Состав электролита для аккумуляторов


советы по подготовке, правила эксплуатации

Электрическая батарея автомобиля представляет собой перезаряжаемый аккумулятор, который обеспечивает электрической энергией двигатель при его запуске и позволяет функционировать всем системам транспортного средства. Работоспособность батареи определяется его выходным напряжением, которое в большей степени зависит от состава электролита для аккумуляторов.

Общая информация

Аккумуляторная батарея получила такое название потому, что она состоит из нескольких ячеек, которые располагаются одна за другой в ряд. Такое устройство является последовательным соединением электрических элементов в цепи, что позволяет увеличить выходное напряжение. Каждая ячейка батареи представляет собой закрытый сосуд, в котором расположены два электрода, погруженные в специальную жидкость — электролит, представляющий собой смесь серной кислоты и дистиллированной воды. Он выступает в качестве среды, обеспечивающей ионный обмен между электродами.

Положительные электроды — пластины, которые состоят из пентоксида свинца, а отрицательные электроды — пластины из активного свинца. Они объединяются и группируются с помощью контактных прослоек горизонтального и вертикального типа. Такая структура обеспечивает равномерное распределение электрического тока. Объединение положительных и отрицательных свинцовых пластин называется элементом. Как правило, отрицательные пластины имеют большую толщину.

Каждый элемент батареи отделяется тонкой прослойкой из пластика. Эта прослойка предотвращает возникновение короткого замыкания между рядом находящимися плюсом и минусом соседних элементов.

Между электродами и электролитом происходят электрохимические реакции, в результате которых поглощаются или выделяются электроны. Такие реакции создают разницу напряжений между электродами элемента.

На внешнюю часть корпуса аккумулятора выводятся две клеммы, с помощью которых он подсоединяется к электрической цепи. Эти клеммы расположены на верху корпуса, однако в некоторых батареях они делаются сбоку. В последнем случае возникает множество проблем, связанных с их расположением, в частности, боковые клеммы облегчают скопление паров электролита внутри батареи, что приводит к быстрому выходу из строя его рабочих элементов.

Клемма аккумулятора является либо положительной, либо отрицательной. Положительная клемма имеет больший размер, поэтому выполнить правильную установку батареи не составит никакого труда даже новичку. Если подсоединить неправильно аккумулятор, то есть перепутать плюс и минус, тогда можно повредить всю электрическую цепь.

Происходящие электрохимические реакции приводят к медленному износу активных элементов батареи, в частности, отрицательные электроды окисляются и становятся толще, а положительные электроды восстанавливаются и утончаются. По этой причине при покупке аккумулятора для автомобиля всегда следует обращать внимание на гарантийный срок службы устройства.

Аккумулятор может работать в ограниченном температурном диапазоне и плохо переносит низкие температуры, поэтому уход за ним состоит в периодических проверках напряжения на его клеммах и его механической целостности. Важно следить за наличием в батареи электролита для кислотных аккумуляторов и составом его.

Концентрация кислоты

Основным компонентом электролита автомобильной аккумуляторной батареи (АКБ) является концентрированная серная кислота. Но на чистой серной кислоте устройство работать не может, поэтому в составе автомобильного электролита также присутствует дистиллированная вода. Государственный стандарт ГОСТ 667–73 регулирует качество серной кислоты, поставляемой для АКБ. Важность соблюдения этого ГОСТа связаны с резким снижением срока службы устройства в случае использования грязной серной кислоты.

Плотность серной кислоты равна 1,84 г/мл, рабочее же значение плотности электролита составляет 1,3 г/мл. Следует знать, что при приготовлении электролита выделяется большое количество теплоты, поэтому не нужно забывать правило, что следует всегда лить кислоту в воду, и ни в коем случае наоборот.

Электролит, плотность которого лежит в пределе 1,07 — 1,30 г/мл, считается пригодным для работы. Этому пределу плотности соответствует концентрация h3SO4 27−40%.

Правила эксплуатации

Свойства электролита достаточно чувствительны к смене температурного режима окружающей среды, поэтому в зонах с умеренным климатом рекомендуется проверять его состояние два раза в год: в конце осени и в конце весны.

Измерение плотности

Плотность является важной характеристикой кислотного электролита, состав которого определяет ее величину. Прибор, которым измеряется плотность электролита, называется ареометром, который можно купить в любом автомагазине. При его использовании следует учитывать температуру окружающей среды и связанный с ней поправочный коэффициент.

Следующая таблица демонстрирует поправочные коэффициенты к полученным показаниям ареометра в зависимости от температуры (градусы Цельсия):

  • от -40 до -26: -0,04;
  • от -25 до -11: -0,03;
  • от -10 до +4: -0,02;
  • от +5 до +19: -0,01;
  • от +20 до +30: 0,00;
  • от +31 до +45: +0,01.

Помимо ареометра, для записи измеренных результатов рекомендуется заранее приготовить чистый лист бумаги и карандаш. Проверку необходимо проводить в каждом элементе батареи отдельно. Следующие шаги объясняют порядок действий:

  1. Первым делом следует открыть каждую емкость в батарее, плотность электролита в которой должна быть измерена.
  2. Предназначенную для измерения часть ареометра нужно поместить в электролит.
  3. Грушей прибора следует забрать некоторую порцию электролита так, чтобы поплавок ареометра начал плавать.
  4. В месте соприкосновения специального стержня и жидкости следует смотреть настоящие показания измеряемой величины.
  5. Полученный результат записать, а затем провести аналогичные действия для оставшихся емкостей батареи.

Плотность является физической величиной, размерность которой определяется как г/см3. В случае электролита после проведенных измерений следует удостовериться, что ее колебания во всех элементах АКБ не превышают 0,2−0,3 г/см3. Если средняя величина плотности по всем емкостям АКБ лежит ниже установленного значения в паспорте, тогда необходимо зарядить аккумулятор.

При уходе за аккумулятором и контроле плотности электролита необходимо иметь в виду температурный режим. Так, в холодное время года следует поддерживать более высокие значения этой величины (1,30 г/см3), так как она обеспечивает более низкую температуру замерзания жидкости. Например, если значение плотности лежит ниже 1,1 г/см3, то в электролите могут появляться кристаллики льда уже при температуре -6 °C. Летом же лучше снижать плотность заряженной батареи до уровня 1,23 г/см3, поскольку чем она ниже, тем дольше прослужит устройство.

Зимой при низких температурах воздуха рекомендуется снимать аккумулятор с автомобиля и заносить его в помещение, в котором следует проводить все контролирующие замеры электролитических параметров. Кроме того, для эксплуатации электроприбора в северных районах страны следует приобрести специальный контейнер-рубашку, который позволяет сохранять тепло корпуса АКБ.

Уровень жидкости

Еще одной ключевой характеристикой аккумуляторной батареи, за которой необходимо следить регулярно, является уровень электролита в каждом элементе. Согласно общим рекомендациям, он не должен быть ниже 1−1,5 см верхнего края пластин.

Перед измерением уровня электролита в каждой секции батареи следует поставить электроприбор на горизонтальную поверхность. После этого рекомендуется взять стеклянную трубку длиной 25−30 см и диаметром 5−6 мм, опустить ее на дно измеряемой банки, закрыть свободный конец трубочки большим пальцем, чтобы предотвратить спад жидкости в ней при вытягивании из банки, а затем вытянуть ее из электролита и любой линейкой измерить уровень.

Эту операцию можно провести с помощью обычного листа бумаги, который следует свернуть в трубочку и опустить на дно измеряемой емкости. При последующем измерении линейкой мокрого отпечатка на листе следует учесть величину погрешности, возникающую из-за капиллярного эффекта.

Если при измерениях обнаружен недостаток жидкости в какой-либо емкости батареи, тогда следует в нее добавить нужное количество дистиллированной воды.

Делать это следует осторожно, небольшими порциями, поскольку вода, попадая в кислоту, вызывает большое выделение теплоты и вскипание. Добавлять следует именно воду, а не электролит, в противном случае можно серьезно повредить электроприбор.

Подготовка электролита и батареи

Если старый аккумулятор вышел из строя и пришло время купить новый, то можно поступить двумя способами: во-первых, можно купить уже готовый залитый в АКБ электролит, во-вторых, можно приобрести сухозаправленную батарею и самостоятельно выполнить ее заливку. Первый способ рекомендуется для новичков, ко второму же методу следует прибегать, если прибор будет эксплуатироваться в каких-либо экстремальных условиях.

При подготовке раствора самостоятельно необходимо следующее:

  1. Канистра с дистиллятом, которая продается в каждом автомагазине, приобрести эту воду можно и в аптеке.
  2. Серная кислота h3SO4. Рекомендуется приобретать ее в разбавленном виде, то есть с плотностью 1,40 г/см3. Реже используется концентрированная кислота с плотностью 1,84 г/см3.
  3. Градуированная емкость, которую можно использовать, чтобы отмерять нужные порции жидкости.
  4. При приготовлении электролита его нужно будет мешать, поэтому следует запастись трубкой из химически инертного материала, например, из стекла или керамики.
  5. Резиновые перчатки, прозрачные очки, защитный фартук, старая одежда — основные средства индивидуальной защиты.

Во время приготовления раствора следует соблюдать элементарные правила химической безопасности, которые заключаются в добавлении воды в электролит не большими порциями, что может привести к вскипанию и разбрызгиванию во все стороны жидкости, а тонкой струей. При этом трубкой рекомендуется плавно перемешивать раствор.

Аккумуляторный электролит нужного состава готовится согласно инструкции на упаковке путем смешивания кислоты и дистиллята. В ряде случаев их объемы смешиваются в равных количествах. После завершения процедуры надо будет замерить плотность ареометром.

В различных моделях автомобилей используют АКБ разного объема, вариации которого составляют от 2,6 до 3,7 л. В любом случае электролит можно приготовить с запасом, а оставшийся раствор необходимо нейтрализовать, бросив в него несколько ложек пищевой соды.

Как только рабочий раствор подготовлен, его нужно залить во все емкости батареи. Использовать для этого нужно либо стеклянную воронку, либо стеклянную кружку с удобным носиком. Процесс заполнения банок прибора следует проводить аккуратно и не спеша.

Заполнение производят до уровня, когда свинцовые пластины поднимаются над поверхностью электролита на 1−1,5 см. Затем прибор оставляют на 3−4 часа, при этом плотность раствора может незначительно уменьшиться.

Через несколько часов после заправки АКБ заряжают. Выполняется это так: на корпусе батареи проверяется значение емкости в Ампер-часах, это число делится на 10, и полученную величину уже используют для установления тока зарядки. Например, если емкость батареи составляет 80 А*ч, тогда ток для ее зарядки равен 8 А. Заряжать следует в течение 4 часов, после чего замеряются значения плотности и уровня электролита, и если они соответствуют рабочим величинам, тогда аккумуляторная батарея готова к использованию.

Виды, Составы и Как приготовить

Без электролитов невозможна работа перезаряжаемых источников электроэнергии. Существует несколько основных типов таких веществ, которые наиболее часто используются в современных устройствах этого типа. О том, какие существуют виды электролитов, а также каким образом  можно приготовить смесь для заливки в аккумуляторную батарею, будет подробно рассказано в этой статье.

Что такое электролит и для чего он нужен

Электролит представляет собой кислотный или щелочной раствор, который принимает участие в химической реакции. Во время зарядки батареи, плотность токопроводящей жидкости повышается, поэтому по этому параметру можно довольно точно судить о степени заряженности аккумулятора.

Важно не только наличие токопроводящей жидкости в батарее, но также и качество смеси. Если приготовление раствора серной кислоты или щёлочи с водой производилось с нарушением технологии, то аккумулятор будет работать нестабильно либо полностью выйдет из строя в течение непродолжительного времени.

Виды электролита

Электролиты бывают двух основных видов:

  • Кислотный.
  • Щелочной.

Кислотные смеси с дистиллированной водой применяются в основном в аккумуляторах, применяемых для запуска двигателя автомобиля. Такие вещества можно приобрести в специализированных магазинах либо приготовить самостоятельно. На заводе такие смеси делают по ГОСТу, в домашних условиях также можно довольно точно соблюсти необходимые пропорции при смешивании кислоты с водой.

Щелочная смесь может быть приготовлена с использованием различных активных веществ, но наиболее часто применяется кальциево-литиевая основа, которая разводится необходимым количеством дистиллированной воды.

Кислотный электролит

Кислотную токопроводящую жидкость можно готовить самому из концентрированной серной кислоты.

Состав. В состав кислотного электролита входят два вещества:

  • Кислота.
  • Дистиллированная вода.

В качестве основного вещества чаще используется серная кислота, которая практически не имеет запаха, не испаряется при комнатной температуре. По электропроводимости и другим важнейшим характеристикам этот элемент также наиболее подходит для заливки в свинцовые аккумуляторные батареи.

Особенности химических свойств. Основной характеристикой кислотного аккумулятора является его плотность. Этот параметр может существенно отличаться в зависимости от степени заряженности батареи, но не должен быть ниже 1,26 и выше 1,30 г/мм3.

Температура замерзания аккумуляторной жидкости напрямую зависит от её плотности, но если этот показатель опустится ниже минус 75 градусов Цельсия, то токопроводящая жидкость даже в полностью заряженном аккумуляторе превратится в лёд.

Серная кислота является едким веществом, поэтому при работе с этим веществом, следует использовать индивидуальные средства защиты. Как минимум, следует применять защитные очки и резиновые перчатки.

Применение. Кислотный электролит применяется, в основном, в свинцовых аккумуляторах. Такие источники тока используются в качестве стартерных батарей в легковом и грузовом транспорте.

Как приготовить. Чтобы приготовить самостоятельно потребуется следующие материалы и инструменты:

  • Устойчивую к воздействую кислоты посуду и лопатку для помешивания раствора.
  • Дистиллированную воду.
  • Аккумуляторную серную кислоту.

Перед выполнением работы следует позаботиться о безопасности. Чтобы защититься от возможного негативного воздействия необходимо подготовить:

  • Защитные очки.
  • Устойчивый к кислоте фартук.
  • Резиновые перчатки.
  • Соду для нейтрализации действия кислоты.

Процесс приготовления осуществляется в такой последовательности:

  • В ёмкость наливают необходимое количество воды.
  • Тонкой струйкой добавляют концентрированную кислоту.
  • Перемешать стеклянной или пластиковой лопаткой получившийся раствор.
  • Дать отстояться смеси в течение 12 часов.

Для приготовления 1 литра смеси необходимой плотности потребуется 0,781 л воды и 0,285 л серной кислоты.

Щелочной электролит

Щелочной электролит имеет свои преимущества и недостатки, но такой состав также широко используется в качестве токопроводящей жидкости в портативных источниках питания.

Состав. В состав аккумуляторного электролита щелочного типа могут использоваться едкий калий или едкий натрий. Для улучшения эксплуатационных характеристик к щелочной основе добавляют также литиевые соединения. Для придания смеси текучести её разбавляют дистиллированной водой.

Особенности химических свойств. Все щелочные аккумуляторные жидкости – это сильные основания, которые активны по отношению к многим металлам и кислотам.

В результате химических реакций с кислотами образуются соль и вода. Растворы щелочей также подвергаются гидролизу. Перечисленные химические свойства позволяют использовать этот тип электропроводящей жидкости для накопления электроэнергии в аккумуляторе.

Применение. Применение щелочных растворов сводится в основном к заправке аккумуляторных батарей. Такие источники электрического тока используются в различных приборах, электропогрузчиках, а также в качестве стартерных батарей для военных машин.

Как приготовить. Чтобы приготовить следует придерживаться определённых правил. Прежде всего, необходима вместительная посуда, изготовленная из устойчивого к щелочи материала. Процесс приготовления следующий:

  • В ёмкость заливается необходимое количество дистиллированной воды.
  • В жидкость аккуратно всыпается сухая щёлочь. Затем смесь помешивают с помощью пластмассовой лопатки.
  • Производится анализ плотности. При необходимости добавить сухую смесь или воду.
  • Отстаивается раствор в течение 3 часов.
  • Переливается электролит в другую ёмкость, стараясь не допустить поднятия осадка со дна ёмкости.

Если вся работа была произведена по инструкции, то можно получить качественный электролит, который заливают затем в аккумуляторы подходящего типа.

Корректирующий электролит

В процессе эксплуатации обслуживаемых аккумуляторов в банки может быть случайно добавлено слишком большое количество дистиллированной воды, что приведёт к падению плотности токопроводящей жидкости ниже допустимого уровня.

Решается эта проблема приготовлением и заливкой корректирующего электролита повышенной плотности.

Состав. Состав корректирующего раствора не отличается от основного электролита. Например, дли свинцово кислотных АКБ необходимо также развести серную кислоту в дистиллированной воде, но пропорции будет немного отличаться (для получения 1 литра электролита необходимо придерживаться соотношения 0,650 л воды и 0,423 кислоты).

Особенности химических свойств. Химические свойства корректирующего электролита практически не отличаются от основной токопроводящей жидкости. Физические параметры могут незначительно отличаться (более низкая температура замерзания).

Применение. Единственное применение корректирующего электролита – это восстановление оптимальной концентрации кислоты или щёлочи внутри банок аккумулятора.

Как приготовить. Для приготовления корректирующего состава необходимо разбавить чистое основное вещество в дистиллированной воде, но добавлять его необходимо немного больше, чем при производстве обычного электролита.

Последовательность операции также не отличается от стандартной схемы работы с едкими веществами для приготовления токопроводящей жидкости для аккумулятора.

Какой электролит в какой аккумулятор заливается

Если залить в аккумулятор неподходящий электролит, то АКБ будет полностью выведена из строя. Тип аккумулятора, как правило, указан на корпусе изделия, поэтому совершенно несложно установить принадлежность источника питания к определённой категории.

Если этикетка отсутствует, то можно взять небольшое количество электролита и с помощью тестов определить его состав. В свинцово-кислотные аккумуляторы заливаются электролиты на основе серной кислоты. Для щелочных источников питания можно использовать растворы KOH и NaOH.

При добавлении электролита в щелочные устройства следует также точно определить химическую формулу применяемого основания. Отличить одну щёлочь от другой можно по цвету пламени. Если добавить в костёр KOH то цвет огня изменится на красно-фиолетовый, NaOH – горит жёлтым свечением.

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

Что такое электролит для аккумуляторов и как его приготовить?

Электролит – одна из основных составляющих аккумуляторных батарей, которые дают возможность запуска автомобиля. Он бывает нескольких видов, различающихся по своему составу. Своевременный контроль за количеством и качеством электролита в аккумуляторе позволит избежать преждевременный выход аккумулятора из строя и сэкономить на покупке нового устройства.

Содержание статьи

Виды, состав и особенности

На данный момент различают три вида электролитов для аккумуляторов, для щелочных аккумуляторов — щелочной, а для кислотных — кислотный, но так же выделяют и корректирующий электролит, необходимый при обслуживании батарей.

Как определить кислотный аккумулятор или щелочной? Проще всего это сделать по маркировке корпуса и по материалу, из которого он сделан. Корпус кислотных АКБ всегда изготавливается из специального пластика, тогда как щелочные батареи могут быть сделаны из металла. Так же можно определить протестировав каплю электролита из аккумулятора: кислотный электролит вступит в реакцию с содой или мелом.

Кислотный

Представляет собой смесь серной кислоты, составляющей тридцать пять процентов всего состава, и дистиллированной воды, которая занимает оставшиеся шестьдесят пять. Данный состав в аккумуляторе находится в емкости со свинцовыми пластинами, при контакте этих элементов и происходит выработка тока.

Преимущества кислотного электролита:

  • Высокий уровень КПД
  • Слабая потеря заряда при бездействии
  • Выдача высокого стартового тока
  • Невысокая стоимость

Недостатки:

  • Чувствительность к перепадам температур
  • Неэкологичность
  • Необходимость регулярного контроля плотности состава

Следует отметить, что кислотный электролит используется в большинстве моделей аккумуляторных батарей для автомобилей, так как только он способен давать достаточное количество тока для запуска двигателя. При этом аккумуляторы, изготовленные с использованием данного раствора, делятся на две группы:

  • Обслуживаемые
  • Необслуживаемые

Первый вид обеспечивает легкий доступ к содержимому банок. В них можно замерять плотность электролита, при необходимости заливать дистиллированную воду и электролит, просто открутив крышки с банок.

В случае с необслуживаемыми моделями провести подобные действия также возможно, однако для этого нужно самостоятельно вскрыть устройство, провести нужные действия, а затем герметично их закрыть. В подобных случаях могут быть использованы дрель и сварочный аппарат.

Проводить замену электролита в необслуживаемых моделях стоит только в тех случаях, когда их гарантийный срок истек. Часто это производится исключительно для получения опыта проведения подобных операций.

Щелочной

Щелочной электролит состоит из гидроокиси калия, натрия, лития или всех этих составляющих в комплексе, разведенных в воде.

К достоинствам данного вида относятся:

  • Длительный период службы
  • Способность сохранять свойства при значительных перепадах температуры
  • Гораздо меньшее выделение вредных газов в атмосферу
  • Способность выдерживать встряски
  • Неприхотливость в обслуживании

Недостатки:

  • Меньшая величина электродвижущей силы по сравнению с кислотными
  • Отсутствие способности подачи стартового тока для запуска двигателя
  • Более высокая стоимость

Несмотря на долгий срок службы, неприхотливость и другие преимущества применение данного вида электролита в автомобильной промышленности ограничено. Виной тому неспособность выработки достаточного уровня стартового тока, необходимого для запуска двигателя. К минусам также относятся их внушительные габариты.

Однако устройства на щелочном электролите успешно применяются в обеспечении током тяговых и локомотивных составов.

Важно! Перед осуществлением замены следует убедиться, что аккумулятор именно щелочной. В противном случае АКБ можно полностью вывести из строя.

Корректирующий

Данный электролит является специальным составом с высоким содержанием активных веществ, используемый для повышения плотности электролита аккумулятора. Он предназначен для повышения концентрации активных веществ в батарее. 

В продаже можно встретить следующие виды корректирующего электролита:

  • Твердый калиево-литиевый
  • Жидкий калиево-литиевый с различной плотностью
  • Жидкий кислотный

Корректирующий электролит можно изготовить самостоятельно, имея под рукой необходимые для этого составы, однако зачастую его проще купить, так как стоимость его более чем доступна.

Как пользоваться корректирующим электролитом:

  • Удалить из банок немного электролита
  • Долить в них такое же количество корректирующей жидкости
  • Установить АКБ на заряд номинальным током для запуска процесса смешивания полученного состава на полчаса
  • Оставить батарею на остывание на пару часов
  • Произвести замер плотности и при необходимости отрегулировать его снова

При повторной коррекции количество заменяемого электролита следует уменьшить.

Как приготовить самостоятельно

Перед тем, как самостоятельно заменить электролит для аккумулятора, необходимо принять соответствующие меры безопасности и приготовить предметы индивидуальной защиты:

  • Перчатки
  • Фартук
  • Защитные очки
  • Раствор соды на случай попадания средства на кожу или предметы одежды
  • Уксус или лимонную кислоту – для нейтрализации щелочи

Проводить действия следует в хорошо проветриваемом помещении с температурой воздуха не выше +25 C°. Следует заранее знать, какой объем готового электролита потребуется для заполнения батарей. В среднем, в современных АКБ количество раствора составляет от 2,6 до 3,7 литра. Поэтому стоит сразу ориентироваться на максимальное количество. За основу можно взять 4 литра конечного раствора.

Для приготовления электролита необходимо заранее приготовить следующие предметы:

  • Посуду достаточной емкости, изготовленную из материала, устойчивого к воздействию кислоты и щелочи
  • Небольшую палочку для перемешивания электролита
  • Инструменты для проведения замеров плотности, температуры и уровня раствора
  • Для кислотного электролита – серную жидкость, для щелочного – щелочь в твердом или жидком виде, литий или силикагель

Важно! Все используемые материалы должны быть химически нейтральными для исключения возникновения ненужных реакций при их соприкосновении. В качестве емкости вполне подойдут обычные стеклянные банки.

Процесс приготовления щелочного электролита

Ингредиенты для приготовления данного состава могут быть как в жидком виде, так и в твердом. Если с первым все понятно, то перед тем как залить, щелочной электролит из твердого вещества потребуется развести в дистиллированной воде.

Требуемая плотность указывается на сайте производителя аккумулятора, также информацию можно найти в прилагаемой инструкции по эксплуатации. Твердый электролит берется пропорционально нужному количеству окончательного жидкого раствора и составляет:

  • 1/5 – для получения раствора плотностью 1,17-1,19 г/м³
  • 1/3 – для раствора плотностью 1,19-1,21 г/м³
  • 1/2 — для раствора плотностью 1,25-1,27 г/м³

Процесс приготовления состоит из следующих шагов:

  • Налить в посуду дистиллированную воду
  • Добавить нужное количество щелочи
  • Перемешать раствор
  • Плотно закрыть крышкой
  • Настаивать в течение 6 часов

После того, как процесс настаивания будет завершен, необходимо слить светлый раствор. Если часть состава выпадает в осадок, нужно его регулярно перемешивать. При заливке нужно следить, чтобы он остался на дне, не попав в аккумулятор, в противном случае это грозит выходом АКБ из строя.

Приготовление раствора для свинцовых аккумуляторов

Перед тем, как разбавить кислотный электролит, необходимо определить нужные пропорции. Они зависят от климатических условий, в которых планируется эксплуатация устройства.

Для получения электролита плотностью 1,28 г/м³, что приемлемо для средних климатических условий, потребуется в один литр дистиллированной воды влить 0,36 л серной кислоты. Для жарких регионов количество серной кислоты уменьшается до 0,33 л на то же количество воды.

Как разводить аккумуляторную кислоту:

  • Налить в подготовленную емкость дистиллированную воду
  • Аккуратно тонкой струйкой влить в нее кислоту
  • Измерить плотность полученного раствора
  • Оставить раствор настаиваться на 12 часов

Важно! Нельзя вливать воду в кислоту! Правильно — вливать кислоту в воду. Не следует торопиться, вливая кислоту, давайте возможность ей постепенно раствориться в воде.

Инструкция по замене

Замена электролита производится в следующих случаях:

  • Электролит в банках изменил цвет, стал мутным. Причиной тому может быть использование не дистиллированной воды для добавки, а обычно. Она может содержать примеси, вступающие в химическую реакцию с электролитом и образовывая твердые соединения, выпадающие в осадок
  • После зарядки аккумулятора невозможно добиться нужной плотности
  • Электролит вытек по неосторожности
  • Новый аккумулятор быстро разряжается. Причиной тому может быть замерзание раствора

Замена электролита, независимо от того, является он щелочным или кислотным, производится в несколько шагов:

  • Демонтаж аккумулятора из транспортного средства
  • Очистка АКБ от загрязнений
  • Выкачивание имеющейся жидкости с помощью груши или шприца
  • Промывка банок дистиллированной водой
  • Заливка электролита с помощью груши или аналогичных приспособлений

Уровень заливки определяется метками внутри банок. Если они отсутствуют, нужно руководствоваться правилом – электролит должен быть на уровне выше пластин на 5-7 миллиметров. При этом от его уровня до крышек банок должно оставаться не менее двух сантиметров.

Очень важно при сливе электролита не наклонять его в сторону и тем более не переворачивать. На дне сосудов могут оказаться твердые частицы, которые застрянут в пластинах, полностью выведя их из строя. Допускается легкое покачивание воды из стороны в сторону при промывании, такие же действия можно производить после заливки электролита в аккумулятор.

После этого АКБ устанавливается на зарядку, после чего следует проверить получившуюся плотность. Замеры должны производиться не арене, чем через пару часов после снятия устройства с зарядки, так как существует риск получить завышенные показания. Если плотность недостаточно высокая или, напротив, имеет излишние значения, ее следует отрегулировать добавлением кислоты, щелочи или дистиллированной воды.

Полезное видео

Видео инструкция о замене электролита

Заключение

Независимо от типа электролита, используемого в эксплуатируемой АКБ, можно самостоятельно произвести его полную замену, проверку плотности и других показателей. Однако стоит помнить о технике безопасности, так как электролит – опасный химический состав, способный значительно повредить кожные покровы и глаза.

 

Электролит: основа свинцово-кислотных автомобильных аккумуляторов

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


Что такое электролит?

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

Аккумуляторный электролит имеет следующее назначение:

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

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


Зачем в аккумуляторе электролит?

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

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

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


Типы и характеристики электролитов

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

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

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

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

Температура электролита,
°C
Поправка к показаниям ареометра,
г/куб. см
-55 … -41-0,05
-40 … -26-0,04
-25 … -11-0,03
-10 … +4-0,02
+5 … +19-0,01
+20 … +300
+31 … +45+0,01
+46 … +60+0,02

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

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

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

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

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


Использование аккумуляторного электролита

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Электролит для аккумуляторов:его назначение и виды

Практически на всем протяжении эксплуатации автомобильной техники, водители сталкиваются с таким понятием как уровень и плотность электролита в аккумуляторе. Обслуживаемые батареи до сих пор в большинстве случаев вытесняют свои аналоги по некоторым техническим параметрам, одним и таких параметров является диапазон рабочих температур.

Электролит для аккумуляторов

Жидкость для аккумуляторов представляет собой особый раствор из активных веществ необходимый для накопления и удержания внутренней энергии источника питания. От состава такого электропроводника зависит нормальная работа батареи, а также срок службы, который измеряется количеством циклов заряд-разряд. Непосредственно в самом растворе для АКБ происходит преобразование химической реакции в электричество в процессе зарядки. Многие современные источники питания работают на жидких электролитах.

Для обеспечения питания автомобильной техники применяются два основных вида электролита:

  • щелочной;
  • кислотный.

Основным минусом таких батарей является необходимость систематического осмотра и добавления дистиллированной воды в банки. Применять следует только качественные материалы иначе источник питания может выйти из строя.

Важно! Использование в аккумуляторе обычной воды приводит к осыпанию пластин и выходу батареи из строя.

Электролит кислотный

Самым распространенным раствором, применяемым в автомобильных источниках, питания является кислотный. Такая специальная жидкость состоит из двух элементов:

  • дистиллированная вода;
  • кислота.

Для кислотных аккумуляторов есть одна особенность, их необходимо постоянно обслуживать, доливать кислоту или воду. Такие меры следует выполнять из-за испарения электролита в режиме эксплуатации, либо заряда.

Интересно знать! Плотность и уровень электролита являются основными показателями, за которыми необходимо постоянно следить.

Аккумуляторная кислота

В качестве кислотной составляющей применяется раствор на основе серы (серная кислота). Такое вещество является очень опасным и может привести к химическим ожогам при попадании на кожные покровы или слизистую.

Серная кислота представляет собой маслянистую жидкость без цвета. Она хорошо растворяется в воде, при этом может выделяться значительное количество тепла. При нормальной температуре и без посторонних примесей имеет плотность 1,830 г/см3. Однако примеси все же могут содержаться в составе раствора, в нем могут находиться мышьяка, марганец, хлор и железо.

Дистиллированная вода

В процессе приготовления электролита необходимо применять очищенную от примесей воду. Категорически запрещается использовать водопроводную и речную,  это приведет к необратимым реакциям в источнике питания. Допускается добавлять в раствор конденсат, образующийся в котельных установках повышенной мощности.

Для промышленного изготовления дистиллированной воды применяют специальные электрические дистилляторы. Установка мощностью 4 кВт имеет производительность до пяти литров в час.

Совет! Перед применением воды после очистки необходимо проверить содержание посторонних примесей в ней.

Основные соотношения составляющих

Для приготовления электролита необходимой концентрации необходимо руководствоваться следующими рекомендациями при подборе пропорций вещества:

Для того, чтобы приготовить жидкость плотностью 1,4 г/см3 необходимо соблюдать пропорции в таблице:

 

Изготовление раствора из кислоты плотностью 1,83 г/см3 рекомендуется по следующим пропорциям:

Существует еще один необходимый параметр, который следует учитывать это уменьшение количества изготовленного раствора кислоты и воды при понижении температуры. Для контроля за этим свойством создана таблица сокращения количества раствора:

Вязкость

В процессе эксплуатации аккумуляторной батареи в каждой банке протекают химические реакции. Скорость взаимодействия напрямую зависит от вязкости электролита. Данный параметр характеризует процессы диффузии при разряде и заряде батареи. При повышении вязкости снижаются скорости реакций в электролите, происходит уменьшение внутренней емкости аккумулятора. Пониженная температура пагубно влияет на показания этого параметра, поэтому при установке источника питания следует учитывать это условие.

Удельное сопротивление

При полезных свойствах проводимости электролит имеет и характеристику сопротивления. Она рассчитывается по формуле:

R= r*S/L,

где r — это внутренне удельное сопротивление источника питания;

S- это поперечное сечение проводника;

L- это длина проводника.

Значение удельного сопротивления обратно пропорционально показаниям температуры окружающей среды.

Для сохранения широкого диапазона рабочих температур повышают плотность электролита. В таблице указана температура замерзания электролита в аккумуляторе:

Внимание! В современные пусковые аккумуляторы заливают проводниковый раствор значением плотности 1,3 г/см3, это позволяет сохранить полезные свойства в суровых условиях эксплуатации, а также продлить срок годности.

Щелочной электролит

Состоит данный электролит из щелочной составляющей и дистиллированной воды. Щелочь представляет собой соединения на основе калия (КОН) или лития.

КОН- твердое вещество белого цвета, полностью растворяется в воде при этом выделяется тепло. Электролит для щелочных аккумуляторов изготавливают трех видов:

  • высший, с содержанием КОН до 96%;
  • категории А до 92%;
  • категория В до 88%.

Внимание! В процессе производства щелочного электролита необходимо соблюдать меры предосторожности, так как едкий калий является опасным веществом.

Рекомендуемая плотность для АКБ указывается в паспорте источника питания при изготовлении. Производители при нормальном режиме работы заливают электролит со значением 1,21 г/см3, в зимний период концентрация щелочи в нем прибавляется до значения 1,27 г/см3.

Плотность щелочного электролита указана в таблице:

Утилизация электролита

При выходе из строя источника питания необходимо заменить его на новый. Тогда возникает вопрос, а куда деть старый. В настоящее время существует большое число пунктов приема и утилизации отработавших аккумуляторов. Специальные станции переработки электролита нейтрализуют вредные вещества в нем, при этом оберегая окружающую среду от опасности загрязнения.

Изготовление электролита самостоятельно это трудоемкий и опасный процесс, поэтому целесообразнее будет приобрести готовый в магазине. Заводская жидкость, приготовленная с соблюдением всех технологий, значительно увеличит срок службы аккумулятора и убережет от опасного осыпания пластин внутри батареи.

Какая кислота в аккумуляторе автомобиля

Практически все владельцы личного транспортного средства прекрасно знают о том, что в аккумуляторах есть кислота. Даже новички, которые только начинают постигать азы вождения, и то осведомлены касательно этого вопроса.

Многие из них слышали о кислотно-свинцовых аккумуляторах, но на деле так и не имеют представления, как именно работает это устройство. А между тем здесь протекают определенные химические реакции.

Какая кислота в аккумуляторе и для чего нужна

Большинство автомобилистов прекрасно знают, какая кислота залита в аккумуляторе. Но находятся и те, кто считают, что внутри аккумулятора ничего кроме дистиллированной воды (или дистиллята) нет. Другие же придерживаются мнения в пользу соляной кислоты, которое также неверно.

В любой автомобильной батарее содержится серная кислота — H2SO4. Если быть точнее, то речь идет о растворе серной кислоты с дистиллированной водой. Такая жидкость имеет общее название – электролит. Так какова роль серной кислоты?

Это основной компонент для работы АКБ. В отсутствие кислоты невозможен процесс заряда и разряда батареи. Это одна из самых активных разновидностей, которая способна вступать во взаимодействие практически с любым металлом, включая их оксиды. К тому же кислота может вступать в реакции обмена, а ее активность зависит от содержания воды.

Когда происходит заряд кислотного аккумулятора, пластины из чистого свинца (отрицательные) начинаются выделять электроны, которые принимаются решетками из оксида свинца (положительные). При разряде батареи происходит в точности до наоборот. Иными словами, когда пластины отдают электроны, они как бы «разрушаются» – происходит заряд, а при разряде они возвращаются обратно, что именуется «восстановлением».

И вот как раз для такого процесса разрушения – восстановления и нужна агрессивная среда в виде разбавленной серной кислоты. И без нее эффективность автомобильных батарей была бы на очень низком уровне.

Состав электролита и как правильно сделать

Серная кислота широко используется в современной промышленности для получения электрической энергии (аккумуляторы, батареи, электрические конденсаторы). Что касается состава электролита в АКБ, то соотношение между серной кислотой и дистиллированной водой следующее:

  • сама кислота – 30%;
  • дистиллированная вода – 70%.

Именно такая субстанция эффективным образом взаимодействует со свинцовыми пластинами. При этом особого внимания заслуживает плотность электролита, на что непосредственным образом оказывает влияние серная кислота. У концентрированной она достигает показателя в 1,83 г/см3. Добавлением дистиллированной воды обеспечивается понижение плотности до нужных пределов – обычно это диапазон 1,23-1,27 г/см3.

Плотность
электролита
(г/см3)
Напряжение
без нагрузки
(В)
Напряжение
с нагрузкой
(В)
Степень
заряженности
(%)
Замерзание
электролита
(С)
1,2712,6610,8100-60
1,2612,610,6694-55
1,2512,5410,587,5-50
1,2412,4810,3481-46
1,2312,4210,275-42
1,2212,3610,0669-37
1,2112,39,962,5-32
1,212,249,7456-27
1,1912,189,650-24
1,1812,129,4644-18
1,1712,069,337,5-16
1,16129,1431-14
1,1511,94925-13
1,1411,888,8419-11
1,1311,828,6812,56-9
1,1211,768,546-8
1,1111,78,40,0-7

Знать этот параметр необходимо для понимания порога замерзания электролита. При плотности в 1,11 г/см3 субстанция замерзает уже под воздействием относительно небольшого холод: -7 °C. У рекомендованных значений порог этот существенно отличен – от -58 °C до -64 °C. А можно ли самому сделать электролит?

Да, это действительно возможно, только действовать необходимо с предельной осторожностью. И поскольку предстоит иметь дело с серной кислотой высокой концентрации, то такая работа представляет определенную опасность. Необходимо позаботиться о защите рук, тела, органов дыхания.

Собственно в том, чтобы самостоятельно приготовить электролит для АКБ, нет ничего сложного – смешать серную кислоту с дистиллированной водой, соблюдая пропорцию. Стоит заметить, что обычна вода из-под крана для таких целей не подходит, поскольку содержит большое количество разных примесей, которые негативным образом воздействуют на свинцовые пластины.

Собственно сами ингредиенты:

  • Серная кислота (плотность должна быть 1,83 г/см3 или более, но не менее).
  • Дистиллированная вода.
  • Любая фарфоровая посуда.

Пропорции кислоты и воды нам известны – 30% и 70% соответственно. При этом важен характер подхода к производству – оптимально кислоту добавлять в воду, а не наоборот. Также стоит учесть, что при их смешивании будет выделяться очень много тепловой энергии и по этой причине недопустимо использовать стеклянную посуду – она просто лопается. Когда температура электролита упадет, его можно перелить в стеклянную емкость или тару из пластика.

После того как жидкости будут соединены, следует замерить плотность ареометром. Если показатели соответствуют допустимому пределу, электролит готов к эксплуатации. Но такое приспособление имеется далеко не у каждого водителя, а поэтому пригодится следующая подсказка плотности электролита (из расчета на 1 литр дистиллированной воды):

  • при 1,23г/см3 – 280г;
  • при 1,25г/см3 – 310г;
  • при 1,27г/см3 – 345 г;
  • при 1,29г/см3 – 385 г.

Собственно на этом работа и заканчивается. Тем, кто проживает в средней полосе России, следует придерживаться плотности – 1,27 г/см3. При этом для зон с холодным климатом (до -30 °С) допустимый показатель составляет 1,26-1,28 г/см3, а жарких субтропических районов – 1,24-1,26 г/см3. Пределы плотности от 1,27 г/см3 до 1,29 г/см3 актуальны для тех регионов, где зима свирепствует до -50 °С.

К чему приведет нарушение рецептуры

Показатель в 1,29 г/см3 является не самым высоким – встречается концентрат электролита с плотностью 1,33 г/см3 (применяется для корректировки), ранее можно было найти даже с плотность 1,4 г/см3, но сейчас он снят с продажи. Однако его все же следует также разбавить водой и только после этого заливать внутрь АКБ. Почему же нельзя лить сильно концентрированный электролит?

Ничего хорошо уж точно не произойдет! Из-за высокой концентрации страдают пластины аккумулятора – их просто разъедает со временем. Это происходит медленно, но верно! Поэтому, если залить высокий концентрат, не следует удивляться тому, что АКБ в скором времени вышла из строя.

Низкая плотность электролита приводит к такому явлению, которое называется сульфатацией. Об этом процессе известно многим опытным водителям. В результате на пластинах оседают кристаллы сульфита свинца, из-за чего металл утрачивает способность к накоплению заряда.

К тому же, как выше уже было упомянуто, из-за слишком низких показателей плотности электролит замерзает, обращаясь в лед. Чем это грозит, каждому уже понятно – повреждения пластин не избежать.

Как корректировать плотность жидкости

Владельцам автомобилей необходимо контролировать уровень электролита и его плотность. Из-за гидролиза и нагрева АКБ в подкапотном пространстве содержание субстанции понижается, а плотность наоборот растет. По этой причине возникает необходимость доливать дистиллированную воду. Но иногда показатели плотности электролита могут стать меньше нормы. Тогда следует поднять концентрацию кислоты.

Существуют несколько способов как это можно сделать, исходя из степени понижения плотности электролита. Для этого следует замерить его концентрацию в каждой банке по отдельности. Если густота электролита получена от 1,18 г/см3 до 1,20 г/см3, то оптимальное решение – замена части электролита в банке на новый с плотностью 1,27 г/см3. Иными словами делается повышение плотности электролита.

Только предварительно стоит убедиться в том, что АКБ заряжена, иначе батарею следует подзарядить. При низком заряде аккумулятора к такой процедуре нельзя приступать. Иначе концентрация H2SO4 резко поднимется, что приведет только к разрушению пластин.

Сама же процедура выполняется в следующем порядке:

  • Резиновой грушей откачивает как можно больше жидкости из банки. При этом замерить объем.
  • Добавляют новый корректирующую жидкость с плотностью 1,27-1,29 гр/см3 в количестве равном половине изъятого объема.
  • Пусть все перемешается между собой – для этого можно дать нагрузку на выводы, просто подождать некоторое время или потрясти АКБ.
  • Замеряют плотность. Если показатели по-прежнему не достигли допустимых пределов доливку электролита стоит продолжать до достижения нужных параметров.
  • Когда предел установлен, банки закрывают, а сам аккумулятор ставится на зарядку.

В том случае, когда плотность электролита снижена ниже уровня в 1,2 гр/см3, тогда необходимо менять его полностью – сливать старый, заливать новый.

Как работает электролит? - Батарейный университет

Узнайте больше о катализаторе, который охватывает электроды батареи и обеспечивает поток электричества.

Электролит служит катализатором, чтобы сделать батарею проводящей, способствуя перемещению ионов от катода к аноду при зарядке и в обратном направлении при разрядке. Ионы - это электрически заряженные атомы, которые потеряли или приобрели электроны. Электролит батареи состоит из растворимых солей, кислот или других оснований в жидком, гелеобразном и сухом форматах.Электролит также может быть полимером, который используется в твердотельной батарее, твердой керамикой и расплавом солей, как в натрий-серной батарее.

Для свинцовой кислоты используется серная кислота . При зарядке кислота становится более плотной, так как оксид свинца (PbO 2 ) образуется на положительной пластине, а затем превращается почти в воду при полном разряде. Удельный вес серной кислоты измеряется ареометром. (См. Также BU-903: Как измерить состояние заряда). Свинцово-кислотные батареи бывают залитых и герметичных форматов, также известных как свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (VRLA) или необслуживаемые.

Серная кислота бесцветна с легким желто-зеленым оттенком, растворима в воде и обладает сильной коррозионной активностью. Обесцвечивание до коричневатого оттенка может быть вызвано ржавчиной в результате анодной коррозии или попаданием воды в аккумуляторный блок.

Свинцово-кислотные батареи бывают разной плотности (SG). В батареях глубокого цикла используется плотный электролит с удельной массой до 1,330 для достижения высокой удельной энергии, стартерные батареи имеют средний удельный вес около 1,265, а стационарные батареи имеют низкий удельный вес около 1.От 225 до умеренной коррозии и увеличения срока службы. (См. BU-903: Как измерить состояние заряда.)

Серная кислота находит широкое применение, а также содержится в очистителях канализации и различных чистящих средствах. Кроме того, он служит для переработки минерального сырья, переработки минерального сырья, производства удобрений, нефтепереработки, обработки сточных вод и химического синтеза.

ВНИМАНИЕ: Серная кислота может вызвать серьезные повреждения при контакте с кожей и привести к необратимой слепоте при попадании в глаза.Проглатывание серной кислоты вызывает необратимые повреждения.

Электролитом в NiCd является щелочной электролит (гидроксид калия) . Большинство никель-кадмиевых батарей имеют цилиндрическую форму, в которой несколько слоев положительных и отрицательных материалов намотаны в рулон желе. Версия NiCd для заливки используется в качестве судовой батареи в коммерческих самолетах и ​​в системах ИБП, работающих в жарком и холодном климате, требующих частой езды на велосипеде. NiCd дороже свинцово-кислотной, но служит дольше.

NiMH использует тот же или аналогичный электролит, что и NiCd, который обычно представляет собой гидроксид калия. Электроды NiMH уникальны и состоят из никеля, кобальта, марганца, алюминия и редкоземельных металлов, которые также используются в Li-ion. NiMH доступен только в герметичных версиях.

Гидроксид калия - это неорганическое соединение с формулой КОН, обычно называемое едким калием. Электролит бесцветен и имеет множество промышленных применений, например как ингредиент в большинстве мягких и жидких мыл.КОН вреден при проглатывании.

В Li-ion используется жидкий, гелевый или сухой полимерный электролит. Жидкая версия представляет собой легковоспламеняющийся органический, а не водный тип, раствор солей лития с органическими растворителями, подобными этиленкарбонату. Смешивание растворов с различными карбонатами обеспечивает более высокую проводимость и расширяет температурный диапазон. Другие соли могут быть добавлены для уменьшения газовыделения и улучшения высокотемпературного цикла.

Li-

.

Battery Building Blocks - Battery University

(Батарейный университет )

Узнайте о составе трех наиболее распространенных аккумуляторов и о том, как они служат нашему обществу.

Электрохимическая батарея состоит из катода, анода и электролита, которые действуют как катализатор. При зарядке на поверхности раздела катод / электролит образуется скопление положительных ионов. Это приводит к движению электронов к катоду, создавая потенциал напряжения между катодом и анодом. Освобождение происходит путем прохождения тока от положительного катода через внешнюю нагрузку и обратно к отрицательному аноду.При зарядке ток течет в обратном направлении.

Батарея имеет два отдельных пути; один представляет собой электрическую цепь, по которой протекают электроны, питая нагрузку, а другой - путь, по которому ионы перемещаются между электродами через разделитель, который действует как изолятор для электронов. Ионы - это атомы, которые потеряли или приобрели электроны и стали электрически заряженными. Сепаратор электрически изолирует электроды, но допускает движение ионов.

Анод и катод

Электрод батареи, который выделяет электроны во время разряда, называется анод ; Электродом, поглощающим электроны, является катод .

Анод батареи всегда отрицательный, а катод положительный. Это, по-видимому, нарушает соглашение, поскольку анод является клеммой, по которой течет ток. Электронная лампа, диод или аккумулятор на зарядке следуют этому порядку; однако отключение питания от батареи при разряде превращает анод в отрицательный. Поскольку аккумулятор представляет собой электрическое накопительное устройство, обеспечивающее энергию, анод аккумулятора всегда отрицательный.

Литий-ионный анод - угольный (см. BU-204: Как работают литиевые батареи?), Но порядок обратный для литий-металлических батарей.Здесь катод - углерод, а анод - металлический литий (см. BU-212: Батареи будущего). За некоторыми исключениями, литий-металлические батареи не подлежат перезарядке.

Символ батареи
Катод батареи положительный; анод отрицательный.


Таблицы 1a, b, c и d суммируют состав вторичных батарей на основе свинца, никеля и лития, включая первичные щелочные.

Свинцово-кислотный Катод (положительный) Анод (отрицательный) Электролит
Материал Диоксид свинца (шоколадно-коричневый) Серый свинец (при образовании губчатый) Серная кислота
Полная зарядка Оксид свинца (PbO 2 ), электроны добавлены к положительной пластине Свинец (Pb), электроны удалены с пластины Сильная серная кислота
Выпущено Свинец превращается в сульфат свинца на отрицательном электроде, электроны перемещаются от положительной пластины к отрицательной пластине
.

Электролит Материалы в литий-ионных батарей

*

Выберите страну / regionUnited StatesCanadaAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика ofCook IslandsCosta RicaCote D'IvoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEast TimorEcuadorEgyptEl СальвадорЭкваториальная ГвинеяЭритреяЭстонияЭфиопияФолклендские (Мальвинские) острова Фарерские островаФинляндияГермания Югославская Республика МакедонияФранцияФранцузская ГвианаФранцузская ПолинезияФранцузские Южные территорииГабонГамбияГрузияГерманияГанаГибралтарГрецияГренаГрена GuadeloupeGuamGuatemalaGuineaGuinea-BissauGuyanaHaitiHeard и McDonald IslandsHoly Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran (Исламская Республика) IraqIrelandIsraelItalyJamaicaJapanJordanKazakstanKenyaKiribatiKorea, Корейские Народно-Демократической RepKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народный Демократической RepLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Arab JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacauMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные StatesMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPanamaPapua Нового GuineaParaguayPeruPhilippinesPitcairnPolandPortugalPuerto RicoQatarReunionRomaniaRussian FederationRwandaSaint HelenaSaint Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСамоаСан-МариноСао-Томе и ПринсипиСау ди ArabiaSenegalSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSpainSri LankaSth Georgia & Sth Sandwich Институт социальных Винсент и GrenadinesSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUruguayUS Minor Отдаленные IslandsUzbekistanVanuatuVenezuelaVietnamVirgin острова (Британские) Виргинские острова (U.S.) Острова Уоллис и Футуна Западная Сахара Йемен Югославия Замбия Зимбабве 9000 3.

Simple English Wikipedia, бесплатная энциклопедия

Схематический символ батареи

Аккумулятор преобразует химическую энергию в электрическую с помощью химической реакции. Обычно химические вещества хранятся внутри батареи. Он используется в цепи для питания других компонентов. Батарея производит электричество постоянного тока (DC) (электричество, которое течет в одном направлении и не переключается взад и вперед).

Использование электричества из розетки в здании дешевле и эффективнее, но аккумулятор может обеспечивать электричеством в районах, где нет распределения электроэнергии.Это также полезно для движущихся вещей, например электромобилей и мобильных телефонов.

Батареи могут быть первичными или вторичными. Первичная цепь выбрасывается, когда она больше не может обеспечивать электричество. Вторичный аккумулятор можно заряжать и использовать повторно.

Батарея может состоять из одной ячейки или нескольких элементов . Каждая ячейка имеет анод, катод и электролит. Электролит - это основной материал внутри батареи. Часто это кислота, к которой прикасаться опасно.Анод реагирует с электролитом с образованием электронов (это отрицательный конец или конец -). Катод реагирует с электролитом и забирает электроны (это положительный конец или + ). [1] Электрический ток возникает, когда провод соединяет анод с катодом, а электроны перемещаются от одного конца к другому. (Но аккумулятор может быть поврежден только проводом, соединяющим два конца, поэтому между двумя концами также необходима нагрузка .Нагрузка - это то, что замедляет электроны и обычно делает что-то полезное, например, лампочка в фонарике или электроника в калькуляторе). [2]

Батареи, подключенные параллельно - показаны на схеме и на чертеже

Электролит может быть жидким или твердым. Батарея называется аккумулятором с влажным или сухим элементом, в зависимости от типа электролита.

Химические реакции, происходящие в батарее, являются экзотермическими реакциями. Этот тип реакции вызывает тепло.Например, если вы оставите ноутбук включенным на долгое время, а затем прикоснетесь к аккумулятору, он будет теплым или горячим.

Аккумуляторная батарея заряжается путем обращения вспять химической реакции, происходящей внутри батареи. Но перезаряжаемый аккумулятор можно заряжать только определенное количество раз (время перезарядки). Даже встроенные батареи нельзя заряжать вечно. Более того, каждый раз, когда батарея заряжается, ее способность удерживать заряд немного снижается. Неперезаряжаемые батареи нельзя заряжать, так как могут вытечь различные вредные вещества, например гидроксид калия.

Элементы могут быть подключены, чтобы сделать батарею большего размера. Соединение плюса одной ячейки с минусом следующей ячейки называется соединением их последовательно . Напряжение каждой батареи складывается. Две батареи по шесть вольт, соединенные последовательно, будут составлять 12 вольт. [3]

Соединение плюса одной ячейки с плюсом другой, а минус с минусом называется соединением их параллельно . Напряжение остается прежним, но ток складывается.Напряжение - это давление, проталкивающее электроны по проводам, оно измеряется в вольтах. Ток - это то, сколько электронов может пройти одновременно, он измеряется в амперах. Комбинация тока и напряжения - это мощность (ватты = вольт x ампер) батареи.

Батареи бывают разных форм, размеров и напряжений.

Элементы AA, AAA, C и D, включая щелочные батареи, имеют стандартные размеры и форму и имеют напряжение около 1,5 В. Напряжение ячейки зависит от используемых химикатов.Электрический заряд, который он может передать, зависит от размера ячейки, а также от химических веществ. Заряд аккумулятора обычно измеряется в ампер-часах. Поскольку напряжение остается неизменным, больший заряд означает, что более крупный элемент может подавать больше ампер или работать дольше.

Первая батарея была изобретена в 1800 году Алессандро Вольта. В наши дни его аккумулятор называют гальваническим. [4]

В современных небольших батареях жидкость иммобилизируется в виде пасты, и все это помещается в герметичный корпус.Из-за этого ничего не может вылиться из аккумулятора. В более крупных аккумуляторах, таких как автомобильные, все еще есть жидкость, и они не герметичны. Разновидность батареи, в которой в качестве электролита используются расплавленные соли, была изобретена во время Второй мировой войны.

  • Сухие элементы, элементы, не содержащие жидкости (или содержащие иммобилизованную жидкость, например пасту или гель) в качестве электролита
    • Первичная ячейка, ячейки, которые нельзя перезарядить
      • Щелочная батарея, «щелочная», не перезаряжаемая
      • Батарея ртутная, неперезаряжаемая
      • Аккумулятор Leclanche, сверхтяжелый, не перезаряжаемый
      • Литиевая батарея, неперезаряжаемая, «таблетка»
      • Батарея из оксида серебра, неперезаряжаемая, батарейка для часов
      • Вольтаическая свая, первая батарея Аллесандро Вольтаса
    • Вторичный элемент, элементы, которые можно заряжать
  • Влажные элементы, элементы, содержащие жидкость в качестве электролита
  • Топливный элемент, перезаряжаемый за счет добавления топлива

Топливные элементы и солнечные элементы не являются батареями, потому что они не накапливают энергию внутри себя.

Конденсатор не является батареей, потому что он не накапливает энергию в химической реакции. Конденсатор может накапливать электричество и производить электричество намного быстрее, чем батарея, но обычно он стоит слишком дорого, чтобы сделать его настолько большим, насколько может быть батарея. Ученые и инженеры-химики работают над улучшением конденсаторов и аккумуляторов для электромобилей.

Небольшие электрические генераторы, управляемые руками и ногами, могут обеспечивать питание небольших электрических устройств. Радиоприемники с часовым механизмом, заводные фонари и аналогичные устройства также имеют заводную пружину для хранения механической энергии.

.

Frontiers | Новые твердые электролиты для литий-ионных аккумуляторов: перспективы исследований электронной микроскопии

Введение

В связи с исчерпанием ископаемых видов топлива в последние годы большое внимание уделяется высокоэффективным накопителям энергии (Quartarone and Mustarelli, 2011; Bruce et al., 2012). Хотя литий-ионный аккумулятор (LIB) является очень многообещающим альтернативным источником питания, проблемы безопасности и недостаточная плотность энергии препятствуют его применению в тяжелых условиях, например.г., электромобили и сетевое хранилище энергии (Quartarone and Mustarelli, 2011; Bruce et al., 2012). К счастью, эти проблемы можно решить путем интеграции новых твердых электролитов (Quartarone, Mustarelli, 2011; Takada, 2013; Wang et al., 2015). С одной стороны, эти твердые материалы обычно негорючие и не имеют утечки, что позволяет обойти проблемы безопасности, связанные с обычными органическими жидкими электролитами. Это необходимое условие для крупномасштабного применения. С другой стороны, также можно эффективно улучшить плотность энергии.Гораздо большее электрохимическое окно позволяет использовать современные электродные материалы, несовместимые с обычными жидкими электролитами. Кроме того, исключая необходимость в громоздких предохранительных механизмах, можно значительно уменьшить размер батареи. Из-за этих преимуществ твердые электролиты в последние годы вызывают огромный интерес.

Однако перед тем, как твердые электролиты можно будет использовать в коммерческих аккумуляторах, необходимо решить две большие проблемы. Во-первых, их ионная проводимость обычно низкая, что предотвращает быструю зарядку и разрядку (Takada, 2013; Wang et al., 2015). Во-вторых, сложно сформировать стабильную проводящую поверхность раздела между твердым электролитом и электродом (Zhu et al., 2015 и 2016; Richards et al., 2016). Преодоление первой проблемы требует механистического понимания взаимодействия между миграцией Li и атомной структурой материала. Для решения второй задачи сначала необходимо систематически установить корреляцию между структурой интерфейса / химией и ионным транспортом. Очевидно, что обе задачи требуют структурного и химического анализа со сверхвысоким пространственным разрешением.

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), в первую очередь сканирующая просвечивающая электронная микроскопия с коррекцией аберраций (STEM), является идеальным инструментом для получения критически важных сведений на атомном уровне. Он не только способен непосредственно визуализировать атомные конфигурации, но также может прояснять химическую информацию с пространственным разрешением суб-ангстрема с помощью спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) и энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) (Pennycook, 1992; Muller et al. al., 2008; Chi et al., 2011; Yabuuchi et al., 2011; Wu et al., 2015). Однако исследования твердых электролитов методом STEM создают многочисленные проблемы, поскольку высокая подвижность Li и плохая электронная проводимость делают эти материалы очень уязвимыми для повреждений электронным облучением (Egerton et al., 2004). К счастью, благодаря значительно улучшенным возможностям визуализации и подготовки образцов для ПЭМ, в последние годы эта проблема значительно уменьшилась. Некоторые светочувствительные материалы, которые ранее не могли быть изучены, теперь могут быть проанализированы в атомном масштабе (Ma et al., 2015), и многие из этих исследований внесли значительный вклад в исследования твердых электролитов.

В данном мини-обзоре будут рассмотрены исследования с помощью электронной микроскопии трех важных факторов, определяющих поведение твердых электролитов: (1) влияние атомной конфигурации внутри зерна на ионную проводимость, (2) влияние границ зерен и (3) поведение твердого тела. границы раздела электролит – электрод. На основе этого будут обсуждены возможности, проблемы и перспективы будущих исследований.

Влияние внутренней атомной конфигурации зерна на ионную проводимость

Миграция Li внутри кристаллической решетки продиктована атомным каркасом, который формирует каналы для транспорта Li. Для объяснения ионного переноса внутри решетки требуется точное понимание атомной структуры. Обладая сверхвысоким пространственным разрешением и чувствительностью к тонким различиям в дифракции, (S) ПЭМ не только дополняет исследования рассеяния рентгеновских лучей и нейтронов, но также дает уникальные сведения на атомном уровне.Недавние микроскопические исследования в основном были сосредоточены на двух системах: Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO) и Li 3 x La 2 / 3− x TiO 3 (LLTO).

Li 7 La 3 Zr 2 O 12 в настоящее время является наиболее многообещающим оксидным твердым электролитом благодаря сосуществованию превосходной стабильности по отношению к металлическому Li и относительно высокой проводимости (Муруган и др., 2007; Кассен, 2010). Он кристаллизуется в структуре граната с двумя полиморфами (Cussen, 2010): кубической фазой с относительно высокой проводимостью (c-LLZO) и менее проводящей тетрагональной фазой (t-LLZO). Различение этих двух фаз имеет решающее значение для правильной интерпретации поведения ионного транспорта. Исследование прецессионной дифракции электронов (PED) Buschmann et al. (2011) успешно разграничили эти две фазы, избежав влияния двойной дифракции. Этот результат дополнительно подтвердил, что легирование алюминием имеет решающее значение для стабилизации кубической фазы.В сочетании с дифракцией нейтронов было обнаружено, что позиции Li в c-LLZO, в отличие от тех, что в t-LLZO, частично заполнены. Высокая концентрация вакансий в c-LLZO приводит к более высокой подвижности лития и превосходной проводимости. Помимо исследования PED, Buschmann et al. также пытались выполнить ПЭМ с высоким разрешением (ПЭМВР), но подробный анализ был невозможен из-за повреждения электронным пучком. Недавно эта проблема была успешно решена Ma et al. (2015). Тщательный выбор условий получения изображений и подготовки образцов позволил провести высококачественный анализ TEM / EELS с атомным разрешением (S) (рисунки 1A, B).Исследования Ма показали, что c-LLZO сохраняет свою кубическую кристаллическую структуру даже в водной среде с pH> 7. Такая высокая структурная стабильность указывает на то, что c-LLZO предлагает надежную атомную основу для транспорта Li. Учитывая высокую ионную проводимость, совместимость с литием и желаемую структурную стабильность по отношению к водным растворам с широким диапазоном значений pH, LLZO является многообещающим кандидатом в качестве сепаратора в новых водных литиевых батареях.

Рисунок 1.(A) Атомная структура чувствительного к электронному лучу твердого электролита LLZO успешно визуализирована с помощью STEM-изображения в кольцевом темном поле под большим углом (HAADF). (B) Данные EELS LLZO после обмена Li + / H + с различными водными растворами. Содержание Li можно точно контролировать. Воспроизведено с разрешения (Ma et al., 2015).

Другой системой, которая широко исследовалась электронной микроскопией, является LLTO, которая имеет структуру типа перовскита (Stramare et al., 2003). Изменяя состав и / или условия обработки, можно получить несколько полиморфов с разной ионной проводимостью. Несмотря на это, большинство из них демонстрируют чередующееся наложение между слоями A-сайта с высоким содержанием La и бедным по La, и миграции Li благоприятствуют слои с низким содержанием La. Наибольшая объемная проводимость составляет 10 −3 См см −1 , приближаясь к проводимости обычных жидких электролитов (10 −2 См см −1 ) (Takada, 2013). Следовательно, глубокое понимание происхождения таких исключительных характеристик имеет решающее значение при разработке твердых электролитов с высокой проводимостью.Исследования (S) TEM внесли важный вклад в это дело. Воспользовавшись чувствительностью STEM-изображения кольцевого светлого поля (ABF) к легким элементам, таким как Li, Gao et al. (2013) непосредственно визуализировали вариацию положений Li в разных полиморфах LLTO. Было обнаружено, что Li находится в окне O4 для композиции с низким содержанием Li La 0,62 Li 0,16 TiO 3 , но рядом с позицией A для композиции с высоким содержанием Li La 0,56 Li 0,33 TiO 3 .Содержание Li, валентное состояние катионов и геометрия кислородных октаэдров в слоях, богатых La и бедных La, также были выявлены с помощью EELS. Кроме того, были исследованы доменные структуры, связанные с упорядочением между слоями, богатыми La и бедными La (Gao et al., 2014). Было обнаружено, что с La, блокирующим пути Li, доменные границы препятствуют ионному транспорту. Помимо этого, можно также визуализировать структурные особенности, которые нелегко обнаружить дифракционными методами. Как упоминалось выше, транспорт Li в LLTO зависит от бедных La слоями.Однако ни одно из предыдущих дифракционных исследований не обнаружило таких важных особенностей у наиболее проводящего полиморфа, закаленного при 1350 ° C La 0,56 Li 0,33 TiO 3 (Stramare et al., 2003). В результате механизм его ионного транспорта оставался неясным в течение многих лет. Недавно исследование STEM с атомным разрешением напрямую визуализировало ранее не замеченные пути ближнего упорядочения Li в этом материале (Ma et al., 2016). Длина когерентности упорядочения оказалась на мезоскопическом масштабе (менее 10 нм), что не позволяло обнаружить его большинством дифракционных методов.В сочетании с моделированием молекулярной динамики (МД) это наблюдение показало, что такая неуловимая мезоскопическая структура может наиболее эффективно максимизировать количество путей переноса лития, приводя к высокой проводимости. Это открытие не только примирило давно существовавшее несоответствие структуры и свойств, но также указывало на новый взгляд на улучшение ионной проводимости.

Хотя ПЭМ с атомным разрешением (S) очень помог фундаментальному пониманию ионного транспорта, текущие исследования ограничиваются оксидами.Для сравнения, сульфидные твердые электролиты, несмотря на их более высокую проводимость (Takada, 2013), редко исследуются. Микроскопические исследования этих материалов чрезвычайно сложны из-за (1) уязвимости слабых связей Li – S для электронов и (2) их чувствительности к окружающей атмосфере. Если эти проблемы могут быть устранены, (S) ТЕА будет играть еще более важную роль в исследовании твердых электролитов.

Воздействие границ зерен

Хотя исследования твердых электролитов в первую очередь сосредоточены на внутренней части зерен, границы зерен часто являются узким местом.Хотя объемная проводимость многих твердых электролитов уже сопоставима с проводимостью традиционных жидких электролитов, их большое сопротивление границ зерен обычно снижает общую проводимость на порядки (Takada, 2013). Из-за отсутствия надлежащего понимания механизма проводимости Li по границам зерен целенаправленная оптимизация пока невозможна.

Границы зерен в твердых телах часто ограничиваются очень маленьким масштабом длины с шириной всего в несколько элементарных ячеек.Таким образом, STEM с его разрешением ниже ангстрема кажется идеальным инструментом для их изучения. Ma et al. (2014) успешно использовали STEM / EELS с атомным разрешением, чтобы раскрыть атомарное происхождение сопротивления границ крупных зерен в LLTO. Наблюдалось, что большинство границ зерен демонстрируют более темный контраст Z-, чем соседние зерна, что позволяет предположить, что средний атомный номер на границе зерен ниже. Дальнейший анализ в атомном масштабе показал, что атомная конфигурация границ зерен значительно отличается от конфигурации внутри зерен (рис. 2A, B).Вместо структуры перовскита ABO 3 такие реконструированные границы зерен, по существу, представляют собой бинарный слой Ti – O, запрещающий избыток носителя заряда Li + . Следовательно, они действуют как внутренние барьеры для транспорта лития. Эта тема также исследовалась HRTEM и EDS. Кроме того, Gellert et al. (2012) изучали границы зерен в литий-алюминиевом фосфате титана (LATP). В зависимости от взаимной ориентации между соседними зернами наблюдались два типа границ зерен.Если ориентации аналогичны, будет присутствовать толстая граница кристаллического зерна. Считалось, что его высокая степень кристалличности обеспечивает относительно легкий перенос ионов. Если ориентации сильно различаются, образуется более тонкий, но аморфный слой, который считается очень резистивным.

Рис. 2. (A) Изображение HAADF-STEM с атомным разрешением границы зерен в LLTO. (B) Атомная модель границы зерен LLTO с дефицитом лития, основанная на всестороннем исследовании STEM / EELS.Воспроизведено с разрешения (Ma et al., 2014).

В отличие от двух материалов, рассмотренных выше, LLZO демонстрирует сопротивление границ зерен, сравнимое с сопротивлением внутренней части зерна (Муруган и др., 2007). Однако происхождение этого доброкачественного поведения остается неизвестным. Несколько исследовательских групп пытались изучить границы зерен LLZO с помощью электронной микроскопии, но результаты противоречивы. Кумадзаки и др. (2011) наблюдали аморфный Li – Al – Si – O и нанокристаллический LiAlSiO 4 на границах зерен LLZO.Напротив, чистые границы зерен, свободные от каких-либо изменений второй фазы или состава, сообщили Wolfenstine et al. (2012). Для окончательного объяснения необходимы систематические исследования с более высоким пространственным разрешением.

Эти исследования демонстрируют, что границы зерен, несмотря на их сильно локализованный характер, можно эффективно исследовать с помощью (S) ПЭМ в сочетании с локальными аналитическими методами, такими как EELS и EDS. Однако текущие усилия в этой области очень ограничены.Прежде чем будет осуществлено систематическое понимание и рациональная оптимизация переноса лития на границах зерен, необходимы дальнейшие углубленные исследования.

Поведение границ раздела электролит-электрод

Стабильная и проводящая граница раздела электрод / электролит является предпосылкой для длительной эксплуатации аккумуляторов на основе твердого электролита (Zhu et al., 2015 и 2016; Richards et al., 2016). Тем не менее, из-за отсутствия механистического понимания, которое могло бы направить рациональное улучшение, все еще очень сложно сформировать такие интерфейсы.В качестве первого шага к этой цели необходимо прямое экспериментальное наблюдение за интерфейсами.

Хотя до настоящего времени не сообщалось об исследованиях электронной микроскопии с атомным разрешением, границы раздела между катодными материалами и несколькими твердыми электролитами были исследованы с помощью наноэлектронной дифракции (NED), STEM и EDS. Kim et al. (2011) исследовали межфазную стабильность между LLZO и LiCoO 2 (LCO). Тонкая пленка LCO была выращена на полированной поверхности керамики LLZO методом импульсного лазерного осаждения при 937 К.Наблюдения с помощью просвечивающей электронной микроскопии показали наличие межфазного реакционного слоя толщиной ~ 50 нм. Измерения профиля линии EDS и NED, полученные вблизи границы раздела, позволили предположить, что этот реакционный слой состоит из La 2 CoO 4 , который, как полагают, препятствует диффузии Li. Кроме того, граница раздела между LCO и прототипом сульфидного электролита Li 2 S – P 2 S 5 была исследована Сакудой и др. (2009). Интерфейс был просто сформирован механическим шлифованием.После зарядки образовался межфазный слой, связанный с взаимной диффузией Co, P и S, и этот слой вызвал большое сопротивление. Аналогичное поведение наблюдалось между LiMn 2 O 4 и Li 2 S – P 2 S 5 (Китаура и др., 2010). Наблюдали межфазный слой, возникающий в результате диффузии Mn в твердый электролит, и полагали, что он дает большое сопротивление. Эти исследования с помощью электронной микроскопии показывают, что реакционный слой часто может образовываться между твердым электролитом и катодом из-за взаимной диффузии.В отличие от границы раздела твердого электролита (SEI) в обычных LIB, реакционные слои на границе раздела твердый электролит / электрод обычно скорее вредны, чем полезны, поскольку они обычно препятствуют ионному переносу (Qian et al., 2015).

Помимо этих экспериментально наблюдаемых реакционных слоев, часто предполагалось сильно локализованное межфазное разложение на границах раздела твердый электролит и электрод, хотя они демонстрируют определенную степень стабильности в электрохимических измерениях (Zhu et al., 2015 и 2016; Richards et al., 2016). Однако большинство таких предположений основано на теоретических расчетах. Экспериментальная проверка является довольно сложной задачей из-за чрезвычайно малого масштаба предполагаемой толщины и высокой летучести / нестабильности металлического Li (Wenzel et al., 2015, 2016). (S) ПЭМ, который может исследовать локальные особенности с чрезвычайно высоким пространственным разрешением вплоть до уровня субангстрема, предоставляет прекрасные возможности для исследования этих интригующих межфазных взаимодействий.

Итоги и перспективы

В этом мини-обзоре мы обсудили недавний прогресс в исследованиях (S) ТЕМ твердых электролитов для литиевых батарей. С успехом в решении проблем, вызванных повреждением электронным пучком, сообщается о все большем и большем количестве исследований, которые ранее невозможно было провести. Эти исследования прояснили несколько давних заблуждений относительно взаимосвязи структура-свойство, предоставили первые экспериментальные сведения о большом сопротивлении границ зерен и внесли вклад в понимание реакционного слоя на катоде / SEI.

Тем не менее, проблемы остаются. Для ионного транспорта внутри зерна сульфидные электролиты, которые часто демонстрируют более высокую проводимость, чем оксиды, требуют тщательного изучения на атомном уровне. Их уязвимость для электронного пучка из-за слабых связей Li с S в структуре и ограниченной электронной проводимости значительно ограничивает надежные измерения их атомной и электронной структуры в ПЭМ. Чтобы понять роль границ зерен в твердых электролитах, необходимо исследовать широкий спектр материалов, чтобы установить систематическое понимание.В частности, особого внимания заслуживают материалы с доброкачественными границами зерен, так как они могут вдохновить на создание материалов с проводящими границами зерен. Для границы раздела твердый электролит / электрод одной из наиболее актуальных задач является проверка сильно локализованных межфазных реакционных слоев, которые недавно были предложены теоретическими работами. Кроме того, оставалось исследовать изменение этих поверхностей раздела в зависимости от состава, условий обработки и цикличности. Следует подчеркнуть, что недавно разработанные методы ПЭМ in situ, , такие как in situ, нагрев и in situ, электрохимический цикл с желаемым пространственным разрешением, значительно облегчат эти исследования (Gu et al., 2013; Chi et al., 2015; Zeng et al., 2015). Их способность проводить структурный / химический анализ с высоким разрешением в режиме реального времени позволит получить уникальную информацию, которую невозможно получить другим способом. В связи с недавними замечательными разработками в области приборов для микроскопии, таких как быстрые камеры и детекторы, низковольтные ПЭМ и многофункциональные столики для образцов, эти проблемы должны быть преодолены в ближайшем будущем, и ожидается, что электронная микроскопия будет играть все более важную роль в исследование литий-ионных твердых электролитов.

Авторские взносы

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

Заявление о конфликте интересов

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

Финансирование

Эта работа спонсировалась Министерством энергетики США (DOE), Управлением науки, Управлением фундаментальных энергетических наук, Отделом материаловедения и инженерии.Характеристика материалов была проведена в рамках предложения пользователя в Центре науки о нанофазных материалах, который является объектом пользователя Управления науки Министерства энергетики США.

Список литературы

Брюс П. Г., Фрейнбергер С. А., Хардвик Л. Дж. И Тараскон Ж.-М. (2012). Li-O 2 и Li-S батареи с высоким накопителем энергии. Nat. Mater. 11, 19–29. DOI: 10.1038 / nmat3191

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бушманн, Х., Долле, Дж., Берендтс, С., Кун, А., Боттке, П., Вилкенинг, М., и др. (2011). Структура и динамика быстрого литий-ионного проводника «Li 7 La 3 Zr 2 O 12 ». Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 19378–19392. DOI: 10.1039 / c1cp22108f

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chi, M. F., Mizoguchi, T., Martin, L. W., Bradley, J. P., Ikeno, H., Ramesh, R., et al. (2011). Атомная и электронная структура интерфейса SrVO 3 -LaAlO 3 . J. Appl. Phys. 110, 046104. doi: 10.1063 / 1.3601870

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чи, М. Ф., Ван, К., Лей, Ю. К., Ван, Г. Ф., Ли, Д. Г., Мор, К. Л. и др. (2015). Поверхностная огранка и поведение элементарной диффузии на атомном уровне для наночастиц сплава во время отжига in situ и . Nat. Commun. 6, 8925. DOI: 10.1038 / ncomms9925

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Куссен, Э.Дж. (2010). Структура и ионная проводимость литиевых гранатов. J. Mater. Chem. 20, 5167–5173. DOI: 10.1039 / b925553b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, X., Фишер, К.А.Дж., Кимура, Т., Икухара, Ю.Х., Кувабара, А., Мориваке, Х., и др. (2014). Структуры доменных границ в титанатах лития лантана. J. Mater. Chem. А 2, 843–852. DOI: 10.1039 / C3TA13726K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, X., Фишер, К.А.Дж., Кимура, Т., Икухара, Ю.Х., Мориваке, Х., Кувабара, А. и др. (2013). Распределение атома лития и вакансии в позиции A в титанате лития лантана. Chem. Mater. 25, 1607–1614. DOI: 10,1021 / см3041357

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Геллерт, М., Грис, К. И., Яда, К., Роскиано, Ф., Волц, К., и Ролинг, Б. (2012). Границы зерен в литий-алюминиевой титан-фосфатной стеклокерамике с быстрой ионно-литиевой проводимостью: микроструктура и свойства нелинейного переноса ионов. J. Phys. Chem. С 116, 22675–22678. DOI: 10.1021 / JP305309R

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гу, М., Родитель, Л. Р., Мехди, Б. Л., Юноцич, Р. Р., МакДауэлл, М. Т., Саччи, Р. Л. и др. (2013). Демонстрация электрохимической жидкой ячейки для наблюдения с помощью просвечивающей электронной микроскопии литиирования / делитирования анодов батарей с Si-нанопроволокой. Nano Lett. 13, 6106–6112. DOI: 10.1021 / nl403402q

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, К.Х., Ирияма, Ю., Ямамото, К., Кумазаки, С., Асака, Т., Танабе, К. и др. (2011). Характеристика границы раздела между LiCoO 2 и Li 7 La 3 Zr 2 O 12 в полностью твердотельной перезаряжаемой литиевой батарее. J. Источники энергии 196, 764–767. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.07.073

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Китаура, Х., Хаяси, А., Таданага, К., и Тацумисаго, М. (2010). Полностью твердотельные литиевые вторичные батареи с использованием электрода LiMn 2 O 4 и твердого электролита Li 2 S-P 2 S 5 . J. Electrochem. Soc. 157, A407 – A411. DOI: 10.1149 / 1.3298441

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кумазаки, С., Ирияма, Ю., Ким, К.-Х., Муруган, Р., Танабе, К., Ямамото, К., и др. (2011). Высокая проводимость по ионам лития Li 7 La 3 Zr 2 O 12 за счет включения как Al, так и Si. Электрохим. Commun. 13, 509–512. DOI: 10.1016 / j.elecom.2011.02.035

CrossRef Полный текст | Google Scholar

млн лет назад, C., Chen, K., Liang, C.D., Nan, C.W., Ishikawa, R., More, K., et al. (2014). Атомно-масштабное происхождение большого сопротивления границ зерен в перовскитных литий-ионных твердых электролитах. Energy Environ. Sci. 7, 1638–1642. DOI: 10.1039 / c4ee00382a

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ma, C., Cheng, Y., Chen, K., Li, J., Sumpter, B., Nan, C.-W., et al. (2016). Мезоскопический каркас обеспечивает легкий перенос ионов в твердых электролитах для литиевых батарей. Adv. Energy Mater. DOI: 10.1002 / aenm.201600053

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, К., Рангасами, Э., Лян, К. Д., Сакамото, Дж., Мор, К. Л., и Чи, М. Ф. (2015). Превосходная стабильность литий-ионного твердого электролита при обратимом обмене Li + / H + в водных растворах. Angew. Chem. Int. Эд. 54, 129–133. DOI: 10.1002 / anie.201410930

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мюллер, Д.A., Kourkoutis, L.F., Murfitt, M., Song, J.H., Hwang, H.Y., Silcox, J., et al. (2008). Химическое изображение состава и связи в атомном масштабе с помощью микроскопии с коррекцией аберраций. Наука 319, 1073–1076. DOI: 10.1126 / science.1148820

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Муруган, Р., Тангадурай, В., и Веппнер, В. (2007). Быстрая литий-ионная проводимость в гранатах типа Li 7 La 3 Zr 2 O 12 . Angew. Chem. Int. Эд. 46, 7778–7781. DOI: 10.1002 / anie.200701144

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пенникук, С. Дж. (1992). Z-контрастная просвечивающая электронная микроскопия - прямая атомная визуализация материалов. Ann. Rev. Mater. Sci. 22, 171–195. DOI: 10.1146 / annurev.ms.22.080192.001131

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цянь Д., Ма, К., Мор, К. Л., Мэн, Ю. С. и Чи, М. (2015). Расширенная аналитическая электронная микроскопия для литий-ионных аккумуляторов. NPG Asia Mater. 7, е193. DOI: 10.1038 / am.2015.50

CrossRef Полный текст | Google Scholar

.Производительность цикла портативных батарей

- Battery University

Узнайте, как работают NiCd, NiMH и Li-ion при испытании.

Для сравнения старых и новых аккумуляторных систем компания Cadex провела испытания большого количества никель-кадмиевых, никель-металлогидридных и литий-ионных аккумуляторов, используемых в портативных устройствах связи. Подготовка включала начальную зарядку с последующим режимом полных циклов разряд / заряд со скоростью 1С. В следующих таблицах показана емкость в процентах, измерение сопротивления постоянному току и саморазряд, получаемые время от времени путем считывания потерь емкости в течение 48-часового периода отдыха.Тесты проводились на анализаторах аккумуляторов Cadex 7000 Series с зарядкой и разрядкой 1С и 100-процентной глубиной разряда (DoD).


Никель-кадмиевый

Что касается жизненного цикла, NiCd - самый долговечный аккумулятор. На рисунке 1 показаны емкость, внутреннее сопротивление и саморазряд батареи 7,2 В, 900 мА со стандартным никель-кадмиевым элементом. Внутреннее сопротивление оставалось низким - 75 мОм, а саморазряд - стабильным. Из-за нехватки времени испытание было прекращено после 2300 циклов.

Этой батарее присвоена оценка «А» за почти идеальную работу с точки зрения минимальной потери емкости при езде на велосипеде со 100-процентной степенью защиты от разряда и непревзойденным внутренним сопротивлением на протяжении всего теста. NiCd - единственный химический состав, который можно сверхбыстро заряжать при небольшом стрессе. Из-за своей безопасной эксплуатации никель-кадмиевые аккумуляторы по-прежнему являются предпочтительным аккумулятором на борту самолета.

Рисунок 1: Характеристики стандартного NiCd (7,2 В, 900 мАч)
Этой батарее присвоен рейтинг «А» за стабильную емкость, низкое внутреннее сопротивление и умеренный саморазряд в течение многих циклов.
Предоставлено Cadex

Никель-кадмиевый сверхмощный никель-кадмиевый двигатель обеспечивает до 60 процентов более высокой удельной энергии по сравнению со стандартной версией, однако это происходит за счет сокращения срока службы. На рисунке 2 мы наблюдаем устойчивое падение емкости в течение 2000 циклов, небольшое увеличение внутреннего сопротивления и рост саморазряда после 1000 циклов.

Рисунок 2: Характеристики NiCd сверхвысокой емкости (6 В, 700 мАч)
Эта батарея обеспечивает более высокую удельную энергию, чем стандартная версия, за счет сокращения срока службы.
Предоставлено Cadex

Никель-металлогидридный

На рисунке 3 показан NiMH аккумулятор, который предлагает высокую удельную энергию, но теряет емкость после отметки в 300 циклов. Также наблюдается быстрое увеличение внутреннего сопротивления после 700 циклов и рост саморазряда после 1000 циклов. Тест проводился на NiMH старшем поколении.

Рисунок 3: Характеристики NiMH (6 В, 950 мАч).

.

Смотрите также