Перемешивается ли электролит в аккумуляторе при движении автомобиля? / Хабр
Привет, Хабр! Серная кислота почти вдвое тяжелее воды, и её водные растворы, в том числе аккумуляторный электролит, склонны к расслоению: тяжёлая кислота вытесняет лёгкую воду вверх и опускается вниз. Как это влияет на работу аккумуляторной батареи, и насколько эффективно перемешивает электролит тряска при движении транспортного средства? Проведём эксперимент с видео и показаниями приборов.
▍Перед началом опыта, вспомним известные факты о расслоении электролита:
❒ Основная токообразующая реакция в свинцовом аккумуляторе, — двойная сульфатация по Гладстону-Трайбу, — требует для заряда воды, которая расходуется из электролита с выделением кислоты, а при разряде наоборот, расходуется кислота и выделяется вода.
❒ Обязательными условиями заряда участка активной массы являются наличие в этом участке воды, а также электрический потенциал не ниже необходимого для преодоления термодинамической электродвижущей силы — ЭДС — на этом участке.
❒ Следовательно, повышенная концентрация электролита в нижней части банок и глубине намазок пластин АКБ — аккумуляторной батареи — ведёт к тому, что для преодоления термодинамической ЭДС требуется более высокое напряжение на клеммах. При недостаточном напряжении заряд участка активной массы (АМ) с повышенной концентрацией кислоты не произойдёт никогда. Также препятствует заряду и недостаток воды в данном участке АМ.
❒ И заряд, и разряд активных масс ведут к расслоению электролита, так как выделяющаяся при заряде кислота стремится вниз, а образующаяся при разряде вода — вверх. Таким образом, если не предпринять специальных мер, при любой глубине циклирования или просто саморазряде АКБ расслоение электролита прогрессирует.
❒ Современные типы АКБ характеризуются плотными сепараторами, препятствующими оплыванию активных масс и короткому замыканию. Они повышают надёжность, виброустойчивость и срок службы АКБ, но и препятствуют перемешиванию электролита, усугубляя тенденцию к расслоению.
❒ Чем более прогрессирует расслоение электролита, тем большая доля активных масс при штатном зарядном напряжении не заряжается, то есть, остаётся в виде сульфата свинца, склонного переходить в труднорастворимую форму. Это явление называется сульфатацией. Не следует путать с двойной сульфатацией п. 1 — нормальной токообразующей реакцией. Сульфаты имеют меньшую плотность, чем заряженные АМ — губчатый свинец отрицательных пластин и оксид свинца положительных, потому сульфатированные намазки увеличиваются в объеме, что ведёт к разрушению конструкции аккумулятора и коротким замыканиям. П. 5 этому препятствует, но при отсутствии периодического выравнивающего заряда АКБ с расслоением и сульфатацией теряет ёмкость, токоотдачу и концентрацию кислоты в верхних слоях электролита.
❒ Электролит с низкой концентрацией кислоты замерзает при более высокой («менее минусовой») температуре, потому расслоение электролита ведёт к выходу аккумулятора из строя в зимнее время.
По просторам Всемирной Паутины с давних времён гуляет множество мифов о губительности «кипячения», — заряда с перенапряжением и выделением водорода и кислорода, пузырьки которых перемешивают электролит, для автомобильных АКБ.
Многие руководствуются этими мифами при заряде АКБ и выборе для этого зарядных устройств — ЗУ.
Отчасти поэтому, во многих моделях ЗУ производители ограничивают напряжение на уровне, не допускающем «кипения» электролита, в других моделях предоставляют пользователю выбор максимальных напряжений заряда путём ступенчатого переключения или плавной регулировки, даже если ЗУ представляет собой не просто источник питания со стабилизацией тока и напряжения (СС/CV), а имеет алгоритмы автоматического управления напряжением и током согласно табличным значениям профиля или на основании измерения характеристик АКБ.
Водород, аэрозоль серной кислоты и сероводород, могущие выделяться при заряде аккумулятора, действительно опасны, потому заряжать следует в проветриваемом помещении, адекватно управлять током, напряжением и временем заряда, изучить и соблюдать технику безопасности.
В сегодняшнем эксперименте посмотрим, насколько перемешают электролит пара современных отечественных ЗУ, и насколько это требуется от ЗУ вообще, применительно к стартерной аккумуляторной батарее.
Ведь она монтируется на автомобиле (мотоцикле, снегоходе, катере…), а тот испытывает ускорения и вибрации при движении. Некоторые авторы считают, что поездки перемешают электролит, потому в функции зарядного устройства это не входит. Давайте попробуем, и узнаем.
Подопытным будет аккумулятор АКОМ +EFB 6СТ-60VL. Со времени предыдущего стационарного обслуживания он использовался на автомобиле 4 месяца. График работы владельца автомобиля — сутки через трое, каждая поездка занимала 20 минут. Стартер и сигнализация за трое суток простоя в каждом таком цикле расходовали примерно 3 ампер*часа.
Начнём с измерения параметров текущего состояния. И как всегда, в первую очередь вымоем корпус и зачистим клеммы.
Напряжение разомкнутой цепи — НРЦ, оно же ЭДС без нагрузки, по показаниям трёх приборов 12.48, 12.50, 12.52 В.
Плотность электролита по банкам колеблется от 1.
Итак, наблюдаем расхождение: НРЦ соответствует уровню заряженности выше 80%, плотность электролита при котором должна быть 1.24, а по плотности уровень заряженности получается 75%, НРЦ должно быть 12.4 В. Причиной такого несоответствия как раз является расслоение электролита за 4 месяца эксплуатации под капотом. Повышенная концентрация кислоты в нижней части банок создаёт завышенное НРЦ. АКБ в таком состоянии необходим стационарный заряд.
Напряжение под нагрузочной вилкой не падает ниже 10 вольт, аккумулятор способен крутить стартер. Но если почитать инструкцию от производителя, то там чётко и ясно написано: если плотность ниже 1.25, аккумулятор требуется зарядить до плотности 1.28. Также в инструкции сказано, что можно оценить степень заряда по напряжению, и рекомендуется производить стационарный заряд при НРЦ ниже 12.
Приступаем к заряду зарядным устройством BL1204 на программе 2.
Заряд длился 9 часов. Плотность по банкам составила от 1.23 до 1.24.
По графику напряжения на клеммах, видно, что ЗУ производит основной заряд с подачами и паузами разной продолжительности, а затем три этапа непрерывного дозаряда, после чего последовали тест АКБ и буферный режим 13.65 В. Однако для кальциевой АКБ до 14.8 вольт происходит лишь основной заряд, потому продолжим заряд на программе 4.
Время заряда составило 1 час 16 минут плюс 20 часов в режиме буферного хранения. Плотность поднялась ещё на одну сотую и составила от 1.24 до 1.25. Сделаем ещё один проход на 4-й программе.
Время заряда снова 1 час 16 минут. Плотность поднялась всего на 0.
005. Перезапустим программу 4 в третий раз.
Третий проход длился те же 1 час 16 минут. Плотность снова поднялась на 0.005. Отключаем ЗУ от АКБ. После отстоя продолжительностью 18 часов 20 минут НРЦ 13.20 В. При плотности 1.25 это говорит об очень сильном расслоении электролита. Запустим программу 4 ещё раз.
Заряд длился на этот раз около 50 минут. Плотность электролита не поднялась. Попробуем воспользоваться другим ЗУ.
Возьмём Бережок-V, установим 15.9 В — то же максимальное напряжение, что у BL1204.
Ток изменяется от -0.2 до 4.5 ампер. Отрицательное значение тока — не ошибка токовых клещей, а разрядные импульсы в асимметричном (реверсивном) заряде.
Заряд длился 4 часа, за которые ЗУ сделало две длительные паузы, и затем перешло в режим хранения — не поддержание буферного напряжения, как BL1204, а периодический подзаряд.
В пиках напряжение достигает тех же 15.9.
Плотность в 5 банках составила 1.26 или чуть выше, и в одной 1.255. Оставим АКБ на ночь дозаряжаться в режиме хранения.
По прошествии 15 часов, импульсы тока доходят до 5 А, снижаясь менее чем за секунду до 1 А.
Для отбора проб электролита из глубины банок воспользуемся удлинённой пипеткой, гибкий наконечник которой может пройти сбоку от пластин. Короткой пипеткой произведём отбор, как обычно, из верхнего слоя.
Устранят ли поездки такое расслоение? Для непосредственной проверки установим АКБ под капот, для чего пришлось удлинить провод массы.
Для лучшего перемешивания прибавим напряжение бортовой сети с 14.3 до 14.8 В, так как это позволяет сделать трёхуровневый регулятор напряжения.
Приборная панель Gamma GF-618 позволяет регистрировать данные поездок, что тоже очень пригодится в нашем эксперименте.
Израсходовано 12.8 литров бензина.
После таких поездок плотность на глубине составила 1.29.
Плотность сверху 1.27. Предписываемого инструкцией значения 1.28 так и не достигли. Расслоение до сих пор присутствует. Покатаемся ещё трое суток, на этот раз, не только по городу, но и по трассе.
Итого за 6 суток автомобиль двигался восемь с половиной часов.
Общий пробег за это время 377.8 км.
Бензина затрачено 28.8 литра.
Плотность электролита наверху и внизу, наконец, уравнялась, и составила чуть ниже 1.27.
Итак, чтобы устранить расслоение в Ca/Ca EFB аккумуляторе после нескольких перезапусков стационарного заряда до 15.9 вольт, понадобилось почти 378 километров пробега и 29 литров бензина при напряжении бортсети 14.8 В. Сделаем выводы:
Q: Перемешивается ли электролит в современном кальциевом аккумуляторе с высокой плотностью сепараторов и упаковки пластин при движении транспортного средства?
— Да, действительно перемешивается.
Q: Насколько такое перемешивание эффективно?
— Мягко говоря, не очень.При более низком напряжении бортовой сети и более коротких поездках расслоение электролита продолжило бы прогрессировать
Q: Остались ли после всех стараний в испытуемом аккумуляторе недозаряд и сульфатация?
— Да, остались.
Чтобы считать данную АКБ заряженной, мы должны получить плотность верхних слоёв не менее 1.28.
Q: Проявляют ли EFB аккумуляторы, вместе со склонностью к расслоению электролита, заявленную стойкость к длительному недозаряду (PSoC, partial state of charge, состояние частичной заряженности) и циклированию с глубокими разрядами?
— Да, как показывают другие наши исследования, которые продолжаются, уже выложено несколько видео, и готовятся следующие видео и статьи.
Q: Тем не менее, будут ли ёмкость, токоотдача и устойчивость к замерзанию электролита деградировать если не предпринимать периодических регламентных процедур по полному стационарному заряду?
— Будут, у любого свинцово-кислотного аккумулятора, потому что препятствует замерзанию концентрация кислоты в растворе, полезная ёмкость обеспечивается количеством заряженных (десульфатированных) активных масс, а способность отдавать ток полезной нагрузке и оперативно восполнять затраченную энергию от генератора автомобиля или иного зарядного устройства — действующей площадью активных масс.
На ёмкость и токоотдачу влияет доступность воды для заряда и кислоты для разряда, т.е. расслоение электролита напрямую вредит этим ключевым для химического источника тока параметрам.
Теперь давайте всё-таки продолжим заряд данной аккумуляторной батареи. На этот раз начнёт Бережок-V, при том же напряжении окончания заряда 15.9 В.
Заряд продолжался около 4 часов, плюс 4 часа в хранении.
Плотность поднялась с чуть ниже 1.27 до 1.275. Передаём эстафетную палочку BL1204.
Заряд длился около часа, и далее 14 часов в режиме хранения.
Плотность осталась 1.275.
Установим на Бережке-V ограничение напряжения 16.7 вольт и запустим заряд.
По прошествии 4 часов ЗУ автоматически перешло в режим хранения. Плотность и над пластинами, и на глубине чуть выше 1.
28. Электролит перемешан, расслоение устранено.
Адекватный стационарный заряд не только перемешивает электролит эффективнее, чем ускорения и вибрации при движении транспортного средства, но и позволяет более полно зарядить аккумуляторную батарею, устранить сульфатацию, поднять эксплуатационные характеристики.
Спустя сутки, имеем следующие показания тестера:
Здоровье 100%, внутреннее сопротивление 4.81 мОм, ток холодной прокрутки 574 из 560 А по стандарту EN. НРЦ 12.80 В соответствует плотности 1.28. Расслоения нет, АКБ в полном порядке, можно ставить под капот.
Статья составлена в сотрудничестве с аккумуляторщиком Виктором VECTOR, осуществившим описанные опыты.
Аккумуляторы зимой — это важно знать. | 74.ru
Все новостиЧелябинцев предупредили о сбоях в работе подразделения ГИБДД
С 2023 года маткапитал можно полностью потратить на ежемесячные выплаты.
Кто их может получить?
Оборонщикам напомнили об уголовном наказании за срыв госзаказа: новости СВО за 10 января
45 подгузников и 24 бутылочки в день: как живет семья с новорожденными четверняшками — смотрим милые фото
Котовы кучи? Челябинск утонул в снежных завалах, а горожанам предлагают еще подождать
Шойгу поручил создать цифровую базу данных призывников в 2023 году
«Опознали по семейной татуировке»: родные погибшего в Макеевке бойца рассказали, как простились с солдатом
Выросло число заболевших гепатитом А после обедов в кафе в центре Челябинска
Фигурист Роман Костомаров оказался в реанимации с пневмонией. Его отправили в Коммунарку
Пациентку челябинской больницы возмутило лечение просроченным лекарством
«Вы никуда не ходите, не жалуйтесь»: мама мобилизованного вынуждена жить в саду, чтобы не замерзнуть в городской квартире
Инфаркт или невралгия: что делать, если колет сердце и как распознать опасный симптом
«Пока я остаюсь в больнице»: Никита Михалков рассказал о своем состоянии здоровья
Бывшего начальника отдела МВД в Челябинской области осудили за присвоение премий подчиненных
«Как бы не скатиться в 37-й год».
Музыкальный критик и журналист — о нападках на Пугачеву и популярности певца SHAMAN
Перевозчик ответил на претензии пассажиров, высаженных в мороз из автобуса Челябинск — Екатеринбург
Почему разбился один из самых безопасных самолетов? Эксперт — об авиакатастрофе с двумя погибшими
Четыре образовательных учреждения из Челябинска и одно из Магнитогорска попали в топ-200 школ России
А голову вы дома не забыли? 10 вопросов из школьной программы, с которыми взрослым не справиться
«Бедный мой муж — натерпелся»: медсестра рассказала, как похудела на 40 килограммов
У ученика копейской школы выявили гепатит А
Основатель «Красное&Белое» Сергей Студенников получил гражданство Черногории
«На улице мороз, пришлось вызвать такси»: пассажиров автобуса Челябинск — Екатеринбург высадили на трассе
В центре Челябинска 25-летняя девушка пострадала при столкновении Hyundai Solaris с Haval
Никита Михалков в реанимации: что известно о его состоянии на данный момент
В Челябинске отменили пять автобусов междугородних направлений
«Из всех вариантов реалистичны только плохой и очень плохой»: экономисты — о курсе доллара, ценах на продукты и жилье
Почему так холодно? Метеорологи рассказали, когда из России уйдут морозы и чего ждать до конца зимы
Будет ли вторая волна мобилизации в России? Собрали всё, что об этом говорят власти
А вы еще не получали? 4 популярные выплаты на детей, которые остаются в 2023 году
Уроки и автобусы отменили, а катки закрыли: как Челябинск пережил аномальные морозы
«Свиней» за рулем оштрафуют на 30 тысяч.
Камеры видеофиксации займутся отловом мусорщиков-нелегалов
Банк вернул инвалиду из Челябинской области деньги, списанные по кредиту 16-летней давности
В школах Челябинска отменили уроки из-за мороза
Кремль — о второй волне мобилизации и слухах о ней: новости СВО за 9 января
«Сюда детей привозят лечить, а не наоборот»: мама ребенка с пневмонией пожаловалась на холод в больнице
Канализационная катастрофа в Бакале вылилась в уголовное дело
«Во время курса химиотерапии вышла работать в реанимацию». История 37-летнего врача, которая лечится от рака
В Челябинске продадут с молотка комплекс «Галактика развлечений»
Все новости
Поделиться
Грядет зима, а значит нам, продавцам аккумуляторных батарей, опять придется сталкиваться c замороженными и разряженными батареями, с оплавленными клеммами и треснутыми корпусами. Все это происходит по причине несоблюдения элементарных правил эксплуатации аккумуляторов.
Как правило, в зимний сезон повышается количество потребителей энергии (предпусковой подогрев салона, подогрев зеркал и заднего стекла, фары и прочее), питающихся от аккумулятора.
Кроме этого зимой значительно замедляется движение автомобиля из-за постоянных пробок и заснеженных дорог, что приводит к периодической недозарядке аккумулятора. Все эти факторы могут вывести из строя даже самую хорошую батарею. И часто бывает сложно доказать человеку, что аккумулятор замерз не из-за того, что вместо электролита на заводе залили воду, а всего лишь потому, что его оставили на ночь разряженным в ноль. Поэтому в преддверии холодов мы решили опубликовать вопросы, которые нам часто задают покупатели, и развеять некоторые мифы, связанные с зимней эксплуатацией аккумуляторов. Итак, начнем.
Поделиться
Если при запуске двигателя в зимнее время аккумулятор разрядился в ноль, какие действия нужно предпринять?
Глубокий разряд вреден для любой батареи. Если это произошло, необходимо зарядить аккумулятор от стационарного зарядного устройства, но не позднее чем через два-три дня после глубокого разряда батареи.
Поделиться
Можно ли «прикуривать» другой автомобиль?
Можно, соблюдая определенные требования.
Двигатель автомобиля, от которого осуществляют «прикуривание», должен быть обязательно выключен.
Поделиться
Почему замерзает электролит?
При разряде аккумулятора снижается плотность электролита, то есть уменьшается удельное количество серной кислоты, содержащейся в растворе электролита, и образуется вода. Чем глубже разряд батареи, тем выше отрицательная температура, при которой может замерзнуть электролит. Например, при плотности 1,11 г/см3 электролит замерзнет уже при -7 0С, а при плотности 1,27 г/см3 – только при -58 0С.
Поделиться
Если замерз электролит, можно ли восстановить работоспособность аккумулятора?
Все зависит от степени замерзания. Если батарея замерзла не на весь объем и не деформировался корпус, то ее можно восстановить. Лед должен полностью растаять при комнатной температуре, и только потом следует зарядить аккумулятор.
Поделиться
Если в мороз перед запуском двигателя включить на короткое время фары автомобиля, поможет ли это облегчить запуск?
При условии, что батарея нормально заряжена, включение фар на 30-40 секунд способствует катодной поляризации, которая позволяет получить более мощный импульс при запуске двигателя.
Другими словами, при заряженном аккумуляторе включение фар в морозы действительно способствует запуску двигателя.
Но если батарея разряжена более чем на 20-25%, то подобная процедура особого смысла не имеет.
Поделиться
Почему в зимнее время рекомендуют аккумуляторы с более высокими пусковыми токами?
Холодный пуск имеет следующие особенности:
Стартеру требуется больше времени, чтобы прокрутить двигатель, так как сопротивление холодного двигателя в зимнее время увеличивается в 2,5 – 3 раза. Следовательно, от аккумулятора требуется отдача большей мощности и энергии. Если у вашего автомобиля механическая коробка передач, то рекомендуем выжимать сцепление для разъединения ДВС и КПП.
Чем ниже температура окружающего воздуха, тем выше вязкость электролита и внутреннее сопротивление батареи.
Поэтому для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо выбирать тот аккумулятор, который при одних и тех же габаритных размерах имеет максимально высокие токи холодной прокрутки.
Поделиться
Если я купил современную мощную батарею могу ли я быть уверен в гарантированном запуске ДВС при любой температуре?
Если аккумулятор полностью заряжен, то вы можете быть уверены в том, что он готов отдать ток, указанный на этикетке в соответствии со стандартом. Но уверенный старт зависит не только от аккумулятора. Напомним вам, что на запуск двигателя влияет: исправность стартера, качество соединения (контактов) силовой проводки, качество применяемых масел и бензина и т.д. В любом случае, перед зимней эксплуатацией своего автомобиля мы рекомендуем:
1. Заменить масло по сезону.
2. Проверить у специалиста все регулировки двигателя, системы зажигания, питания и т.п.
3. Проверить степень заряженности аккумулятора, работу генератора при включенных электроприборах и т.д.
Т.е. провести сезонное техобслуживание автомобиля.
А теперь пару слов об аккумуляторе Forse, который появился на рынке сравнительно недавно, но уже достаточно хорошо зарекомендовал себя как надежный и мощный аккумулятор.
Поделиться
Итак, Forse советуем выбирать владельцам новых автомобилей. Эти аккумуляторы созданы для автомобилей, комплектация которых подразумевает увеличенное потребление электроэнергии (предпусковой подогрев салона, дополнительное световое оборудование, акустика и т. д.). Forse произведены по «кальциевой» технологии, обладают повышенными стартерными характеристиками за счет дополнительных пластин и предельно низким саморазрядом. Выкипание электролита сведено к минимуму. Forse обладают рядом технических преимуществ, продлевающих срок службы аккумулятора
Полный модельный ряд аккумуляторов Forse представлен в сети аккумуляторных магазинов «ЦЕФЕЙ».
Розничная сеть компании «ЦЕФЕЙ»
Автоцентры:
г. Челябинск, пр. Победы, 120 т/ф: (351) 774-60-99
г. Копейск, пр. Славы, 13 т/ф: (35139) 7-73-19
Аккумуляторные магазины:
г. Челябинск, ул. Тимирязева, 21 т/ф: (351) 263-72-71
г. Челябинск, Троицкий тракт, 23 т/ф: (351) 268-99-68, 268-99-69
Центр оптовой торговли аккумуляторами:
г.
Челябинск, Троицкий тракт, 23А т/ф: (351) 268-99-70, 268-99-68(69)
[email protected], [email protected]
www.cephey.ru
- aккумуляторы для любой техники. Свыше 350 наименований;
- гарантия на все аккумуляторы до трех лет, гарантийное обслуживание;
- шины, диски, масла в автоцентрах;
- услуги в Автоцентре по пр.Победы,120: гарантийно-сервисное обслуживание аккумуляторов, шиномонтажные работы, ремонт колес, замена масла и пр.;
- услуги в Автоцентре г.Копейск пр.Славы,13: шиномонтажные работы, ремонт колес.
Во всех магазинах розничной сети:
- примем дорого старый, установим бесплатно новый аккумулятор;
- квалифицированные консультации и подбор аккумулятора для Вашей машины;
- любая форма оплаты: нал, безнал, пластиковые карты – Visa, MasterCard, Maestro, Diners Club;
- кредит за 15 минут в автоцентрах г.Челябинск пр.Победы,120, г. Копейск пр.Славы,13;
- скидки постоянным клиентам на товары 5 – 7%, на услуги 10 — 12%.
Иван СЕРГЕЕВ
- ЛАЙК0
- СМЕХ0
- УДИВЛЕНИЕ0
- ГНЕВ0
- ПЕЧАЛЬ0
Увидели опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter
КОММЕНТАРИИ1
Читать все комментарии
Что я смогу, если авторизуюсь?
Новости СМИ2
Новости СМИ2
Технологии аккумуляторовEV: от современного искусства к накопителям энергии будущего
Литий-ионные аккумуляторы значительно увеличили возможности электромобилей благодаря высокой плотности накопления энергии и эффективности. В настоящее время они могут достигать удельной энергии и плотности мощности 260 Втч/кг и 340 Вт/кг соответственно при сроке службы более 1000 циклов. В последние годы большинство разработок литий-ионных аккумуляторов были сосредоточены на химии катода, а технологии аккумуляторов названы в соответствии с их катодом. Доминирующие технологии включают в себя:
- NMC, в котором используется катод из лития, никеля, марганца и оксида кобальта.
- LMO, в котором используется катод из оксида лития-марганца.
- LFP, в котором используется литий-железо-фосфатный катод.
Химический состав катода в настоящее время близок к своему теоретическому пределу, и ожидается дальнейшее развитие других компонентов литий-ионных аккумуляторов, а также совершенно нового химического состава аккумуляторов. Литий-ионные батареи в настоящее время ориентированы на анодные материалы и переходят от жидкого электролита к твердотельной батарее.
Современные литий-ионные батареи используют графитовые аноды, которые имеют ограниченный потенциал накопления энергии. Был проявлен интерес к использованию литиевых или кремниевых анодов, которые обладают значительной способностью накапливать энергию и могут увеличить удельную энергию элемента на 20-40%. Проблемы включают расширение, ведущее к растрескиванию, поскольку кремниевые аноды поглощают электроны, и плохую стабильность в сочетании с высокой стоимостью литиевых анодов. Алюминий также использовался в качестве анодного материала с ограниченным успехом.
Кремниевые аноды становятся следующим шагом для коммерческих аккумуляторов для электромобилей, и ожидается, что они будут запущены в серийное производство в ближайшие несколько лет. Усовершенствования графена и нанопроволоки как в аноде, так и в катоде могут увеличить плотность мощности за счет увеличения площади поверхности электродов, контактирующих с электролитом, что обеспечивает более быструю передачу заряда.
Электролитом при производстве литий-ионных аккумуляторов является раствор литиевой соли. Используемый растворитель обычно не является водным, а представляет собой смесь органических растворителей, таких как этиленкарбонат и диметилкарбонат. Решение — это не лужа жидкости, как кислота в свинцово-кислотном аккумуляторе. Вместо этого раствор электролита представляет собой тонкую пленку, нанесенную на разделительный лист между металлической фольгой анода и катода. При высоких скоростях заряда и разряда растворитель может испаряться, что приводит к выделению газа из батареи, что сокращает срок ее службы, а также потенциально может привести к тепловому разгону и, в конечном итоге, к воспламеняющемуся взрыву.
Разработки твердотельных аккумуляторов направлены на замену раствора электролита электролитом на полимерной или керамической основе. Это устранит проблемы испарения растворителя, увеличит срок службы и безопасность, обеспечит более быструю зарядку и удельную мощность, а также позволит использовать более энергоемкие химические вещества. Твердотельные батареи теперь переходят из лаборатории в промышленную разработку. Ожидается, что они будут внедрены в высокотехнологичные приложения, такие как суперкары, в течение следующих пяти лет и массовые модели примерно через десять лет.
Что касается твердотельных батарей, также важно отметить, что, хотя коммерческие элементы для электромобилей достигают 260 Втч/кг, удельная энергия на уровне упаковки составляет всего около 150 Втч/кг из-за конструкции и системы охлаждения батареи, что увеличивает вес без сохранения дополнительной энергии. Поскольку твердотельная батарея может работать при более высоких температурах, можно уменьшить паразитный вес системы охлаждения.
Таким образом, они могли бы достичь гораздо более высокой удельной энергии на уровне пакета.
Помимо постепенных улучшений литий-ионных аккумуляторов, также разрабатываются совершенно новые химические составы аккумуляторов. Новые технологии включают натрий-ион, литий-сера и алюминий-ион. Литий-воздух обладает наибольшей потенциальной плотностью энергии, но при реализации этой технологии остается много фундаментальных проблем. В то время как рассмотренные выше разработки вместе могут приблизить литий-ионные батареи к их теоретическому пределу в 400 Втч/кг и достичь скорости заряда 6C, альтернативные химические вещества предлагают еще больший потенциал. Ион натрия может реально достигать 760 Втч/кг, в то время как теоретически литий-сера может достигать 2500 Втч/кг [1, 2], а литий-воздух до 13000 Втч/кг. При таком уровне производительности дальнемагистральный самолет с электрическим аккумулятором станет возможным. Уже произведены опытные образцы алюминий-ионных/графеновых аккумуляторов, которые предлагают относительно скромную удельную энергию в 200 Втч/кг, но с чрезвычайно высокими скоростями заряда, подобными конденсаторам, и сроком службы 360°C и 250 000 циклов.
Это может обеспечить полную зарядку всего за десять секунд и практически неограниченный срок службы батареи. С такой производительностью в сочетании с частыми точками беспроводной зарядки могут стать желательными сверхлегкие автомобили с батареями гораздо меньшего размера.
Маловероятно, что серийные батареи, использующие эти новые химические вещества, в обозримом будущем приблизится к теоретическим показателям производительности. Однако литий-серные батареи уже могут давать более высокую удельную энергию, чем литий-ионные, хотя и с относительно коротким сроком службы. Натрий-ион в настоящее время несколько дорог и имеет низкую производительность, но использует большое количество материалов и может конкурировать с литий-ионом в некоторых приложениях в течение следующих нескольких лет. В течение следующих нескольких десятилетий альтернативные химические вещества, скорее всего, вытеснят литий-ион во многих других областях применения.
Ссылки
- Zhu, K. et al., Насколько далеки литий-серные батареи от коммерциализации? Frontiers in Energy Research, 2019. 7 (123).
- Cao, W., J. Zhang, and H. Li, Аккумуляторы с высокой теоретической плотностью энергии. Материалы для хранения энергии, 2020. 26 : с. 46-55.
et al., Насколько далеки литий-серные батареи от коммерциализации? Frontiers in Energy Research, 2019. 7 (123).
материалы, плотность энергии и цена
- 28 апреля 2021 г.
- 3 минуты чтения
- Бриди Шмидт
Электромобили могут значительно сократить выбросы углекислого газа, связанные с транспортом, а внедрение литий-ионных аккумуляторов способствовало их внедрению — как в прямом, так и в переносном смысле.
Ключом к массовому внедрению является снижение цены, а это, в свою очередь, означает необходимость улучшения материалов и плотности энергии. Но это был долгий путь.
Ранние попытки в 1970-е годы Exxon по использованию металлического лития в анодах были выброшены в окно, потому что дендриты, которые будут расти каждый раз, когда аккумулятор заряжается и разряжается, продолжают вызывать пожары.
Сэр Джон Гуденаф выяснил, что при использовании катодов из кобальта батареи становятся более безопасными (меньше дендритов) и в них можно хранить больше энергии. Марокканский ученый Рашид Язами обнаружил, что использование графита в анодных батареях также продлит срок службы.
Эти открытия позволили Sony коммерциализировать литий-ионную батарею в 1990-х годов, но кобальт, ключевой материал, необходимый для обеспечения большого количества циклов заряда и разряда, был дорог — хорошо для небольших перезаряжаемых устройств, но слишком дорог для крупных приложений, таких как электромобили.
Столкнувшись с высокими производственными затратами (в 2010 году производство аккумуляторов все еще превышало 1000 долларов США за киловатт-час), производители автомобилей начали использовать литий-ионные аккумуляторы менее десяти лет назад, поскольку исследователи обнаружили, что они могут заменить кобальт другими элементами. более дешевые материалы.
Цены на батареи для некоторых электрических автобусов в Китае были зафиксированы на уровне менее 100 долларов США за кВтч, но они еще не упали до этого «волшебного числа», необходимого для паритета цен на легковые автомобили.
Теперь это ожидается примерно в 2023 году.
Окончательный массовый успех электромобилей будет зависеть от постоянного совершенствования литий-ионных аккумуляторов, поскольку исследователи и производители работают над снижением цены.
Это связано с увеличением плотности энергии батарей, поэтому требуется меньше материалов для достижения той же дальности действия или для упаковки того же количества батарей и увеличения дальности действия.
Также целью является сокращение количества дорогостоящих материалов в батареях независимо от изменения плотности энергии.
Новая серия инфографики от Bloomberg Green рассказывает об изменениях в аккумуляторных батареях за последнее десятилетие.
Аккумуляторы NMC
Аккумулятор NMC 2012 использовался в ранних электрических моделях, таких как Renault Zoe. Кобальт был заменен марганцем и никелем, что позволило достичь плотности энергии 490 Втч/литр по данным Bloomberg Green.
Источник: Bloomberg Green.
К 2019 году химический состав NMC был скорректирован таким образом, чтобы аноды и катоды стали толще и использовали меньше кобальта и больше никеля. Эта химия использовалась в Nio ES6 и имеет плотность энергии 737 Втч/литр.
Батарейки NCA
Примерно в то же время, когда появился NMC 2012, Tesla и Panasonic начали использовать алюминий вместо марганца. Батарея NCA была произведена и, согласно Bloomberg Green, окупилась, поскольку она была дешевле марганцевой и имела плотность энергии 688 Втч / литр.
Источник: Bloomberg Green. К 2019 году Тесла понял, что добавление небольшого количества оксида кремния означает, что требуется меньше графита. Преимущество этого открытия заключалось в том, что батареи стали легче, а значит, увеличился и радиус действия. Это химия, которая позволила Model 3 стать самой доступной электрической моделью Tesla… до появления литий-железо-фосфатной батареи.
Источник: Bloomberg GreenLFP батареи
В литий-железо-фосфатных (LFP) батареях полностью отсутствует кобальт.
Впервые он был представлен в 2010 году, и, хотя его плотность энергии сравнительно ниже, чем у всех других вариантов (299 Втч/литр), поскольку в нем используется дешевое железо, он стал доступным вариантом для крупных приложений, таких как автобусы.
Спустя десятилетие химия LFP улучшилась до такой степени, благодаря более толстым электродам, что теперь она используется в произведенной в Шанхае модели 3. Эта батарея LFP имеет плотность энергии 359.Вт/л.
Источник: Bloomberg GreenЧто дальше?
Современные батареи по-прежнему подвержены образованию дендритов, хотя и меньше, чем три десятилетия назад. Твердотельные батареи обещают гораздо более высокую плотность энергии, а также гораздо более безопасную форму перезаряжаемой батареи. Согласно теории, при замене жидких электролитов твердыми электролитами образование дендритов будет подавлено.
Многие компании говорят, что они работают над созданием «твердотельной батареи», например, китайская CATL, японская Toyota и южнокорейская компания SK Innovation, которая работает с Goodenough.