какая должна быть зимой и летом, как проверить, как поднять

Плотность электролита в аккумуляторе — важный параметр автомобильных сернокислотных АКБ. От него зависит уровень заряда. В нашей статье подробно рассмотрим какая плотность должна быть зимой и летом, как проверить плотность аккумулятора, а также как поднять плотность электролита.

Содержание:

1. Какая плотность должна быть в аккумуляторе
2. Плотность электролита в аккумуляторе зимой
3. Плотность электролита в аккумуляторе летом
4. Как проверить плотность аккумулятора
5. Как поднять плотность в аккумуляторе

Уровень плотности позволяет оценить степень разрядки аккумулятора и его техническое состояние. Если АКБ быстро разряжается, то нужно проверить состояние электролита, протестировав его в каждой из банок.

Какая плотность должна быть в аккумуляторе

Для проверки используется специальный прибор, который называется ареометром. Эталонные показатели получают при температуре воздуха +25°С.

Так как идеальные условия бывают редко, то используется специальная таблица, в которой характеристики плотности скорректированы с учетом погодных условий.

Проверка должна производится регулярно, хотя бы раз в 2 месяца. Естественно, что делается это только на обслуживаемых АКБ.

На таких устройствах имеются специальные выкручивающиеся пробки, сняв, которые можно получить доступ к содержимому каждой банки.

Выкрученная пробка из аккумулятора.

Плотность электролита должна иметь оптимальную плотность, но нужно учитывать также климатическую зону, так как температура окружающего воздуха вносит свои коррективы в показатели.

Так в условиях умеренного климата электролит должен иметь плотность от 1,25 до 1,27 г/куб. см.

Допустимо отклонение от указанного значения не более чем на 0,01 г/куб. см.

В арктической зоне, где зимой обычны морозы порядка -30°C, плотность нужно держать на 0,01 г/куб. см выше, а вот в субтропиках наоборот – на 0,01 г/куб. см ниже.

Оптимальная плотность зимой и летом немного отличаются, что показано на иллюстрации ниже:

Интересной особенностью является то, что при меньшей плотности в аккумуляторе он служит больше, но при этом снижается его емкость.

Также нужно учитывать, что указанные выше значения относятся к заряженной на 100% батарее.

В жизни АКБ имеет зарядку около 80-90%, соответственно, и плотность у электролита будет немного меньшей.

На практике зимой плотность электролита делают чуточку большим, чем нужно для полного заряда. Это делается для того, чтобы при понижениях температуры, которые у нас происходят постоянно, аккумулятор все равно мог стабильно заводить двигатель.

Летом лучше так не делать, так как чем больше плотность, тем больше риск закипания жидкости в батарее.

Внимание! Повышенная плотность электролита ведет к снижению срока эксплуатации АКБ. Однако низкая понижает напряжение и емкость, ухудшает запуск мотора. Лучше всего придерживаться оптимальных рекомендованных значений. Во время морозов плотность можно чуть-чуть повысить, но очень незначительно.

Таблица плотности электролита в аккумуляторе

При составлении таблицы плотности электролита по климатическим зонам руководствуются усредненными среднемесячными температурами в январе.

Для зон с температурами выше -15°C плотность зимой и летом не меняют, используя одну концентрацию кислоты круглый год.

Достаточно следить, чтобы значение не отклонялось от требуемого. А вот в арктических районах плотность требует сезонного изменения, иначе зимой АКБ просто не сможет завести двигатель.

Рекомендуемая плотность электролита в аккумуляторной батарее
Климатические районы	Время года	Плотность электролита, приведенная к 25°C, г/см3
		Заливаемого в аккумулятор	Заряженной батареи	При зарядке батареи на
				25%	50%
С резко континентальным климатом и температурой зимой ниже -40°C	Зима	1. 28	1.30	1.26	1.22
Северные с температурой зимой -40°C	Круглый год	1.26	1.28	1.24	1.20
Центральные с температурой до зимой -30°C		1.25	1.27	1.23	1.19
Южные		1.23	1.25	1.21	1.17

Плотность электролита летом и зимой в разных климатических регионах.

Плотность электролита в аккумуляторе зимой

Зимой плотность должна составлять 1,27 г/куб. см. Если в местности январская температура опускается до – 35 градусов, то плотность повышается до 1,28 г/куб. см.

Иначе зимой емкость снизится и запускать автомобиль станет трудно.

Внимание! При падении значения плотности до отметки 1,09 г/куб. см оборачивается тем, что жидкость в банках АКБ замерзает при опускании столбика термометра до – 7°С. Это приводит к разрывам и деформациям корпуса, разрушению пакетов пластин из-за расширения льда.

Когда зимой происходит понижение плотности, это не значит что нужно поднимать концентрацию раствора в банках. Необходимо подзарядить батарею зарядным устройством.

Большинство личных автомобилей используются в основном для поездок на работу, в торговые центры.

Обычно расстояния при этом преодолеваются небольшие, при запуске мотора аккумулятор разряжается, а небольшая дальность поездки не позволяет ему нормально зарядиться, тем более что из-за длительных простоев на улице электролит находится в холодном виде.

Нормальная зарядка происходит только, если электролит теплый. Таким образом, если не подзаряжать регулярно АКБ, то ее уровень заряда будет постепенно уменьшаться вместе с падением плотности.

Поэтому подзарядку при помощи зарядного устройства также нужно делать в отапливаемом помещении.

Оно должно быть нежилым, иметь хорошую вентиляцию. Это важно, так как в процессе зарядки электролит выделяет газ, вредный для здоровья человека.

Внимание! Самому корректировать плотность электролита настоятельно не советуем! Для этого нужен опыт. Кроме того, работать с соляной кислотой опасно, это требует соблюдение техники безопасности. Поэтому самостоятельно можно только долить дистиллированную воду в банки, если ее уровень понизится слишком низко.

Он находится на отметке 1,5 см над верхним краем пластин у легковых автомобилей и 3 см – у грузовиков.

У только что купленной, новой батареи плотность электролита должна быть на уровне 0,15-0,16 г/куб. см.

Внимание! Нельзя пользоваться в мороз сильно разряженным аккумуляторов, это может привести к замерзанию внутри него электролита, что как минимум разрушит пластины. Но могут деформироваться также перегородки между банками или внешний корпус.

В таблице ниже указано при каких плотностях и температурах происходит замерзание электролита.

Плотность электролита, г/куб. см	Температура замерзания, °С
1.10	-8
1.11	-9
1.12	-10
1.13	-12
1.14	-14
1.15	-16
1.16	-18
1.17	-20
1.18	-22
1.19	-25
1.20	-28
1.21	-34
1.22	-40
1.23	-45
1.24	-50
1.25	-54
1.28	-74

Исходя из таблицы легко понять, что АКБ, даже заряженная на все 100%, все равно замерзнет, если температура опустится до -70°С.

Если она разряжена до 40% от номинала, то точка замерзания поднимется до -25°С. Разряд же до 10% емкости приведет к тому, что лед внутри банок появится при -10°С, что довольно немного для нашей страны.

Если ареометра нет, то уровень разреженности батареи проверяют при помощи нагрузочной вилки. При этом показатель напряжения в разных банках не должен отличаться более чем на 0,2 В.

Индикатор нагрузочной вилки показывает, В	Уровень разрядки АКБ, %
1,8–1,7	0
1,7–1,6	25
1,6–1,5	50
1,5–1,4	75
1,4–1,3	100

Внимание! Ставить батарею на подзарядку пора, если зимой она разряжена наполовину, а летом – на 75%.

Плотность электролита в аккумуляторе летом

Если зимой главная проблема АКБ – снижение емкости, то летом – испарение электролита.

Точнее испаряется вода, повышая постепенно концентрацию раствора кислоты. Если не следить за уровнем, то жидкость оголит верх свинцовых пластин.

Доводить до такого состояния нельзя, так как на воздухе они начинают активно разрушаться.

Чтобы в жару концентрация кислоты не повышалась слишком сильно (что вредно для пластин), плотность нередко делают меньше на 0,02 г/куб. см, чем это считается оптимальным. Обычно в теплую погоду это не ухудшает запуск двигателя, зато продлевает срок службы аккумулятора.

Выкипанию воды из электролита способствует то, что в подкапотном пространстве, где расположен двигатель, летом очень жарко.

Крышку капота раскаляет солнце, работающий мотор также сильно нагревается.

При высокой температуре токоотдача повышается и АКБ становится способной легко проворачивать стартер даже в том случае, если плотность электролита находится на уровне всего 1,22 г/куб. см (этот уровень считается минимально допустимым для влажного теплого климата).

При испарении воды происходит снижение уровня жидкости в банках, плотность растет. Как результат ускоряются разрушительные процессы платин.

Поэтому летом нужно проверять уровень электролита хотя бы 1 раз в месяц, а лучше 2 раза и периодически доливать в банки дистиллированную воду.

В противном случае произойдет перезаряд из-за высокой плотности электролита, а пластины подвергнутся ускоренной сульфатации.

Внимание! Увеличенная плотность электролита летом приводит к значительному уменьшению срока эксплуатации аккумуляторной батареи.

Летом зарядка с помощью зарядного устройства требуется редко, но тоже применяется. Однако, если вы достали ЗУ, то заодно проверьте состояние АКБ – измерьте уровень электролита в каждой банке, долейте при необходимости дистиллят.

Хотя выкипает в основном вода, но кислота тоже испаряется. Поэтому постоянное добавление дистиллированной воды в раствор в конце концов приведет к падению концентрации.

Это приводит к невозможности батареей держать заряд, и, соответственно, эксплуатировать ее. Чтобы вернуть работоспособность, плотность электролита нужно будет поднять. Для этого требуется проверить ее уровень.

Как проверить плотность аккумулятора

Рекомендуется проверять значение плотности после пробега 15-20 тысяч километров.

Для этого нужно купить денсиметр – этот прибор легко приобрести в автомагазинах. Он состоит из стеклянной колбы в виде сужающейся к одному концу трубки, на другом конце которой находится резиновая груша. В расширенной части денсиметра помещен поплавок-ареометр.

Для проведения измерения нужно снять пробки с аккумулятора. Узкий конец денсиметра вставляют в банку, погружают в электролит и при помощи сжатия груши набирают внутрь раствор.

Его количество должно быть таким, чтобы ареометр свободно всплыл внутри денсиметра. По совмещения шкал на ареометре и колбе денсиметра определяют точное значение плотности, которое свидетельствует о величине заряда АКБ.

Проверить плотность можно далеко не на всех аккумуляторах. Сейчас на легковом транспорте многие водители предпочитают покупать необслуживаемые модели, у которых нет доступа внутрь банок. Также имеются так называемые малообслуживаемые модели, у которых единственное, что допускается делать – доливать дистиллят.

У таких аккумуляторов плотность определяют с помощью специального индикатора, находящегося на верхней крышке. Он представляет собой цветное окошечко. Если оно зеленого цвета, это значит, что уровень зарядки 65-100%, половинная зарядка или ниже показывается черным цветом, белый или красных колер сигнализирует о необходимости доливки воды.

Индикатор степени зарядки на АКБ.

Уточнить значение цвета на индикаторе всегда можно на маркировке батареи, она размещается всегда.

Внимание! Чтобы узнать, нужно ли проводить корректировку плотности электролита, проверять ее нужно только на полностью заряженной АКБ.

Первым делом нужно проверить уровень и долить при необходимости дистиллированной воды. Затем производит полную зарядку зарядным устройством.

После выключения ЗУ аккумулятору нужно дать постоять часа 2-3, чтобы данные измерения были максимально достоверны.

Чтобы не сделать ошибки, измерьте термометром температуру воздуха в помещении, где производилась зарядка и посмотрите, какая плотность должна быть при такой температуре в таблице.

Теперь можно приступать к процессу проверки. Денсиметром наберите электролит так, чтобы ареометр свободно всплыл.

Он должен спокойно плавать, не соприкасаясь со стенками колбы. Поднимите устройство на уровень глаз и снимите показания, сразу же записав их.

Замеры нужно производить для каждой банки.

Проверка плотности электролита денсиметром.

Руководствуйтесь следующей таблицей определения степени заряженности аккумулятора в зависимости от его плотности:

Температура в помещении, °С	Степень зарядки, %
	100	70	Разряженный
Более 25	1,21–1,23	1,17–1,19	1,05–1,07
Менее 25	1,27–1,29	1,23–1,25	1,11–1,13

Внимание! Плотность в разных банках на АКБ не должна различаться.

Если в каких-то банках плотность понижена по сравнению с другими ячейками, это значит, что она дефектная и между пластинами имеется короткое замыкание.

Если же показатель низкий во всех элементах, то это говорит, что батарея полностью разряжена, либо произошла сульфатация пластин. Также возможно, аккумулятор просто старый и выработал свои сроки.

Установить точную причину можно тщательной проверкой, при которой помимо плотности также замеряется напряжение на выходах АКБ под нагрузкой и без нее.

Кривая зависимости плотности от напряжения в соответствии с заряженностью.

Слишком высокая плотность в банках – тоже не повод для радости. Это может значить, что электролит кипел при зарядке. При его вскипании плотность повышается.

Измерить степень плотности электролита, чтобы выяснить уровень зарядки батареи, можно без денсиметра и не вытаскивая аккумулятор из посадочного места на автомобиле.

Для проверки потребуется только мультиметр и таблица ниже, в которой указаны соотношения между показателями напряжения и плотностью.

Уровень заряженности аккумулятора, %	Значение плотности электролита, г/куб. см	Напряжение на выводах, батареи В
100	1.28	12.7
80	1.245	12.5
60	1.21	12.3
40	1.175	12.1
20	1.14	11.9
0	1.10	11.7

Внимание! Во всех ячейках батареи плотность должна быть одинаковой. Максимальное отклонение не должно превышать 0,02–0,03 г/куб. см.

Указанное в таблице напряжение действительно для АКБ, выдержанных в покое не меньше 8 часов.

Чтобы восстановить работоспособность аккумулятора, снизившуюся из-за падения концентрации электролита, требуется произвести корректировку уровня плотности.

Для этого отбирается часть электролита из батареи, а вместо него добавляется корректирующий раствор, имеющий плотность 1,4 г/куб. cм.

Если плотность слишком высока, то после отобранный электролит замещается дистиллированной водой.

Затем аккумулятор в течение получаса заряжается при номинальном токе, после чего выдерживается в состоянии покоя на протяжении нескольких часов, чтобы плотность электролита стала одинаковой во всех банках.

Внимание! При проведении всех работ с электролитом нужно соблюдать повышенную осторожность. Рядом должна находится сода и источник проточной воды. Это позволит быстро нейтрализовать кислоту в случае попадания ее на кожу. Вдыхать пары также весьма вредно, поэтому работы проводятся только в хорошо вентилируемом нежилом помещении.

Как поднять плотность в аккумуляторе

Правильно поднять плотность электролита в батарее не так просто, поэтому остановимся на этом вопросе подробно.

Поднимают плотность, если после многократного разбавления дистиллятом, концентрации уже не хватает для нормальной работы аккумулятора зимой.

Также процедуру нужно проводить, если батарея подвергалась несколько раз длительному перезаряду. Снижение скорости цикла заряд-разряд свидетельствует о том, что пора корректировать состав электролита.

Для поднятия плотности используется:

• корректировочный электролит с плотностью 1,40 г/куб. см;
• концентрированная серная кислота.

Внимание! Непрофессионалам лучше не использовать кислоту, так как малейшая неосторожность может привести к травмам и даже инвалидности.

Для работы понадобятся:

• денсиметр;
• серный стаканчик со шкалой;
• резиновая груша или клизма;
• корректирующий электролит;
• тара для разведения электролита;
• дистиллированная вода.

Алгоритм повышения концентрации раствора выглядит так:

1. Из банки грушей забираем небольшой объем электролита.
2. Взамен возвращаем такое же количество корректирующего раствора.
3. Батарею нужно 30 минут подзарядить зарядным устройством, чтобы произошло смешивание жидкости.
4. После цикла зарядки АКБ отсоединяют от ЗУ и оставляют в покое, чтобы электролит остыл, плотность стала равномерной во всех банках и вышли пузырьки. Это делается для точности последующего измерения.
5. Производят контрольный замер, чтобы узнать, нужно ли повторять цикл корректировки.

Внимание! Если значение плотности в отдельных элементах АКБ превышает 0,01 г/куб. см, то аккумулятор нужно еще раз поставить на зарядку при значении тока в 2-3 раза ниже, чем номинальный.

Для вычисления того, сколько воды или концентрированного электролита нужно добавить в батарею, требуется точно знать ее объем.

Состав электролита примерно 40% серной кислоты и 60% воды.

Чтобы было проще изменять концентрацию раствора, воспользуйтесь следующей таблицей:

Таблица корректировки концентрации электролита.

Если вам нужно сделать большую плотность – доливаете корректировочный электролит, если меньшую – дистиллированную воду.

Таблица рассчитана только на применение концентрированного электролита с плотностью 1,40 г/куб. см, а не кислоты.

Инструкция по эксплуатации тяговых аккумуляторных батарей

Обслуживание и уход за батареями.

Правила ухода за тяговой аккумуляторной батареей, рекомендованные всеми производителями ведущих марок АКБ.

В качестве примера рассмотрена классическая батарея немецкого концерна Hawker Gmbh — Perfect Plus. Ничего сложного в уходе за батареей нет. Необходимо лишь четко по инструкции и в определенные сроки производить ряд операций, которые позволят максимально долго работать приобретенной Вами батарее, а значит, — сэкономит Ваши средства.

Особые свойства свинцовых батарей:

• Емкость 5-ти часовая, т.е. номинальная емкость может быть получена при разряде постоянным током в течение 5 часов до установленного конечного напряжения разряда 1,7 В/элемент при исходной температуре ЗО С.

• Напряжение Номинальное напряжение одного аккумулятора составляет 2 В. Нормы номинального напряжения тяговых батарей: 24 В, 48 В, 72В, 80 В.

• Рабочее напряжение одной тяговой батарей зависит от величины тока разряда, степени разряда и температуры. Установленное конечное напряжение разряда при 5-ти часовом разряде составляет 1,7 В/элемент.

• Плотность электролита в полностью заряженном состоянии, при температуре ЗО С составляет 1,29 кг/л.

• Стойкость и срок службы батарей. Под стойкостью понимается результат длительного испытания в лабораторных условиях, при которых батарея подвергается циклам заряд-разряд по точно определенной программе. Следует получить как минимум такое количество циклов, которое не приведет к снижению емкости ниже 80% от ее номинальной величины. Соответствующая методика изложена в DIN 43539, часть 3.

Действительный срок службы может быть больше или меньше чем стойкость, так как многочисленные факторы воздействия при эксплуатации ведут к нагрузкам, отличным от нагрузок в лабораторных условиях.

Факторы воздействия, ведущие к увеличению срока службы батареи:

• безупречные уход и обслуживание

• нормальная нагрузка

• нормальные рабочие температуры (от 20 С до 40 С)

• безупречные зарядные устройства

• избегать глубоких разрядов

• своевременное устранение неисправностей

Воздействия, ведущие к сокращению срока службы:

• частые глубокие разряды, т.е. снятие более 80% номинальной емкости

• повышенные рабочие температуры (> 40 С) в течение длительного времени

• заряд недопустимо высоким током после достижения напряжения газообразования (2,4 В/элемент)

• нахождение батареи в разряженном состоянии

• наличие примеси, попавшей в электролит (например воды для долива, не соответствующей требованиям)

• перегрузка или короткое замыкание

Обслуживание и уход за тяговыми батареями Общие правила эксплуатации:

• Никогда не оставлять батарею в разряженном состоянии, а сразу провести повторный заряд.

• Для достижения оптимального срока службы избегать разрядов более80% номинальной емкости; при этом плотность электролита не должна быть ниже 1,13 кг/л (300С).

• Во избежание глубоких разрядов необходимо следить за разрядом аккумуляторов транспортных средств.

• Рабочая температура должна соответствовать 20 С – 40 С.

• Во избежание повреждений батареи нельзя превышать максимально допустимую температуру электролита 55 С.

• Перед зарядом и при промежуточных зарядах необходимо обязательно снять или открыть крышку контейнера или закрывающее устройство батареи. Закрыть не ранее чем через 1/2 часа после окончания заряда.

• Зарядные устройства должны соответствовать емкости батареи и требуемому времени заряда.

• Для долива используется только дистиллированная вода согласно DIN 43530 часть 4, не следует доливать кислоту или применять добавки.

Заряд батареи (ежедневные работы):

• Необходимо отключить батарею путем отсоединения штекера от розетки . удалить крышку батареи. При этом пробки остаются закрытыми.

• Проверить уровень электролита на отметке «мин».

• После этого необходимо измерить температуру электролита. При превышении 45 С — охладить.

• Подключить штекер. При необходимости соединить систему перемешивания электролита (для штекеров без интегрированной системы вывода воздуха).

• Включить зарядное устройство или проверить, включено ли устройство.

• Начать процесс зарядки батареи.

• После зарядки отключить зарядное устройство или проверить, отключено ли устройство, затем отсоединить батарею от зарядного устройства. При необходимости проверить конечные результаты.

• При недостаточном заряде или после глубокого заряда провести уравнительный заряд.

Очистка (ежедневные работы):

• Грязь и пыль, которые скапливаются на поверхности элементов во время работы, необходимо удалять в зависимости от потребностей и от эксплуатации батареи (ветошь, влажный пар от 100 С до 150 С, с помощью шланга с насадкой).

Долив воды (еженедельные работы):

• Необходимо также вести контроль уровня электролита. По крайней мере, один раз в неделю. В том случае, если нет автоматического долива, сделать долив очищенной воды согласно DIN 43530 часть 4 в конце заряда.

• После заряда необходимо проверить уровень электролита во всех элементах и дополнить его дистиллированной водой.

• Необходимо также один раз в неделю проводить уравнительный заряд.

Напряжение, плотность и температура (ежемесячные работы):

• Один раз в месяц необходимо провести работу по проверке всех элементов на равномерность выделения газа.

• После окончания заряда или уравнительного заряда следует измерить плотность кислоты и температуру и выборочно внести в технологическую карту батареи отклонения от нормативных величин.

• Если были установлены существенные различия между элементами, то такие элементы необходимо исследовать отдельно.

• Также необходимо измерить напряжение, плотность и температуру элементов.

Работы, выполняемые каждое полугодие и каждый год: .

• проверить правильность функционирования зарядного устройства, в первую очередь ток заряда в начале газовыделения (2,4 В/элемент) и в конце заряда.

• проверить штекер и штекерное устройство.

• исправить небольшие повреждения изоляции контейнера (нанесенный слой) сразу после удаления или нейтрализации следов кислоты (соблюдать рекомендации изготовителя).

• следует измерить сопротивление изоляции батарей по отношению к массе в соответствии с DIN 43539 часть 1 при разомкнутой внешней электрической цепи.

• измерить сопротивление изоляции: 50 Ом на каждый Вольт номинального напряжения.

• почистить батарею при плохом со противлении изоляции.

Хранение

В случае, если в течение длительного периода не планируется эксплуатация батарей, их хранение должно производиться в полностью заряженном состоянии в сухом помещении при температуре выше 0 С.

Для поддержания эксплутационной готовности батареи следует использовать следующие зарядные режимы:

1. Ежемесячный уравнительный заряд

2. Поддерживающий заряд при зарядном напряжении 2,23 В х количество элементов (30 С)

Как избежать повреждений и несчастных случаев?

• Во избежание повреждений, коротких замыканий, искр, не класть металлические предметы и инструменты на батареи.

• Транспортировать батареи только посредством соответствующих подъемных устройствах (согласно VDE 3616).

• При работе с батареями следует соблюдать соответствующие правила техники безопасности, а также DIN VDE 0510 и VDE 0105 часть 1.

Срок хранения

Следует учитывать влияние срока хранения на срок службы батареи. Следует помнить, что правильно выбранные подъемные устройства препятствуют деформированию корпуса батареи и защищают таким образом покрытие контейнера. Подъемные устройства должны соответствовать геометрии батареи.

Рекомендации для взрывоопасных батарей

Речь идет о батареях, которые эксплуатируются в зонах повышенной взрывоопасности. Крышки корпуса батареи во время заряда и последующего отвода газов должны быть открыты с тем, чтобы образующаяся взрывоопасная газовая смесь при достаточной вентиляции потеряла свою способность к возгоранию.

Плотность энергии: основы

4 мая 2023 г.

Плотность энергии: основы

4 мая 2023 г.

Энергия — одна из важнейших характеристик производительности батареи; он определяет, как долго может работать ваш смартфон или как далеко может проехать ваш электромобиль. Один из наиболее ценных способов оценить качество батареи — это определить, сколько энергии может уместиться в ее размере или весе, или ее плотности энергии 9 .0016 . Батареи с более высокой плотностью энергии могут хранить больше энергии в меньшем или легком корпусе, что делает их более практичными для определенных приложений, где пространство или вес имеют значение.

Однако, как и в любом другом аспекте аккумуляторов, здесь все не так просто, как может показаться. Есть много факторов, которые следует учитывать при оценке плотности энергии батареи, некоторые из которых неочевидны. Когда значения плотности энергии приводятся без контекста, может быть трудно сказать, впечатляет ли новая ячейка батареи или она обычная.

В этой серии статей в блоге мы попытаемся осветить сложности, стоящие за этой обманчиво простой концепцией, и, надеюсь, облегчить понимание возможностей и компромиссов, связанных с созданием более качественных и энергоемких батарей. Мы начнем с общего обзора плотности энергии и продолжим рассмотрение других факторов, влияющих на плотность энергии батареи:

• Определение плотности энергии
• Активные материалы
• Катодная и анодная нагрузка
• Эффективность упаковки

Основы

Один из самых важных моментов, который необходимо знать об плотности энергии батареи, заключается в том, что существуют два разных способа ее измерения — по объему и по весу. Хотя их иногда объединяют, они существенно различаются и говорят нам разные вещи о производительности батареи.

Объемная плотность энергии

Количество энергии, которое может поместиться в заданном физическом объеме, наиболее важно для приложений с ограниченным объемом, где пространство имеет значение. Бытовая электроника и легковые автомобили — два хороших примера этого.

• Бытовая электроника . Пользователи придают большое значение тонким телефонам, планшетам и ноутбукам, поскольку их легко носить в сумках или карманах; как известно, когда Стив Джобс представил первый MacBook Air ¹ , он вытащил его из плотного конверта. Но в то же время пользователи не хотят идти на компромисс в отношении функциональности: устройству, которое быстро запускает приложения и долго работает без подзарядки, требуется много энергии для выполнения своей работы. Следовательно, чем больше энергии можно сохранить в небольшом объеме, тем лучше.
• Легковые автомобили – Водители хотят, чтобы их электромобили имели как можно больший запас хода. Чтобы увеличить запас хода электромобиля с обычными литий-ионными батареями, аккумуляторную батарею необходимо сделать физически больше, а значит, и сам автомобиль тоже должен быть больше. Неслучайно самые дальнобойные электромобили на рынке сегодня — это полноразмерные седаны: они достаточно длинные, чтобы поместить под них большие аккумуляторные батареи. Но эти большие автомобили не подходят для многих водителей.

Кроме того, другие популярные типы электромобилей, такие как внедорожники и пикапы, уже довольно велики, но из-за более низкой аэродинамической эффективности предлагают запас хода, который может не удовлетворить потребности каждого водителя. Поскольку сами транспортные средства не могут быть легко увеличены для размещения большего количества аккумуляторов, сами аккумуляторные элементы должны вмещать больше энергии в доступное пространство. Несмотря на то, что вес также важен, для этих случаев использования более высокая объемная плотность энергии является более важным приоритетом.

Гравиметрическая плотность энергии

Вес имеет большое значение для таких приложений, как дроны или аэрокосмическая промышленность. В этих случаях более объемная батарея может быть размещена за счет хорошей конструкции, но повышенный вес всегда ограничивает производительность, поэтому чем легче батарея, тем лучше. В крайних случаях, таких как батареи в спутниках, каждый лишний килограмм веса добавляет к стоимости запуска тысячи долларов.

Есть и другие приложения с более прозаическими ограничениями. Например, в большегрузных грузовиках существуют законные ограничения максимального веса, чтобы не повредить проезжую часть. Для полуприцепа математика проста: чем меньший вес приходится на аккумуляторы, тем больше полезной нагрузки можно перевозить и тем больше грузовик может заработать за поездку. В других случаях использования, таких как высокопроизводительные спортивные автомобили, более легкие автомобили лучше управляются и разгоняются быстрее. Для подобных приложений гравиметрическая плотность энергии, также известная как удельная энергия , может представлять большую болевую точку.

Почему лучше плотность энергии?

Плотность энергии батареи медленно, но неуклонно увеличивалась в течение последних нескольких десятилетий, и литий-ионные батареи теперь настолько плотны, что могут питать электромобили на сотни миль. После всего этого прогресса зачем нужна еще лучшая батарея?

Правда в том, что когда речь идет об аккумулировании энергии, всегда есть вариант использования для повышения плотности энергии. С лучшей плотностью энергии:

• Пассажирские автомобили могут становиться меньше и легче, предлагать больше внутреннего пространства для ног или груза, лучше управляться и разгоняться, а также предлагать водителям повышенную эффективность и увеличенный запас хода.
• Устройства бытовой электроники можно сделать тоньше и легче, использовать более мощные процессоры, добавить дополнительные функции и предложить лучшую графику с более быстрым интерфейсом и лучшими экранами.
• Дроны могут летать быстрее и выше, несут большую полезную нагрузку и большую выносливость.
• Тяжелые грузовики могут обслуживать более длинные маршруты и перевозить большую полезную нагрузку.

Компании всегда соревнуются, чтобы предложить автомобиль, ноутбук или дрон, которые превосходят конкурентов, и плотность энергии представляет собой одно из самых больших узких мест на пути к повышению производительности. Короче говоря, более высокая плотность энергии всегда востребована.

Помимо этих непосредственных преимуществ в производительности, повышенная плотность энергии также имеет потенциальные побочные преимущества:

• Стоимость элемента – На уровне отдельного элемента батареи фундаментальный нижний предел стоимости батареи устанавливается ее . 0015 Спецификация материалов : из чего сделан аккумулятор и сколько стоит этот материал? По определению, для производства более энергоемкой батареи требуется меньше материала. Например, безанодная литий-металлическая батарея устранит необходимость в графите, который является существенным компонентом веса и стоимости батареи электромобиля. Несмотря на то, что затраты на батареи гораздо больше, чем просто сырье, более низкая стоимость является одним из потенциальных долгосрочных преимуществ более энергоемких батарей.
• Стоимость системы — Повышенная плотность энергии также может снизить стоимость на уровне всей системы. При прочих равных условиях меньший аккумулятор требует меньше материалов: меньше стали и других конструкционных материалов, меньше проводки, меньше компонентов системы охлаждения и т. д. Хотя экономия здесь невелика в процентах от общей стоимости системы, она незначительна.
• Новые приложения – Потенциальные преимущества более высокой плотности энергии выходят за рамки простого улучшения существующих приложений. Подобно тому, как развитие аккумуляторных технологий от свинцово-кислотных к литий-ионным привело к появлению совершенно новых областей применения аккумуляторов, таких как электромобили и дроны, аккумуляторы следующего поколения с большей плотностью энергии открывают новые возможности для применения. Одним из ярких примеров является самолет EVTOL, используемый либо в качестве летающих такси, либо в качестве личного самолета, который в настоящее время находится на ранних стадиях разработки и значительно выиграет от более энергоемких батарей. Независимо от того, получит ли это конкретное приложение широкое распространение, более высокая плотность энергии станет ключевым фактором будущих инноваций, а косвенные преимущества трудно предсказать.

Как можно повысить плотность энергии батареи? Есть несколько основных способов: использование более качественных активных материалов, оптимизация загрузки и пористости активных материалов и внедрение более эффективной упаковки ячеек. Продолжайте читать, чтобы узнать больше.

---

[1] https://www.youtube.com/watch?v=OIV6peKMj9M

---

Заявления прогнозного характера

о текущих ожиданиях руководства на дату настоящего отчета. Все заявления, кроме заявлений об исторических фактах, содержащиеся в этой статье, в том числе заявления о будущем развитии аккумуляторной технологии QuantumScape, ожидаемых преимуществах технологий QuantumScape и производительности ее аккумуляторов, а также о планах и целях будущих операций, являются заявлениями прогнозного характера. . При использовании в настоящем отчете слова «может», «будет», «оценивать», «проформа», «ожидать», «планировать», «полагать», «потенциальный», «предсказывать», «целевой», «должен», «был бы», «мог бы», «продолжать», «полагать», «предполагать», «намереваться», «предвидеть» отрицание таких терминов и другие подобные выражения предназначены для обозначения прогнозных заявлений, хотя не все прогнозные заявления содержат такие идентифицирующие слова.

Эти прогнозные заявления основаны на текущих ожиданиях, предположениях, надеждах, убеждениях, намерениях и стратегиях руководства в отношении будущих событий и основаны на имеющейся в настоящее время информации об исходе и сроках будущих событий. Эти прогнозные заявления сопряжены со значительными рисками и неопределенностями, которые могут привести к существенному отличию фактических результатов от ожидаемых. Многие из этих факторов находятся вне контроля QuantumScape, и их трудно предсказать. QuantumScape предупреждает читателей, чтобы они не слишком полагались на какие-либо прогнозные заявления, которые действительны только на дату их публикации. Если иное не требуется применимым законодательством, QuantumScape отказывается от каких-либо обязательств по обновлению любых прогнозных заявлений. Если лежащие в основе предположения окажутся неверными, фактические результаты и прогнозы могут существенно отличаться от выраженных в каких-либо прогнозных заявлениях. Дополнительную информацию об этих и других факторах, которые могут существенно повлиять на фактические результаты QuantumScape, можно найти в периодических заявках QuantumScape в SEC. Заявки QuantumScape в SEC находятся в открытом доступе на веб-сайте SEC по адресу www.sec. gov.

---

Доля на

АККУМУЛЯТОРНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ БАТАРЕИ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

РЕСУРСЫ

НОВОСТНАЯ

БЛОГ QS

КАРЬЕРА

Политика конфиденциальности | Условия использования
© 2023 QuantumScape Corporation
1730 Technology Drive, Сан-Хосе, Калифорния 95110
[email protected]

Твиттер Линкедин YouTube

Вечно пять лет? Нет, аккумуляторы совершенствуются у вас под носом

Твои литий-ионные глаза —

За последнее десятилетие литий-ионные аккумуляторы стали лучше.

Скотт К. Джонсон — 24 мая 2021 г., 11:15 UTC

Истина где-то рядом

Так где же доказательство того, что все это происходило за кулисами? Если вы посмотрите, данные подтверждают ряд тенденций. Плотность энергии имеет заметную тенденцию. Оригинальный коммерческий литий-ионный аккумулятор, произведенный Sony в начале 1990-х годов, имел плотность энергии менее 100 ватт-часов на килограмм. Это число со временем росло: к 2010 году на рынке уже знакомые цилиндрические элементы 18650 достигли 200 ватт-часов на килограмм. По данным BloombergNEF, батареи, используемые в электромобилях, достигли 300 ватт-часов на килограмм за последние пару лет.

Это было легко увидеть, если вы вообще следили за электромобилями, поскольку ранние варианты не имели ничего общего с тем, что мы видим сегодня. Первая Tesla Model S предлагала запас хода около 210 миль, а теперь ее можно купить с запасом хода до 390 миль. Первый Nissan Leaf может проехать около 75 миль, а модель 2020 года — 225 миль.

Конечно, это связано не только с повышенной плотностью энергии в элементах батареи. Есть и другие переменные, такие как эффективность транспортного средства и количество ячеек в упаковке. Это часть того, что мешает потребителям заметить, изменились ли сами клетки.

Сложности очевидны, если вы посмотрите на телефоны. Можно было бы сравнить статистику по времени автономной работы моделей телефонов за прошедшие годы и, возможно, даже показатели энергоемкости их аккумуляторов. Но увеличилась ли емкость из-за того, что элементы стали более энергоемкими, или из-за того, что производителю удалось втиснуть в корпус чуть большую батарею? Срок службы батареи также не является надежным показателем, потому что телефоны с более мощным оборудованием могут потреблять больше энергии, чем их предшественники. С другой стороны, улучшения программного обеспечения для повышения энергоэффективности могут продлить срок службы той же батареи.

У меня есть личный интерес к камерам. Недавно я купил новую, чтобы заменить десятилетнюю зеркалку той же марки. Размер и форма литий-ионной батареи остались прежними, но новая имеет емкость 1900 мАч, а старая — 1500 мАч. Это рост на 27 процентов. (И это не самый большой доступный в настоящее время.)

Означает ли это, что новая камера работает на 27 процентов дольше, чем моя старая? Отнюдь не! Я могу рассчитывать на то, что выстрелит меньше, чем наполовину столько фотографий, прежде чем потребуется перезарядка. Новая (беззеркальная, если вы увлекаетесь фотографией) камера снимает с более высоким разрешением, имеет более активную систему автофокусировки, имеет более высокое разрешение и более яркий экран, а то, что раньше было пассивным оптическим видоискателем, теперь стало вторым. , крошечный экран — все это приводит к сравнительно ненасытному аппетиту к электронам.

Реклама

Но есть и большая тенденция, которая имеет мало общего с производительностью. стоит литий-ионных аккумуляторов резко упали, что оказало огромное влияние на электромобили. В недавнем исследовании отмечается, что «реальная цена литий-ионных элементов, с учетом их энергоемкости, снизилась примерно на 97 процентов с момента их коммерческого внедрения в 1991 году». Первые литий-ионные элементы в 1990-х стоили около 3000 долларов за киловатт-час. К началу 2000-х это было ближе к 500 долларам за киловатт-час.

Что касается электромобилей, по оценкам BloombergNEF, средняя цена полной батареи 9Пакет 0015 стоил около 1180 долларов за киловатт-час в 2010 году. К 2020 году он упал примерно до 130 долларов за киловатт-час. В конечном счете, именно это позволяет производить автомобиль с запасом хода в 300 миль, который вполне может себе позволить кто-то, кроме Джеффа Безоса.

В батарее есть нечто большее, чем простая сумма электронов, которые она может вытолкнуть, прежде чем счетчик покажет ноль. В отличие от автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, где производительность двигателя более или менее соответствует «насколько опасным идиотом я могу быть на дороге?», производительность аккумулятора зависит от зарядка столько же, сколько разрядка . ( Редактор Ars Automotive Джонатан Гитлин теперь может бросить мне вызов на дуэль. ) Быстрая зарядка является ключом к тому, чтобы сделать электромобили удобными для большего количества вариантов использования, поэтому это еще один приоритет для разработки аккумуляторов.

Быстрая зарядка зависит от всего: от дизайна ячейки до компоновки упаковки и управления температурой до инфраструктуры зарядной станции. Производители должны понимать, как их аккумуляторы реагируют на различные уровни быстрой зарядки, и выбирать безопасный и разумный компромисс между ухудшением жизненного цикла и удобством быстрой дозарядки.

Увеличить / Чтобы быстро зарядить электромобиль, нужна деревня.

Tomaszewska et al./eTransportation (CC BY)

Отраслевые стандарты для зарядных станций (включая форму вилки) со временем изменились, что привело к увеличению максимальной скорости зарядки. Зарядное устройство в вашем гараже может выдавать несколько киловатт переменного тока, который система зарядки автомобиля преобразует в постоянный ток на пути к аккумулятору. Станции быстрой зарядки обеспечивают гораздо большую мощность, преобразуемую в постоянный ток на другой стороне вилки, поэтому вы можете превзойти возможности системы зарядки автомобиля. Более ранние автомобили и станции могли увеличить мощность зарядки до 50 киловатт, в то время как нагнетатели Tesla изначально доходили до 150 киловатт. Новейшие нагнетатели Tesla могут развивать мощность до 250 киловатт, в то время как новые станции Electrify America способны развивать мощность до 350 киловатт — при условии, что появится транспортное средство, способное его выдержать.

Реклама

Tesla Model 3 может достигать максимальной скорости зарядки около 250 киловатт, а Porsche Taycan может подтолкнуть немного выше. Но другие автомобили, как правило, немного более консервативны: Chevy Bolt ограничен мощностью 50 киловатт, а новый Volkswagen ID.4 — 125 киловатт.

В целом сегодня вы можете заряжать автомобиль быстрее, чем 10 или даже пять лет назад, и компании стремятся увеличить эти цифры. Это не может быть связано с изменениями самих аккумуляторных элементов, но они здесь далеко не бесполезны.

Электроны должны течь

Если прогресс был стабильным все это время, очевидно, что в пути будет больше (следите за обновлениями). Во-первых, будет больше в инкрементальной вене, поскольку мы еще не достигли теоретических пределов литий-иона. Например, когда Tesla изложила свои планы в прошлом году, было много мелочей, которые в сумме привели к ожидаемому увеличению запаса хода автомобиля примерно на 50 процентов и снижению стоимости киловатт-часа примерно на 50 процентов. Это произошло благодаря изменениям материала катода, аноду с высоким содержанием кремния, большей цилиндрической конструкции элемента, переработанному аккумуляторному блоку и новым методам производства. Кто знает, сколько времени потребуется, чтобы все это материализовалось, хотя Илон Маск утверждал, что на это уйдет всего около трех лет.

Помимо постепенных, менее предсказуемых обновлений батарей, они также приходят, чтобы успокоить нетерпеливых. (Только не ожидайте, что летающие автомобили будут далеко позади.) Гонка по разработке твердотельных батарей, которые отказываются от жидких электролитов — и, возможно, также от большей части анода — похоже, накаляется. Это может привести к внезапным улучшениям в безопасности, долговечности или плотности энергии.

Исследователи также давно гоняются за литий-воздушными батареями, которые могли бы реализовать огромный скачок плотности энергии. Помимо лития, в разработке находятся и другие совершенно разные химические вещества. В какой-то момент один из них должен нажать на то или иное приложение.