый электромобиль, работающий от твердотельной батареи, до 2030 года, в то время как несколько других автопроизводителей работают в партнерстве с производителями аккумуляторов над своими собственными проектами.Примечательно, что Volkswagen работает в партнерстве с QuantumScape, калифорнийской компанией, которая надеется начать коммерческое использование своих аккумуляторов к 2024 году.

Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку по электромобилям, State of Charge .

ПОДПИСАТЬСЯ

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты.Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *