Какая плотность электролита в аккумуляторе зимой: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Почему АКБ зимой работает хуже? Подготовить аккумулятор на зиму.

Проблема подготовки аккумулятора на зиму знакома автомобилистам — зимой аккумулятор слабее и медленнее крутит стартер, быстро разряжается. Это связано с тем, что зимой нагрузка на аккумулятор возрастает, а характеристики аккумулятора резко ухудшаются в связи с понижением температуры эксплуатации.

 

Рассмотрим влияние холода на основные характеристики свинцовых аккумуляторов:

• внутреннее сопротивление
• напряжение
• емкость
• отдача

1. Внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление складывается из сопротивления материала пластин, активного поверхностного слоя пластин, сепараторов, и сопротивления электролита, которое сильно зависит от температуры, снижение подвижности ионов и увеличение вязкости электролита повышают внутреннее сопротивление.

При температуре от -30°C до -40°C снижается скорость диффузии ионов электролита, проводимость активного слоя падает в восемь раз, проводимость сепараторов в четыре раза.

Основными свойствами электролита являются плотность, температура замерзания, вязкость и удельное сопротивление.

Плотность электролита находится линейной зависимости от температуры в диапазоне от 20 С до – 30 С и может определяться по формуле 1.28 + (Т-20)Х0.007

В диапазоне от 0°C до -30°C при падении температуры на 1°C:

— вязкость увеличивается на 16%

— удельное сопротивление увеличивается на

15%

— емкость аккумулятора падает на 4%

Внутреннее сопротивление также увеличивается при разряде большими токами как результат уменьшения плотности электролита в порах активной массы и около электродов.

Зависимость удельного сопротивления электролита плотностью 1,30 г/см³ от температуры:

Температура, °С	Удельное сопротивление электролита Ом·см
+ 40	0,89
+ 25	1,28
+ 18	1,46
0	1,92
–  18	2,39

Соответственно, 

с падением температуры аккумулятора снижается максимальный отдаваемый батареей ток.

Как видно из вышеприведенных данных, с понижением температуры электролита с +40°С до -18°С удельное сопротивление возрастает в 2,7 раза.

2. Напряжение на клеммах АКБ

Напряжение на клеммах аккумулятора является разницей значения электродвижущей силы (ЭДС) и падением напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора, которое значительно зависит от температуры, плотности электролита и потребляемого тока.

Напряжение заряда при 20°С составляет 13,8 В, при снижении температуры должно увеличиваться на 0,003 В/град, что составляет при О°С дополнительно 0,6В (14,4В) и при -20°С  дополнительно 1,2В (15В).

Зимой АКБ страдают от недозаряда, особенно при коротких поездках. 

Напряжение на клеммах АКБ 12,72 В говорит о 100% заряде.

12,24 В — заряде 50%,

11,76 В соответствует полностью разряженному аккумулятору.

При частичном заряде падает плотность электролита и повышается вероятность его замерзания и разрушения батарей.
Электролит плотностью 1,28 замерзает при -65°C, плотностью 1.20 при -20°C, плотностью 1.10 при – 7 °C.

4. Емкость аккумулятора

Емкостью аккумулятора называется количество электричества, которое может отдать полностью заряженный аккумулятор при заданном режиме разряда, температуре и конечном напряжении. Емкость измеряют в ампер-часах и определяют по формуле C=Ip*tp, где С – емкость, а·ч;
Ip – сила разрядного тока, а;
tp – время разряда, ч.

Снижение емкости аккумулятора при понижении температуры вызвано повышением вязкости электролита и замедлением диффузии электролита в поры активной массы, внутренние слои которой не участвуют в реакции разряда.

5. Отдача по емкости

Отдача по емкости — отношение количества электричества, полученного от аккумулятора при разряде, к количеству электричества, необходимого для заряда аккумулятора до первоначального состояния при определенных условиях. Отдача по емкости зависит от полноты заряда, который падает с падением температуры электролита.

Выводы

Все вышесказанное объясняет значительное влияние холода на основные характеристики свинцовых аккумуляторов. В холодное время, разряженный после неудачного запуска двигателя и оставленный в машине почти новый аккумулятор, может быть испорчен в результате замерзания электролита.

Если рассматривать практический пример, то мы наблюдали падение емкости АКБ с 80 A/ч  до 12 А/ч при температуре -18°C и токе разряда 240А.

Пути снижения влияния холода на характеристики АКБ:

1. Утепление подкапотного пространства

2. Если автомобиль хранится в гараже, то можно подсоединить к аккумулятору коннекторы постоянного подключения и соединять его с зарядным устройством Optimate или Battery Service — данные зарядные устройства имеют режим хранения и не требуют отключения от акб после окончания процесса зарядки акб.

 

3. С периодичностью раз в неделю/месяц (в зависимости от состояния акб и температуры эксплуатации) подзаряжать аккумулятор зарядным устройством. 

4. Обязательно менять масло в двигателе на зимнее — это позволит не только снизить нагрузку на акб в момент старта двигателя, но и значительно увеличит срок его службы.

Ссылки по теме

Плотность электролита зимой и летом

Всем привет! С Вами аккумуляторщик. Сегодня я бы хотел развеять миф про плотность электролита зимой и летом. Многие люди, особенно старой «советской» закалки, которые приходят в магазин или просто приходят со своим аккумулятором и просят им сделать зимнюю или летнюю плотность. Сразу скажу, сейчас это уже не актуально.

Сейчас во все аккумуляторные батареи, в частности для наших широт заливают электролит плотностью 1,27- 1,28 г/см³. И менять её не требуется, это запрещено вообще! Коррекцию электролита самостоятельно тоже нельзя делать ни в коем случае. Это может сделать только специалист по ремонту аккумуляторов, и то в крайнем случае, например, при восстановлении АКБ.

Если Вы измерите плотность на новом полностью заряженном аккумуляторе, то плотность в нем будет 1,27 ровно. Ничего подливать туда не надо! Дело в том, что многие люди думают что на зиму надо сделать поядрёнее такой покрепче электролит. На самом деле, этого не требуется. При плотности 1,27 г/см³  электролит замерзает при температуре -60 ⁰С. Подробнее об этом Вы можете прочитать тут. В редких городах можно встретить такие экстремальные температуры воздуха, но тем не менее можно. Для таких редких случаев плотность подымают, но это скорее исключение.

Слишком большая плотность делает среду чрезмерно агрессивной. И соответственно, идет быстрее осыпания пластин аккумулятора. Потому что аккумуляторная батарея на автомобиле – это сбалансированное устройство, вмешиваться в его электролит значит выводить из баланса АКБ. Как некоторые делают по старинке: доливают дистиллированную воду на лето, а зимой доливают электролит. Ничего этого делать не нужно!

Лучше позаботьтесь о другом. Например, качественно зарядите аккумулятор перед холодами хорошим зарядным устройством. Для того, чтобы плотность выровнялась по банкам АКБ и вышла у Вас к номинальной 1,27- 1,28 г/см³. С такой плотностью электролита можно ездить и летом и зимой, так скажем всесезонный аккумулятор.

Вот поэтому никогда не проводите самостоятельно манипуляций с электролитом. Только корректируем уровень дистиллированной водой. То есть, подливая воду в банки до номинального уровня. Напомню, для легковых АКБ это полтора сантиметра над свинцовыми пластинами аккумулятора, для грузовых 2-3 см. Вот и все! Ну и соответственно, заряжаем для того, чтоб достигнуть рабочей плотности.

Надеюсь наши советы по эксплуатации автомобильного аккумулятора помогут Вам в жизни. Не совершайте ошибок.

Также на эту тему:

Какая плотность должна быть в аккумуляторе зимой: оптимальные значения

Плотность электролита – главный параметр всех свинцово-кислотных электрических аккумуляторов, потому что он оказывает влияние на срок эксплуатации и ёмкость прибора.

Необходимо удерживать оптимальное значение показателя, чтобы гарантировать правильную работу АКБ. Оно зависит не только от климатических характеристик региона, в котором находится автомобиль, но и от времени года. К примеру, если плотность аккумулятора в зимний период составляет 1,25 г/см3, то это свидетельствует о критическом уровне, при котором транспортное средство не сможет завестись. Особенно речь идёт о районах, в которых температура может опускаться до -50 градусов. Однако при умеренном климате такое значение соответствует заявленным требованиям нормы. Следовательно, считается, что показатели в разные временные сезоны должны отличаться друг от друга.

Перед многими автовладельцами встаёт дилемма: разная или одинаковая должна быть плотность аккумулятора зимой и летом? Давайте разбираться.

Зима

Плотность электролита на зиму в аккумуляторе транспортного средства должна составлять около 1,27 г/см3. Но такое значение оптимально лишь для центральных районов России. В регионах, в которых температурный режим ниже -35 градусов, показатель изменяется в диапазоне от 1,28 г/см3 до 1,35 г/см3. Например, если автомобиль работает в условиях Крайнего Севера, то величина колеблется в пределах 1,31–1,35 г/см3. Возникает вопрос: почему плотность электролита в аккумуляторе зимой должна иметь такое значение? Существует две причины, дающих ответ на поставленный вопрос:

1. Жидкость с большой вероятностью превратится в лёд при минусовой температуре, так как в ней доля воды превышает допустимую норму.
2. Механизмы автомобиля замерзают в мороз и требуют увеличения электродвижущей силы, чтобы осуществить запуск двигателя. Даже лучшие модели автомобилей не смогут работать без дополнительной энергии. Уменьшение значения показателя вплоть до 1,1 г/см3 приведёт к замерзанию электрического аккумулятора.

Зимняя плотность аккумулятора находится на низком уровне. Следовательно, при разрядке она упадёт до критических значений. Чтобы решить эту проблему, желательно постоянно следить за состоянием АКБ. Чтобы проследить взаимосвязь между уровнем заряда и водным соотношением в составе электролита, можно рассмотреть различные сценарии при уменьшении АКБ на 25 % и 50 %:

1. При первоначальной плотности в 1,30 г/см3 она сократится до 1,26 г/см3 и 1,22 г/см3.
2. При начальном значении показателя в 1,27 г/см3 объём уменьшится до 1,23 г/см3 и 1,19 г/см3.
3. При исходной величине в 1,23 г/см3 диапазон упадёт до 1,19 г/см3 и 1,15 г/см3.

Следовательно, плотность аккумулятора на зиму не должна опускаться ниже 1,27 г/см3. Однако нужно помнить, что электролит не может прогреться в результате ежедневных поездок от дома на работу, которые составляют менее получаса. Это в свою очередь влияет на АКБ, который получает необходимый уровень заряда только после осуществления разогрева. Значение показателя стремительно падает по причине того, что аккумуляторная батарея разряжается.

Таким образом, отвечая на вопрос, какая плотность аккумулятора должна быть зимой, можно привести таблицу оптимальных значений. Однако данные показатели характерны исключительно для полностью заряженной батареи. В случае если заряд находится на недостаточном уровне, то они будут больше.

Регион использования транспортного средства	Значение показателя плотности, г/см3
Южные регионы	1,25
Центральные регионы	1,27
Северные регионы	1,29
Регионы Крайнего Севера	1,31

Лето

В летний период аккумуляторная батарея имеет проблему, связанную с потерей большого количества жидкости. Плотность рекомендуется держать на 0,02 г/см3 ниже значения, которое требуется по стандартам. В первую очередь такое замечание относится к регионам, расположенным на юге России.

Летом температурный режим под капотом, в котором располагается аккумулятор, повышен. Это влечёт за собой следующие моменты:

1. Улетучивание жидкости из состава кислоты.
2. Активное прохождение процессов превращения электрической энергии в химическую, протекающих в аккумуляторных кислотных батареях.

Всё это обеспечивает сильную отдачу тока, осуществляющуюся даже при минимальных допустимых показателях плотности электролита. Например, значение 1,22 г/см3 характерно для местности с тёплым и влажным климатом. Если уровень электролита систематически опускается, то это приводит к увеличению значения. Такой взаимосвязанный процесс является причиной химического разрушения проводников электрического тока. Поэтому контроль количества воды в АКБ – важная задача, выполнение которой является залогом грамотного ухода за автомобилем. Решение заключается в добавлении дистиллированной жидкости при понижении уровня электролита. Если данное действие опустить, то могут возникнуть проблемы с перезарядом и сульфацией.

Рассеянность автолюбителей – главный фактор, который лежит в основе разрядки аккумулятора. Другими словами, если водитель не уследил за состоянием АКБ, то нужно предпринять определённые меры. Они заключаются в обеспечении батареи зарядом при помощи специального устройства. Однако перед этим необходимо обратить внимание на уровень жидкости, которая могла испариться в процессе функционирования. Если это произошло, требуется долить очищенную воду без содержания каких-либо примесей.

Следовательно, рассмотрев, какая плотность должна быть в аккумуляторе зимой в зависимости от региона, нельзя не привести значения для летнего сезона.

Регион использования транспортного средства	Значение показателя плотности, г/см3
Южные регионы	1,25
Центральные регионы	1,27
Северные регионы	1,27
Регионы Крайнего Севера	1,27

Как правильно откорректировать плотность электролита?

Автовладельцы часто сталкиваются с необходимостью поднять плотность в аккумуляторной батарее, что объясняется двумя причинами. Во-первых, периодическим регулированием количества дистиллированной жидкости. Во-вторых, частой зарядкой устройства, так как уменьшение интервала осуществления данного действия – первый признак того, что желательно провести процедуру повышения величины. Выделяют два способа корректировки значения показателя:

• применение электролита, обладающего высокой концентрацией;
• использование дополнительных кислот.

Чтобы изменить в нужном направлении плотность в аккумуляторной батарее, следует приобрести следующие предметы:

• специализированный стакан с делениями, применяемыми для измерения объёма;
• цистерна для создания нового раствора;
• электролит или кислота корректирующего содержания;
• очищенная жидкость.

Алгоритм действий по изменению значения включает в себя 5 этапов:

1. Взять небольшое количество электролита с банки аккумуляторной батареи.
2. Добавить корректирующий раствор в количестве, которое соответствует взятому на предыдущем этапе. Такое действие осуществляется при условии, что поставлена задача поднять плотность. Если необходимо получить противоположный результат, то регулирующий раствор заменяют на дистиллированную жидкость.
3. Аккумулятор следует подзарядить с помощью специального устройства, так как номинальный ток даст возможность поступившей воде смешаться.
4. После отключения АКБ от батареи целесообразно выждать в районе 2 часов. Это позволит плотности во всех банках встать на один уровень, что сделает вероятность возникновения погрешности при контрольном тестировании минимальной.
5. Вторично осмотреть значение электролита. Если оно осталось на прежнем уровне, то повторно осуществить предыдущие этапы.

Плотность электролита изменяется в результате понижения в определённом отсеке аккумулятора. Причём предварительно полезно изучить номинальный объём, который в нём находится. Например, в классической стартерной батарее 6СТ-55 величина электролита равна 633 см3, а в 6СТ-45 – 500 см3. Если рассматривать его состав, то в него входят серная кислота и очищенная вода в процентном соотношении 40 на 60. Достичь необходимой плотности показателя можно, опираясь на представленные данные в следующей таблице:

Плотность аккумулятора, г/см3	Обязательная величина параметра, г/см3
	1,24			1,25			1,26
	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости
1,24	—	—	—	60	62	—	120	125	—
1,25	44	—	25	—	—	—	65	70	—
1,26	85	—	88	39	—	40	—	—	—
1,27	122	—	126	78	—	80	40	—	43
1,28	156	—	162	117	—	120	80	—	86
1,29	190	—	200	158	—	162	123	—	127
1,30	—	—	—	—	—	—	—	—	—

Продолжение таблицы

Плотность аккумулятора, г/см3	Обязательная величина параметра, г/см3
	1,27			1,28			1,30
	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости	Забор электро-лита	Долив раствора 1,40 г/см3	Добавление жидкости
1,24	173	175	—	252	256	—	—	—	—
1,25	118	120	—	215	220	—	—	—	—
1,26	85	66	—	177	180	—	290	294	—
1,27	—	—	—	122	126	—	246	250	—
1,28	40	—	43	63	65	—	8198	202	—
1,29	75	—	78	—	—	—	143	146	—
1,30	109	—	113	36	—	38	79	81	—

Отметим, что представленные данные соответствуют корректирующему электролиту с плотностью 1,40 г/см3. Если жидкость будет иметь другое значение, то возникает необходимость использовать следующую формулу расчёта для рассматриваемого показателя:

Представленные вычисления можно заменить методом золотого сечения, который гораздо проще применить на практике:

1. Откачать больший объём воды из банки аккумулятора.
2. Вылить полученную воду в специальный стакан с делениями, чтобы получить информацию о величине.
3. Заполнить половину освободившегося объёма банки необходимым количеством электролита.
4. Если значение ещё не соответствует требуемому, то долить ¼ от откаченной величины.
5. Продолжать добавлять раствор до достижения оптимального результата.

Кислотная среда небезопасна для человека при неграмотном обращении. Целесообразно соблюдать все меры предосторожности, чтобы раствор электролита не попал на кожу или в дыхательные пути. Осуществлять корректировку рассматриваемой величины рекомендуется в помещениях с хорошей вентиляцией.

Возникают ситуации, в которых значение показателя опускается ниже 1,18 г/см3. В таких случаях использование электролита должно сопровождаться применением кислоты. Причём алгоритм действий изменения плотности включает в себя аналогичные этапы с одной поправкой: шаг разбавления при таком значении должен быть небольшим. Это связано с тем фактом, что плотность электролита имеет очень большую концентрацию, и возникает вероятность пропустить нужную отметку.

В процессе приготовления раствора в жидкость нужно вливать кислоту, а не наоборот.

При определённых обстоятельствах не представляется возможным исправить плотность электролита. Поэтому есть только один выход: купить новый аккумулятор. Возникает вопрос: как определить такие случаи? Очень просто: электролит становится коричневого оттенка, что свидетельствует об осыпании активной массы, принимающей участие в реакции электрохимического плана. Следовательно, это приводит к постепенной поломке аккумуляторной батареи.

Чтобы такая ситуация не застала врасплох, необходимо знать, что хороший АКБ будет служить в течение 5 лет при следовании всем эксплуатационным правилам. Следовательно, если данный срок истёк, то нет смысла проводить манипуляции по ремонту батареи. Если вы хотите, чтобы ваш прибор прослужил положенный срок, то следуйте следующим указаниям:

• контролируйте плотность с помощью ареометра;
• обеспечивайте грамотное обслуживание;
• проверять уровень заряда.

Чем грозит завышенная или заниженная плотность электролита?

Оптимальный уровень плотности находится в пределах от 1,27 до 1,35 г/см3 в соответствии с сезоном и температурным режимом региона. Если значение рассматриваемого показателя выше нормы, то это свидетельствует о завышении, что отрицательно влияет на функционирование автомобиля. Данный процесс может привести к повреждениям аккумуляторной батареи. В ситуациях, при которых наблюдается противоположная картина, существует вероятность того, что автомобиль не заведётся. Главная причина в том, что АКБ замёрзнет при низких температурах.

Следовательно, необходимо контролировать значение, чтобы плотность электролита в аккумуляторе зимой и летом соответствовала оптимальной. Это поможет избежать возникновения непредвиденных обстоятельств. Однако сделать подобное проблематично, так как плотность изменяется при разных уровнях заряда аккумулятора. Например, при её уменьшении происходит поглощение дистиллированной жидкости батареей, что приводит к увеличению концентрации показателя. В обратных ситуациях возникает процесс сульфатации, ведущий к снижению уровня плотности. В результате этой химической реакции пластины наглухо закрываются и теряют возможность правильно заряжаться. Главный исход – выход из строя АКБ.

Плотность электролита в аккумуляторе зимой: значения, как поднять?

Автомобилю, постоянно находящемуся в использовании, требуется надежный АКБ, который позволит быстро запустить двигатель вне зависимости от внешних факторов. Плотность электролита в аккумуляторе зимой необходимо держать в определенных рамках, чтобы жидкость не замерзла. Данный параметр является основным и оказывает существенное влияние на длительность службы источника питания.

При правильной и своевременной корректировке значений кислотности жидкости можно значительно увеличить срок службы АКБ. Ведь плотность электролита в аккумуляторе зимой и летом должна отличаться, чтобы компенсировать влияние температуры, влажности и других климатических условий на химические процессы.

Что такое плотность электролита и от чего она зависит?

Если говорить простым языком, то плотность — это кислотность жидкости в АКБ. В роли электролита сурьмянистые аккумуляторы используют смесь воды и серной кислоты. Количество последней по отношению к общему объему раствора и называют плотностью. Измеряют ее в граммах на сантиметр кубический (г/см

3).

На степень закисленности основное влияние оказывают факторы, способные изменить количество воды в растворе: мороз, жара, влажность. Также на нее влияет степень заряда аккумуляторной батареи. Измерение показателей производятся специальным прибором — ареометром. Процедуру необходимо проводить с полностью заряженным аккумулятором. Особенно это важно делать перед зимой, чтобы выявить проблему заранее и уменьшить риск порчи АКБ, вследствие замерзания воды в ней. Если были выявлены низкие значение, то, скорее всего, проблема кроется в одной из следующих причин:

• дефект ячейки;
• обрыв внутренней цепи батарей;
• глубокий разряд АКБ или одной из его секций.

Почему замерзает аккумулятор?

Все дело в плотности: чем она меньше (воды в растворе больше), тем быстрее замерзнет электролит при понижении температуры. Умеренный климат требует, чтобы этот параметр был в пределах 1,25-1,27 г/см³. Зимой и в северных регионах рекомендуемая плотность увеличивается на 0,01 г/см³.

Многих автолюбителей интересует: «При какой температуре замерзает электролит в аккумуляторе?». Получить ответ на этот вопрос поможет следующая таблица:

 

Плотность электролита при 25°C, г/см³	Температура замерзания, °С	Плотность электролита при 25°C, г/см³	Температура замерзания, °С
1,09	-7	1,22	-40
1,1	-8	1,23	-42
1,11	-9	1,24	-50
1,12	-10	1,25	-54
1,13	-12	1,26	-58
1,14	-14	1,27	-68
1,15	-16	1,28	-74
1,16	-18	1,29	-68
1,17	-20	1,3	-66
1,18	-22	1,31	-64
1,19	-25	1,32	-57
1,2	-28	1,33	-54
1,21	-34	1,4	-37

Таблица 1. Плотность электролита в аккумуляторе автомобиля зимой.

Как повысить плотность если она низкая?

Поднимать эту характеристику приходится после неоднократного корректирования уровня жидкости в АКБ дистиллированной водой или в случае нехватки параметра для эксплуатации батареи в зимой. Явным признаком недостаточной концентрации серной кислоты является оледенение ячеек. Что делать если замерз электролит в аккумуляторе? Потребуется отогреть АКБ при комнатной температуре, после чего поставить на зарядку.

Внимание! Замерять плотность нужно только в полностью заряженной аккумуляторной батарее.

Помимо правильно проведенной полной зарядки существует еще такие способы поднятия плотности, как добавление концентрированного (корректирующего) электролита или кислоты.

Для корректировки понадобится:

• ареометр;
• мерная емкость;
• посуда для приготовления смеси;
• спринцовка;
• серная кислота или корректирующий электролит;
• дистиллированная вода.

Процедура проводится следующим образом:

1. Из ячеек батареи отбирается немного кислотного раствора и измеряются показатели кислотности.
2. Если надо увеличить плотность — доливается столько же корректирующего электролита, если уменьшить —добавляется дистиллированная вода.
3. После проведения процедуры со всеми ячейками АКБ ставится на зарядку стационарным устройством для смешивания жидкости.
4. По окончании зарядки надо подождать не меньше часа, чтобы плотность во всех секциях батареи выровнялась.
5. Проводится проверка показателей и в случае необходимости процедура повторяется с уменьшением шага разбавления вдвое.

Плотность между ячейками не должна отличаться сильнее, чем на 0,01 г/см³. Если добиться этого не вышло — необходимо провести выравнивающую зарядку малым током.

Что делать, когда плотность ниже 1,18 г/см

³

Чтобы зимой не замерзла вода в аккумуляторе нужно не допускать снижения плотности электролита. Если это значение преодолело критический минимум в 1,18 г/см³, то требуется добавление кислоты. Сама процедура проводится в том же порядке, что был описан ранее, только количество отбираемой и добавляемой жидкости необходимо сократить, чтобы не превысить значение первым доливом.

Важно! При изготовлении электролита нужно вливать кислоту в воду, и ни в коем случае не наоборот.

Что делать если электролит в аккумуляторе замерз, а после отогрева приобрел багровый цвет? К сожалению, такая батарея уже не сможет нормально работать зимой при температуре ниже 5°C. Скорее всего у такого АКБ осыпалась активная масса, что уменьшило рабочую поверхность пластин. Восстановить нормальные показатели у такого АКБ невозможно.

Поддержание количества электролита и его плотности на должном уровне существенно продлевает срок службы батареи, а также ее способность сопротивляться морозу и безпроблемно запускать двигатель автомобиля.

Плотность электролита в аккумуляторе — зимой и летом: таблица

Большая часть аккумуляторных батарей, которые продаются в России, относится к полуобслуживаемым. Это означает, что владелец может откручивать пробки, проверять уровень и плотность электролита и при необходимости доливать внутрь дистиллированную воду. Все кислотные АКБ, когда только поступают в продажу, заряжены, как правило, на 80 процентов. При покупке следите за тем, чтобы продавец выполнил предпродажную проверку, одним из пунктов которой является проверка плотности электролита в каждой из банок.

В сегодняшней статье на нашем портале Vodi.su мы рассмотрим понятие плотности электролита: что это такое, какой она должна быть зимой и летом, как ее повысить.

В кислотных АКБ в качестве электролита применяется раствор h3SO4, то есть серной кислоты. Плотность напрямую связана с процентным содержанием раствора — чем больше серы, тем она выше. Еще один немаловажный фактор — температура самого электролита и окружающего воздуха. Зимой плотность должна быть выше, чем летом. Если же она упадет до критической отметки, то электролит попросту замерзнет со всеми вытекающими последствиями.

Измеряется данный показатель в граммах на сантиметр кубический — г/см3. Измеряют ее при помощи простого прибора ареометра, который собой представляет стеклянную колбу с грушей на конце и поплавком со шкалой в середине. При покупке нового АКБ продавец обязан измерить плотность, она должна составлять, в зависимости от географической и климатической зоны, 1,20-1,28 г/см3. Допускается разница по банкам не более 0,01 г/см3. Если же разница больше, это свидетельствует о возможном коротком замыкании в одной из ячеек. Если же плотность одинаково низкая во всех банках, это говорит как о полном разряде батареи, так и о сульфатации пластин.

Помимо измерения плотности продавец должен также проверить, как аккумулятор держит нагрузку. Для этого применяют нагрузочную вилку. В идеале напряжение должно падать с 12 до девяти Вольт и держаться на этой отметке некоторое время. Если же оно падает быстрее, а электролит в одной из банок кипит и выделяет пар, значит от покупки этой АКБ следует отказаться.

Плотность в зимний и летний период

Более детально данный параметр для вашей конкретной модели АКБ нужно изучить в гарантийном талоне. Созданы специальные таблицы для различных температур, при которых электролит может замерзнуть. Так, при плотности 1,09 г/см3 замерзание происходит при -7°С. Для условий севера плотность должна превышать 1,28-1,29 г/см3, ведь при таком показателе температура его замерзания составляет -66°С.

Плотность обычно указывают для температуры воздуха +25°С. Она должна составлять для полностью заряженной батареи:

• 1,29 г/см3 — для температур в пределах от -30 до -50°С;
• 1,28 — при -15-30°С;
• 1,27 — при -4-15°С;
• 1,24-1,26 — при более высоких температурах.

Таким образом, если вы эксплуатируете автомобиль в летний период в географических широтах Москвы или Санкт-Петербурга, плотность может быть в пределах 1,25-1,27 г/см3. Зимой же, когда температуры опускаются ниже -20-30°С, плотность повышается до 1,28 г/см3.

Обратите внимание, что “повышать” ее искусственно никак не нужно. Вы попросту продолжаете пользоваться своим автомобилем в обычном режиме. А вот если АКБ быстро разряжается, имеется смысл провести диагностику и при необходимости поставить на зарядку. В случае же, если машина долго стоит на морозе без работы, АКБ лучше снять и унести в теплое место, иначе он от длительного простоя попросту разрядится, а электролит начнет кристаллизоваться.

Практические советы по эксплуатации АКБ

Самое основное правило, которое следует запомнить, — в батарею ни в коем случае нельзя заливать серную кислоту. Повышать плотность таким образом вредно, так как при повышении активизируются химические процессы, а именно сульфатации и коррозии, и уже через год пластины станут полностью ржавыми.

Регулярно проверяйте уровень электролита и при его падении доливайте дистиллированную воду. Затем АКБ нужно либо поставить на зарядку, чтобы кислота смешалась с водой, либо зарядить АКБ от генератора во время длительной поездки.

Если машину ставите «на прикол», то есть некоторое время не используете ее, то, даже если среднесуточные температуры опускаются ниже нуля, нужно позаботиться о том, чтобы АКБ был полностью заряжен. Это минимизирует риск замерзания электролита и разрушения свинцовых пластин.

При падении плотности электролита увеличивается его сопротивление, из-за чего, собственно, и затруднен запуск двигателя. Поэтому прежде, чем завести мотор, прогрейте электролит, включив на некоторое время фары или другое электрооборудование. Не забывайте также проверять состояние клемм и очищать их. Из-за плохого контакта пускового тока недостаточно для создания нужного крутящего момента.

Защита АКБ в сильные морозы

Аккумулятор – сердце автомобиля! Именно от АКБ зависит запуск двигателя и функционирование всех приборов в салоне, поэтому важно правильно эксплуатировать и обслуживать батарею. Некоторые автолюбители считают, что, в зависимости от времени года, нужно уменьшать или увеличивать номинальную плотность электролита. Разберемся, так ли это.

Стоит ли увеличивать номинальную плотность электролита с наступлением зимы?

Заводы-изготовители выпускают аккумуляторы с плотностью электролита в максимально заряженных АКБ: 1,27 – 1,28 г/см³. Для наших широт это оптимальная плотность, и регулировать ее не просто не рекомендуется, а даже запрещено. Плотность 1,27 г/см³ позволяет электролиту не замерзать до –60 °C. Конечно, если предстоит более суровая зима или требуется восстановить АКБ после сильной разрядки, плотность электролита увеличить придется, но не самостоятельно. Обратитесь к специалистам по обслуживанию автомобилей. Самостоятельно можно только корректировать уровень электролита дистиллированной водой, доливая до необходимого уровня. Увеличение номинальной плотности с помощью кислоты приводит к агрессивности среды, а, следовательно, к ускоренному осыпанию пластин аккумулятора. Лучше доведите уровень заряда аккумулятора перед сильными холодами до выравнивания плотности по банкам АКБ и показателей 1,27- 1,28 г/ см³ (в свинцовых аккумуляторах).

К чему приводит глубокая разрядка АКБ?

Если в теплое время можно завести авто только с наполовину заряженным аккумулятором, то перед началом зимы заряда должно быть не менее 80%. Причина в том, что при минусовых температурах смазка в АКБ густеет, приводя к ее разрядке. В морозы требуется больше энергии на запуск холодного двигателя, интенсивную работу бортовой системы, печки, видеорегистратора, магнитолы, фар и т.д. Бросая автомобиль в ледяном гараже, во дворе, на стоянке, редко используя его из-за гололеда или снегопада, мы способствуем накапливанию разряженности АКБ, в результате чего снижается и плотность электролита. Ионы оседают на пластинах АКБ, а вода, входящая в его состав, кристаллизуется, расширяется и разрушает изоляторы между пластинами соседних банок. Таким образом, разряженный аккумулятор во время морозов приводит к замерзанию электролита и разрушению свинцовых пластин! Мутный электролит в банках – сигнал о гибели аккумулятора.

Рекомендации по зарядке замерзшего аккумулятора.

Зимой подзаряжайте АКБ хотя бы два раза в месяц, а размороженную «реанимируйте» малыми токами. Для этого можно использовать правило трех пятерок: при температуре -5 нужно поставить АКБ на зарядку током 5А на 5 часов.
Если нет возможности занести аккумулятор в дом, для восстановления энергетического баланса батареи необходимо не менее часа интенсивной поездки.
Для карбюраторных автомобилей – при оборотах не менее 1500 об/мин, для инжекторных – не менее 800-1000 об/мин. Электролиту нужно время, чтобы хорошо прогреться и зарядиться.
Когда машину не удается завести из-за подморожения АКБ и глубокой разрядки, некоторые водители «прикуривают» свою АКБ от чужого аккумулятора. В этом случае она подвергается двойному пусковому току, пробивающему изоляторы между пластинами. Имейте в виду, что заводская экспертиза это увидит, и возврат АКБ не примет.
Перед тем как оставить автомобиль на несколько часов, убедитесь, что двери закрыты, а в салоне отключены все энергопотребляющие приборы. Не выключенные на ночь фары часто являются причиной разрядки аккумулятора.
Когда автомобиль предстоит оставить на морозе дольше 2 месяцев, обязательно проверьте все электрические системы машины на утечки, а лучше – снимите минусовую клемму. Снижение токов утечки до нуля оставят батарею заряженной на более долгий срок.
Потребитель должен следить за аккумулятором. Это прописано во всех гарантийных талонах, прилагаемых к АКБ. Заботьтесь о своем аккумуляторе, и он не подведет вас в дороге!

Эксплуатация авто аккумулятора зимой — AKBEXPERT

Какая плотность электролита должна быть зимой, и как подготовить аккумулятор к зиме?

Ответ:

Плотность электролита у полностью заряженной аккумуляторной батареи, предназначенной для эксплуатации в условиях умеренного климата в любое время года должна быть 1,27-1,30 г/см3 при температуре +25°С. При более высокой температуре электролита значение плотности должно быть ниже, а при более низкой температуре электролита, наоборот, — выше. В странах с тропическим климатом эксплуатируют батареи с более низкой плотностью электролита (1,22-1,24 г/см3). В условиях крайнего Севера, наоборот, требуется более высокая плотность электролита (1,30-1,32 г/см3). Перед началом зимнего периода необходимо проверить, чтобы батарея находилась в заряженном состоянии. Это обеспечит предохранение от замерзания электролита и обеспечит надежный пуск двигателя при отрицательных температурах. Именно в зимний период существенное влияние на работу АКБ будут оказывать слабо натянутый ремень генератора и повышенная утечка электроэнергии.

Если при запуске двигателя в зимнее время аккумулятор разрядился в «ноль», какие действия нужно предпринять?

Ответ:

В данном случае необходимо зарядить аккумулятор от стационарного зарядного устройства током малой величины. Сделать это следует не позднее, чем через 2-3 дня после глубокого разряда батареи.

Почему замерзает электролит?

Ответ:

При разряде АКБ плотность электролита снижается, 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.

Если замерз электролит, можно ли восстановить работоспособность аккумулятора?

Ответ:

Зависит от степени замерзания: если батарея замерзла не на весь объем, а корпус не подвергся деформации, ее можно восстановить. Необходимо, чтобы лед полностью растаял при комнатной температуре, и только потом приступить к заряду АКБ. При этом не избежать повреждения электродов и снижения токовых характеристик батареи.

Если в мороз перед запуском двигателя включить на короткое время фары автомобиля, поможет ли это облегчить запуск?

Ответ:

Нет. При данной процедуре эффект разогрева электролита ничтожен и не влияет на увеличение мощности разряда. Напротив, батарея может потерять драгоценную емкость и после этого не сможет запустить двигатель.

Почему в зимнее время рекомендуют аккумуляторы с более высокими пусковыми токами?

Ответ:

Холодный пуск имеет следующие особенности:

• Стартеру требуется больше времени для прокрутки двигателя.
• Сопротивление холодного двигателя в зимнее время увеличивается в 2,5-3 раза
• От АКБ требуется отдача большей мощности и энергии.
• Чем ниже температура окружающего воздуха, тем выше вязкость электролита и внутреннее сопротивление батареи.

Для обеспечения надежного пуска двигателя необходимо выбирать ту АКБ, которая при одних и тех же габаритных размерах имеет максимально высокие токи холодной прокрутки.

Пуск двигателя в зимнее время зависит только от АКБ?

Ответ:

Нет. Помимо технических характеристик и степени заряженности батареи, пуск двигателя зависит от следующих факторов:

1. состояния электропроводки и электрооборудования автомобиля;
2. состояния свечей;
3. состояния топливной системы и качества топлива;
4. качества масла;
5. опыта водителя.

По какой причине замерз аккумулятор?

Ответ:

Если замерзла только одна ячейка, то это, скорее всего, внутренний дефект батареи, который привел к снижению плотности и замерзанию электролита.

Если замерзла не одна ячейка в батарее, то здесь ответ один — батарея была разряжена. Причины могут быть разные, самая распространенная — частые запуски двигателя и короткие дистанции движения по городу. В результате батарея в холодную погоду просто не успевает заряжаться от генератора. Плотность электролита 1,21 г/см3 соответствует примерно 45%-ной степени заряженности батареи. По справочным данным электролит с такой плотностью замерзает при температуре около -30 0С.

Часто бывает ситуация: утром с нескольких попыток не завелась машина, и человек едет на работу на общественном транспорте. А разряженная батарея с низкой плотностью электролита до вечера замерзает.

Холодная погода и свои аккумуляторы.

Холодная погода все меняет.

Сейчас декабрь, и на большей части территории США нас ждут серьезные холода. Холод оказывает множество негативных эффектов на энергоснабжение вне сети и радиолюбительское оборудование. Если вы не учли холодную погоду, ваше снаряжение подведет вас, когда оно вам больше всего понадобится. В некоторых случаях отсутствие планирования в холодную погоду может привести к дорогостоящему ущербу. Сегодня мы обсудим влияние низких температур на ваше оборудование и аккумуляторы.Если вы живете в районе, где всегда тепло, я надеюсь, вы все равно останетесь с нами и получите полезную справочную информацию.

Радиоприемник на морозе.

Большинство современных радиоприемников достаточно хорошо переносят низкие температуры. Вы можете заметить, что в холодную погоду циферблаты не поворачиваются легко, а переключатели кажутся немного тяжелыми. ЖК-дисплеи также могут реагировать медленно / с задержкой, а батареи не работают так долго, как обычно. Спецификации, касающиеся рабочей температуры окружающей среды, имеют тенденцию быть щедрыми на высоком уровне и не столь щедрыми на низком уровне.Например, Yaesu FT-818 имеет указанный рабочий диапазон 14–140 ° F (от -10 ° C до + 60 ° C). Маловероятно, что вы когда-нибудь увидите 140F, но 14F — довольно обычное явление для многих из нас.

Принося радиоприемники с холода, некоторые радиолюбители настаивают на том, чтобы их оборудование нагрелось до комнатной температуры, прежде чем включать их. Это не так важно, как в те времена, когда в радиоприемниках были лампы. Современная ветчина должна беспокоить конденсации. Если на вашей радиостанции собирается конденсат, когда ее приносят с холода, дайте ей полностью высохнуть, прежде чем включать.Имейте в виду, что внутренностям радиоприемника потребуется больше времени, чтобы нагреться и рассеять воду, чем внешним поверхностям. Холод не убивает радио… а вода убивает!

Залитые батареи и холода.

Это помогает понять, как температура влияет на химический состав и емкость затопленных аккумуляторов. Типичный полностью заряженный залитый аккумулятор будет иметь плотность электролита около 1,265, измеренную ареометром. Важно знать, что 1.265 предполагает стандартную базовую температуру батареи 80F (27C).Чтобы компенсировать температуру, вычтите 0,004 на каждые десять градусов ниже 80F (27C).

Например, у вас полностью заряженный аккумулятор с температурой электролита 50F (10C). Делаем математику:

1,265 (измеренная плотность электролита аккумулятора)

-0,012 (0,004 x 3 с учетом разницы между стандартизованной базовой температурой и фактической температурой)

= 1,253 (измерение плотности с поправкой на температуру)

Плотность 1,253 соответствует примерно 92% -95% для нашей «полностью заряженной» залитой батареи при температуре 50F (10C).Ссылаясь на таблицу ниже, от 50F вниз спад становится более заметным. Некоторые солнечные контроллеры имеют отдельный датчик температуры. Этот датчик подключается к клемме аккумулятора и позволяет контроллеру изменять ток или напряжение для компенсации температуры. Эти устройства работают до определенной степени, но реалии химии нельзя полностью отрицать. В холодную погоду ваш залитый аккумулятор просто теряет емкость.

Кривая температуры залитой аккумуляторной батареи. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДОСТАВЛЕНИЕ ROLLS BATTERY USA.

Залитые батареи и фактор замерзания.

По мере того, как плотность электролита изменяется в зависимости от цикла заряда-разряда, изменяется и его температура замерзания. Это существенно повлияет на вашу залитую батарею.

Электролит в полностью заряженной батарее замерзает около -80F (-62C). Скорее всего, вы никогда этого не увидите, но разряженная батарея замерзнет при температуре около 20F (-7C). Имейте в виду, что эти числа относятся к точке замерзания электролита, но не обязательно к допустимым рабочим температурам.Если аккумулятор физически замерзнет, ​​он, скорее всего, разрядится навсегда.

В холодную погоду залитые аккумуляторные батареи разряжаются дольше. Это может показаться плюсом, но помните, что вы теряете часть своей общей емкости из-за холода. Это сделка с нулевой суммой. На другом конце цикла перезарядка холодных батарей также занимает больше времени.

Примите тот факт, что чем ниже температура, тем дольше заряжаются залитые аккумуляторные батареи и тем меньше их емкость. Держите их как можно ближе к «золотому пятну» 80F (27C).

AGM, SLA и гелевые батареи.

Я объединяю в одну группу коврик из абсорбированного газа (AGM), герметичные свинцово-кислотные (SLA) и гелевые батареи, потому что они являются родственниками друг друга и имеют схожие характеристики.

Тем не менее, на удивление сложно найти надежные данные о том, как эти батареи реагируют на холодную погоду. Я нашел одно исследование, которое показало, что AGM / гелевые батареи могут терять до 76% своей емкости при -4F (-20C). Хорошая новость заключается в том, что если аккумуляторы физически не заморозятся (чего не происходит до -75F или -60C), они восстановят свою полную емкость, как только снова нагреются.

По большинству показателей аккумуляторы AGM / SLA / гелевые не намного лучше в холодную погоду, чем затопленные версии. Многие производители рекомендуют вообще не заряжать аккумулятор, если он ниже 32F (0C). Это, конечно, огромная проблема для многих радиолюбителей вне сети. С другой стороны, небольшие AGM / SLA / гелевые батареи, обычно используемые радиолюбителями, относительно недороги. Если их нужно заменять каждый год или около того из-за злоупотреблений, это не большие финансовые затраты.

Вот несколько советов по использованию вашей AGM / SLA / гелевой батареи в холодную погоду:

• По возможности держите температуру выше 32F (0C).
• Избегайте зарядки при температуре ниже 32F (0C).
• Используйте зарядное устройство или контроллер заряда, предназначенные для аккумуляторов AGM / SLA / гелевых. Многие контроллеры солнечного заряда имеют выбираемые пользователем настройки для различных типов батарей.

Литиевые батареи.

Как и в случае с другими, есть хорошие и плохие новости относительно литиевых батарей в холодную погоду.

Хорошая новость заключается в том, что они не показывают потери мощности из-за холода, как другие типы.При 32F (0C) литиевая батарея обычно разряжает около 17% своего заряда. При -4F (-20C) типичная литиевая батарея будет иметь 70% своей емкости. В этом отношении литиевые батареи явно превосходят другие типы батарей вплоть до 0F (-17C). Эти факторы, а также превосходная плотность энергии делают литиевые батареи фаворитом многих радиолюбителей.

ГРАФИКА ПРЕДОСТАВЛЕНЫ SMARTBATTERY

Плохая новость заключается в том, что литиевые батареи очень легко повредить, если они заряжаются при температуре ниже 32F (0C).Явление, известное как покрытие лития , может происходить во время процесса зарядки. Холод заставляет литий накапливаться на поверхности графитового анода, а не поглощаться им. Как только это произойдет, это необратимо. Аккумулятор можно полностью вывести из строя, если зарядить его холодной даже один раз.

Решения для зарядки лития на морозе.

Что ты умеешь? Одна из возможностей — резко снизить зарядный ток. Хотя в теории это звучит просто, на практике это сложно.Если ваша электроника на батарее не может связываться с зарядным устройством и давать ему команду на снижение тока в зависимости от температуры, это нереалистичное решение. Тем не менее, технология существует для тех, кто хочет пойти по этому пути. Даже в этом случае у вас будет больше времени зарядки.

Менее сложный вариант — нагреть аккумулятор до температуры выше 32F (0C) перед зарядкой. Согрейте аккумулятор в машине, кемпере, палатке или даже собственным теплом, если он достаточно мал, чтобы носить его в кармане.

По собственному опыту я обнаружил, что довольно легко предохранить литиевые батареи от слишком низких температур для зарядки.Я живу в районе Верхнего Среднего Запада / Великих озер США, и, поверьте мне, у нас есть множество возможностей проверить пределы возможностей нашего снаряжения в холодную погоду! Хотя температурные ограничения для литиевых батарей кажутся очень обременительными, при некоторой предусмотрительности это не проблема.

Что мы узнали сегодня.

• Радиооборудование обычно выдерживает низкие температуры до тех пор, пока оно остается сухим.
• Холодная погода отрицательно сказывается на работе всех аккумуляторов.
• Плотность электролита в залитых батареях имеет коэффициент температурной компенсации -0.004 на каждые десять градусов ниже 80F (62C).
• Температура замерзания электролита зависит от степени заряда.
• Никогда не допускайте физического замерзания залитых аккумуляторных батарей.
• AGM / SLA / гелевые батареи имеют такую ​​же потерю емкости при низких температурах, как и заливные батареи.
• Замерзание не вызывает долговременного повреждения AGM / SLA / гелевых аккумуляторов.
• Низкие температуры не влияют на литиевые батареи так сильно, как другие типы батарей.
• Зарядка литиевой батареи при температуре ниже 32F (0C) может привести к ее необратимому повреждению.
• Литиевое покрытие — это состояние, при котором литий связывается с поверхностью графитового анода.

Ресурсы.

Этот очень красивый одностраничный список от Canada Battery предлагает несколько отличных советов по работе с батареями AGM.

НАСА выпустило очень интересный и подробный PDF-файл о литиевом покрытии. Этому документу девять лет, и с тех пор появились новые разработки, но представленные основные концепции все еще остаются в силе.

Вот несколько предыдущих статей о Off Grid Ham , которые предоставляют дополнительную информацию:

Литиевые батареи

AGM батареи

Уход и обслуживание залитых аккумуляторных батарей.

Сколько батареи вам действительно нужно?

Как это:

Нравится Загрузка …

Влияние температуры на батареи — Intercel Services B.V.

Емкость батареи (сколько ампер-часов она может удерживать) уменьшается при понижении температуры и увеличивается при повышении температуры. Вот почему аккумулятор вашего автомобиля умирает холодным зимним утром, хотя накануне днем ​​он работал нормально. Если ваши батареи проводят часть года дрожа на морозе, уменьшенную емкость необходимо учитывать при выборе размеров системных батарей.Стандартный номинал для батарей — при комнатной температуре 25 градусов C (около 77 F). Примерно при -22 градусах по Фаренгейту (-30 C) емкость аккумулятора в Ач падает до 50%. При заморозке емкость снижается на 20%. Емкость увеличивается при более высоких температурах — при 122 градусах по Фаренгейту емкость аккумулятора будет примерно на 12% выше.

Широкий диапазон температур

Напряжение зарядки аккумулятора также изменяется в зависимости от температуры. Оно будет варьироваться от 2,74 В на элемент (16,4 В) при -40 ° C до 2,3 В на элемент (13.8 вольт) при 50 C. Вот почему вы должны иметь температурную компенсацию на зарядном устройстве для свинцово-кислотных аккумуляторов или контроль заряда, если ваши аккумуляторы находятся на улице и / или подвержены сильным колебаниям температуры.

Внутренняя температура батареи

Термическая масса означает, что из-за большой массы они изменяют внутреннюю температуру намного медленнее, чем температура окружающего воздуха. Большой изолированный аккумуляторный блок может внутренне изменяться всего на 10 градусов в течение 24 часов, даже если температура воздуха колеблется от 20 до 70 градусов.По этой причине внешние (дополнительные) датчики температуры должны быть прикреплены к одной из ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ пластинчатых клемм и немного связаны с какой-либо изоляцией на клеммах. Затем датчик будет показывать очень близкую к фактической внутренней температуре батареи.

Срок службы батареи сокращается при повышении температуры

Несмотря на то, что емкость аккумулятора при высоких температурах выше, срок его службы сокращается. Емкость аккумулятора уменьшается на 50% при -22 градусах по Фаренгейту, но СРОК СЛУЖБЫ аккумулятора увеличивается примерно на 60%.Срок службы батареи сокращается при более высоких температурах — на каждые 15 градусов по Фаренгейту свыше 77 срок службы батареи сокращается вдвое. Это справедливо для ЛЮБОГО типа свинцово-кислотных аккумуляторов, будь то герметичные, гелевые, AGM, промышленные или любые другие. На самом деле это не так плохо, как кажется, так как батарея имеет тенденцию усреднять хорошие и плохие времена.

Последнее замечание о температурах — в некоторых местах с очень холодными или жаркими условиями могут продаваться на месте батареи, которые НЕ имеют стандартной концентрации электролита (кислоты).Электролит может быть более сильным (для холодного) или более слабым (для очень жаркого) климата. В таких случаях удельный вес и напряжения могут отличаться от того, что мы показываем.

Просмотреть все часто задаваемые вопросы

Полностью заряженная батарея — обзор

Состояние заряда

Состояние заряда обычно определяется как фактически доступное количество заряда в данной батарее ( Q ), связанное с максимально доступным количеством заряда, которое может быть получен от этой батареи после 100% полной зарядки ( C ) и обычно выражается в процентах:

[1] SoC = фактически доступное количество заряда (Q) максимально доступное количество заряда (C) × 100 %

Это определение LAB не является ясным и однозначным.Причина этого в том, что оба используемых значения, эталонное значение «максимально доступное количество заряда», так называемая «емкость аккумулятора» и «фактически доступное количество заряда» могут быть определены и соответственно измерены различными способами.

Эталонный тест для Q — это разряд с определенным заданным током до заданного напряжения отсечки при определенной заданной температуре батареи. Эталонным тестом емкости батареи C является полная зарядка с последующей разрядкой в ​​условиях, аналогичных описанным ранее.В зависимости от скорости разрядного тока, температуры батареи, напряжения отключения и определения «полного заряда» могут быть получены разные значения для Q , C и, следовательно, для SoC.

Для понимания определения SoC «полная зарядка» должна быть определена в первую очередь. Как правило, это определяется процедурой зарядки, приводящей к полностью заряженной батарее. Однако «полный» не является «полным» и сильно зависит от установленной процедуры начисления. Вот некоторые часто используемые определения «полностью заряженной батареи»:

•

Физическая полная означает, что все доступные активные массы находятся в заряженном состоянии.В новых аккумуляторах для зарядки доступны все активные массы. В старых батареях части активных масс могут ослабнуть из-за эрозии, могут быть недоступны для тока заряда из-за коррозионных слоев на электродах или могут быть преобразованы в необратимые сульфаты и, следовательно, больше не доступны для зарядки. Физическое наполнение достигается в тот момент, когда дополнительный зарядный ток используется на 100% для побочных реакций, таких как выделение газов или коррозия.

•

Номинальная полная мощность достигается при применении процедуры зарядки, предписанной производителем батареи или данным стандартом.Для новых аккумуляторов это обычно почти такое же состояние, как и полное физическое. Например, в старых батареях крупнозернистые кристаллы сульфата свинца образуются во время работы или из-за процессов перекристаллизации. Эти кристаллы часто не могут быть растворены стандартными процедурами зарядки. Следовательно, части активных масс остаются в разряженном состоянии после номинальной полной зарядки. Для достижения физического полного состояния необходимо применять модифицированные стратегии зарядки, такие как зарядка при повышенных температурах или в течение более длительных периодов времени.Например, международный стандарт (EN 50342–1: 2006) для шестиэлементных залитых батарей стартер-свет-зажигание (SLI) определяет номинальный заряд CCCV-заряда на 25-35 ° C и (16,00 ± 0,01) В с ограничение тока 5 I _{номинальное} на 24 ч. В старых батареях после этой процедуры зарядки может оставаться некоторое количество сульфата свинца. Они могут широко раствориться, если применяется дополнительная зарядка минимум на 40 ° C.

•

Рабочий полный определяется как максимально возможный SoC батареи, который может быть достигнут в полевых условиях в данном приложении.Номинальные условия заряда часто не могут применяться к батареям, которые используются в реальных приложениях, из-за конструкции системы, ограничений, касающихся максимального напряжения заряда, температуры батареи и доступного времени зарядки. В результате аккумулятор, новый или старый, не может даже достичь номинального состояния полной зарядки. Например, в обычных транспортных средствах напряжение в системе обычно не может превышать примерно 15 В (что ниже 16 В, определенного для номинального заряда), а периоды заряда ограничиваются временем вождения (обычно намного меньше, чем 24 часа за один раз), так что даже свежий SLI аккумулятор не может быть полностью заряжен по номиналу.

Как следует из эталонных испытаний для C и Q , батарея определяется как разряженная, когда путем ее разрядки с определенным номинальным током при определенной температуре достигается заранее заданное напряжение отсечки. Процедура разряда с указанными параметрами называется стандартным испытанием емкости. Это определение более практично, чем физически полностью разряженная батарея, где все активные массы находятся в разряженном состоянии, по нескольким причинам.Во-первых, ЛАБ нельзя полностью разгрузить физически, не нанеся ей необратимого повреждения. Во-вторых, в большинстве приложений батарея должна обеспечивать определенный уровень напряжения, даже если она «разряжена». В-третьих, полная физическая разрядка будет длиться почти бесконечно долго. Изготовитель или пользователь батареи может определить номинальную скорость разряда, напряжение в конце разряда и температуру. Поэтому необходимо упомянуть параметры для определения емкости с помощью теста емкости.В противном случае результаты несопоставимы.

После четкого определения значений «полная» и «разряженная» батарея, можно ввести различные однозначные определения емкости батареи:

•

Номинальная емкость или номинальная емкость C _N . Номинальная или номинальная емкость — это значение емкости, указанное производителем при номинальных условиях эксплуатации (определяемое температурой, разрядным током и напряжением в конце разрядки, аналогично стандартному испытанию емкости).

•

Начальная производительность C ₀ . Первоначальная емкость — это измеренная емкость новой батареи. Эталонное измерение состоит из номинальной полной зарядки с последующим стандартным испытанием емкости, как определено выше. Для данной лаборатории это значение может быть немного выше или ниже номинальной емкости C _N из-за производственных допусков, систематического завышения размеров производителем или отсутствия циклов инициализации, которые могут увеличить емкость в начале срока службы.

•

Фактическая вместимость C _a . Фактическая емкость — это измеренная емкость батареи в ее текущем состоянии. Эталонное измерение такое же, как и для начальной емкости. Следовательно, для новой батареи C _a = C ₀ . В случае устаревших батарей C _{a 0} из-за процессов старения, которые приводят к потере емкости. Однако это не всегда верно во всех случаях.Некоторые LAB показывают увеличение фактической мощности C, , _и за несколько месяцев или даже лет. Это особенно заметно для свинцово-кислотных аккумуляторов с регулируемым клапаном (VRLA).

•

Доступная емкость C _{в среднем} . Доступная емкость — это емкость данной новой или устаревшей батареи, доступная для данного приложения. Эталонное измерение часто представляет собой рабочий полный заряд с последующим разрядом с номинальным током до тех пор, пока не будет достигнуто определяемое приложением напряжение конца разряда при фактической температуре батареи.

Теперь можно определить SoC, но перед этим следует отметить важный момент.

Общее определение SoC согласно формуле [1] полезно, когда SoC необходимо измерить с помощью эталонных тестов, потому что для обоих значений, Q и C , количество заряда может быть рассчитано во время разряда как ток разряда. умножается на время разряда. Если необходимо настроить определенную SoC (так, чтобы батарея имела определенное количество заряда Q ), невозможно разрядить LAB, пока она не станет пустой, а затем зарядить ее снова и вычислить сохраненный объем заряда путем интеграции заряда Текущий.Причина в том, что из-за более высокого напряжения батареи во время зарядки значительная часть зарядного тока переходит в реакцию выделения газа, и, таким образом, фактически накопленный заряд ниже, чем рассчитанный путем интегрирования зарядного тока. Следовательно, чтобы установить определенную SoC батареи, она должна быть полностью заряжена (до 100% SoC), а затем определенное количество заряда должно быть снято с батареи путем разрядки, так что

[2] SoC = максимально доступное количество заряда (C) — снятое количество заряда (Qd) максимальное доступное количество заряда (C) × 100%

Это фактически немного другое определение SoC, но если C , Q и Q _d измеряются при одинаковых условиях разряда (температура, ток разряда, напряжение в конце разряда и тот же возраст батареи), тогда

[3] C = Q + Qd

, и это определение SoC эквивалентно определению, данному в уравнении [1].

Если упоминается «SoC», обычно имеется в виду фактическая доступная емкость, связанная с номинальной емкостью C _N . Поскольку C _N часто не является измеренным значением для данной батареи, условие [3] не выполняется. В этом случае с помощью формул [1] или [2] можно получить разные значения для SoC. С этой точки зрения для новой батареи SoC, относящаяся к начальной емкости ( C, ₀ ), более предпочтительна, поскольку выполняется условие [3].

Например, свежая батарея SLI номинальной емкостью C _N = 100 Ач. Батарея может иметь начальную емкость C, ₀ = 105 Ач. В этом случае, если аккумулятор должен быть настроен на 50% SoC (относится к C _N ), тогда Q _d = 50 Ач должно быть разряжено от аккумулятора в соответствии с уравнением [2]. Однако, разрядив аккумулятор в номинальных условиях, можно извлечь из аккумулятора емкость 55 Ач до полного разряда.Это будет означать, что SoC (относящаяся к C _N ) согласно определению [1] составляет 55%.

Для устаревших батарей SoC, относящаяся к начальной емкости, и использование определений [1] или [2] не будет согласованным. В этом случае следует использовать SoC, относящуюся к фактической емкости (SoC _a ). По той же причине в приложении только SoC, связанная с доступной емкостью (SoC _av ) с использованием определений [1] и [2], является правильным.

Связь между различными SoC можно пояснить на примере, показанном на рисунке 1.В этом примере дан старый LAB с начальной емкостью C, ₀ = 100 Ач. Из-за крупных кристаллов сульфата свинца физический полный заряд не может быть получен в течение ограниченного времени процедуры номинального заряда. Таким образом, емкость 5Ач остается незаряженной. При заданных критериях напряжения в конце разряда батарея имеет меньшую емкость из-за старения по сравнению с новой батареей. В этом примере это составляет дополнительную потерю емкости в 20 Ач. В результате получается фактическая емкость C, _a = 75 Ач.SoC _окно между 0% и 100% может быть сопоставлено с окном SoC ₀ между 20% и 95%. В некоторых приложениях доступная емкость аккумулятора может составлять только C _av = 65 Ач, поскольку при полной зарядке остается значительное количество активных масс в разряженном состоянии. SoC _av может быть сопоставлен с окном SoC ₀ между 20% и 85%, или, другими словами, в данном приложении аккумулятор может работать только между 20% и 85% от SoC относительно его начальной емкости.

Рисунок 1. Схематическая визуализация отношений между различными определениями состояния заряда (SoC).

Все приведенные выше определения емкости и SoC всегда принимают номинальную температуру или, по крайней мере, аналогичную температуру как должное. Поскольку температура оказывает значительное влияние на емкость батареи, другие значения этих показателей качества могут быть получены при других температурах.

Еще хуже упомянуть, что может возникнуть другая проблема с точным определением SoC.Из-за разной скорости побочных реакций в положительном и отрицательном электродах может случиться так, что SoC двух электродов будет отклоняться. Как правило, SoC определяется для батареи в целом, но для некоторых целей важны индивидуальные характеристики электродов. Схожей с этой проблемой является неоднородный SoC ячеек в последовательном соединении. Как правило, температура клеток не одинакова, поэтому побочные реакции протекают с разной скоростью; следовательно, SoC ячеек отклоняется.

Свинцово-кислотные батареи | PVEducation

5 свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи — наиболее часто используемый тип батарей в фотоэлектрических системах. Хотя свинцово-кислотные батареи имеют низкую плотность энергии, умеренный КПД и высокие требования к техническому обслуживанию, они также имеют длительный срок службы и низкие затраты по сравнению с батареями других типов. Одним из исключительных преимуществ свинцово-кислотных аккумуляторов является то, что они являются наиболее часто используемой формой аккумуляторов для большинства аккумуляторных батарей (например, для запуска двигателей автомобилей) и, следовательно, имеют хорошо зарекомендовавшую себя зрелую технологическую базу.

Рисунок: Изменение напряжения в зависимости от степени заряда для нескольких различных типов батарей.

Свинцово-кислотная батарея состоит из отрицательного электрода из губчатого или пористого свинца. Свинец пористый, что способствует образованию и растворению свинца. Положительный электрод состоит из оксида свинца. Оба электрода погружены в электролитический раствор серной кислоты и воды. В случае, если электроды входят в контакт друг с другом в результате физического движения батареи или изменения толщины электродов, два электрода разделяет электрически изолирующая, но химически проницаемая мембрана.Эта мембрана также предотвращает короткое замыкание через электролит. Свинцово-кислотные батареи накапливают энергию за счет обратимой химической реакции, показанной ниже.

Общая химическая реакция:

PbO2 + Pb + 2h3SO4⇔заряженный разряд2PbSO4 + 2h3O

На отрицательной клемме реакции заряда и разряда:

Pb + SO42-заряженныйразрядPbSO4 + 2e-

На положительном выводе реакции заряда и разряда:

PbO2 + SO42- + 4H ++ 2e-заряженный разрядPbSO4 + 2h3O

Как показывают приведенные выше уравнения, разрядка батареи вызывает образование кристаллов сульфата свинца как на отрицательной, так и на положительной клеммах, а также высвобождение электронов из-за изменения валентного заряда свинца.При образовании этого сульфата свинца используется сульфат сернокислотного электролита, окружающего аккумулятор. В результате электролит становится менее концентрированным. Полный разряд приведет к тому, что оба электрода будут покрыты сульфатом свинца и водой, а не серной кислотой, окружающей электроды. При полном разряде два электрода выполнены из одного и того же материала, и между двумя электродами отсутствует химический потенциал или напряжение. На практике, однако, разряд прекращается при напряжении отсечки, задолго до этого момента.Поэтому аккумулятор не должен разряжаться ниже этого напряжения.

Между полностью разряженным и заряженным состояниями свинцово-кислотная батарея будет испытывать постепенное снижение напряжения. Уровень напряжения обычно используется для обозначения степени заряда аккумулятора. Зависимость аккумулятора от уровня заряда показана на рисунке ниже. Если аккумулятор остается на низком уровне заряда в течение длительного периода времени, могут вырасти крупные кристаллы сульфата свинца, что необратимо снижает емкость аккумулятора.Эти более крупные кристаллы не похожи на типичную пористую структуру свинцового электрода, и их трудно превратить обратно в свинец.

В результате реакции зарядки сульфат свинца на отрицательном электроде превращается в свинец. На положительном конце реакция превращает свинец в оксид свинца. В качестве побочного продукта этой реакции выделяется водород. Во время первой части цикла зарядки преобладающей реакцией является превращение сульфата свинца в свинец и оксид свинца. Однако по мере того, как происходит зарядка и большая часть сульфата свинца превращается либо в свинец, либо в диоксид свинца, зарядный ток электролизирует воду из электролита, и выделяются водород и газообразный кислород, процесс, известный как «выделение газа» из батареи.Если ток подается в батарею быстрее, чем может быть преобразован сульфат свинца, то выделение газа начинается до того, как весь сульфат свинца будет преобразован, то есть до того, как батарея будет полностью заряжена. Газообразование создает несколько проблем в свинцово-кислотной батарее. Газовыделение батареи не только вызывает проблемы безопасности из-за взрывоопасной природы производимого водорода, но также снижает количество воды в батарее, которую необходимо заменять вручную, вводя в систему компонент для обслуживания.Кроме того, выделение газа может вызвать отделение активного материала от электролита, что приведет к необратимому снижению емкости аккумулятора. По этим причинам аккумулятор не следует регулярно заряжать выше напряжения, которое вызывает газообразование. Напряжение газовыделения изменяется в зависимости от скорости заряда.

Сульфат свинца является изолятором, и поэтому способ образования сульфата свинца на электродах определяет, насколько легко можно разрядить аккумулятор.

Для большинства систем возобновляемой энергии наиболее важными характеристиками батареи являются срок службы батареи, глубина разряда и требования к обслуживанию батареи.Этот набор параметров и их взаимосвязь с режимами зарядки, температурой и возрастом описаны ниже.

Глубина разряда в сочетании с емкостью батареи является фундаментальным параметром в конструкции блока батарей для фотоэлектрической системы, поскольку энергия, которая может быть извлечена из батареи, определяется умножением емкости батареи на глубину разряда. Батареи классифицируются как батареи глубокого или мелкого цикла. Глубина разряда батареи глубокого цикла может превышать 50%, а может достигать 80%.Чтобы достичь той же полезной емкости, аккумуляторная батарея с малым циклом должна иметь большую емкость, чем аккумуляторная батарея с глубоким циклом.

Помимо глубины разряда и номинальной емкости аккумулятора, мгновенная или доступная емкость аккумулятора сильно зависит от скорости разряда аккумулятора и рабочей температуры аккумулятора. Емкость аккумулятора падает примерно на 1% на градус ниже примерно 20 ° C. Однако высокие температуры также не идеальны для аккумуляторов, поскольку они ускоряют старение, саморазряд и расход электролита.На приведенном ниже графике показано влияние температуры и скорости разряда аккумулятора на емкость аккумулятора.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, температурой и скоростью разряда.

Со временем емкость батареи снижается из-за сульфатирования батареи и выделения активного материала. Ухудшение емкости аккумулятора наиболее сильно зависит от взаимосвязи следующих параметров:

• режим зарядки / разрядки аккумулятора
• DOD батареи за весь срок ее службы
• его подверженность длительным периодам низкого разряда
• средняя температура батареи за весь срок службы

На следующем графике показано изменение функции аккумулятора в зависимости от количества циклов и глубины разряда для свинцово-кислотных аккумуляторов с поверхностным циклом.Свинцово-кислотная батарея глубокого разряда должна иметь срок службы более 1000 циклов даже при глубине разряда более 50%.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, глубиной разряда и сроком службы для батареи с малым циклом разряда.

Помимо DOD, режим зарядки также играет важную роль в определении срока службы батареи. Перезаряд или недозаряд батареи приводит либо к потере активного материала, либо к сульфатированию батареи, что значительно сокращает срок ее службы.

Рисунок: Влияние режима зарядки на емкость аккумулятора.

Окончательное влияние на зарядку аккумулятора связано с температурой аккумулятора. Хотя емкость свинцово-кислотной батареи снижается при работе при низких температурах, работа при высоких температурах увеличивает скорость старения батареи.

Рисунок: Взаимосвязь между емкостью батареи, температурой и сроком службы батареи глубокого цикла.

Кривые разряда при постоянном токе для свинцово-кислотной батареи емкостью 550 Ач при различных скоростях разряда с предельным напряжением 1.85 В на ячейку (Mack, 1979). Более длительное время разряда увеличивает емкость аккумулятора.

Производство водорода и кислорода из батареи приводит к потере воды, поэтому в свинцово-кислотных батареях необходимо регулярно заменять воду. Другие компоненты аккумуляторной системы не требуют регулярного обслуживания, поэтому потеря воды может стать серьезной проблемой. Если система находится в удаленном месте, проверка потери воды может увеличить затраты. Батареи, не требующие обслуживания, ограничивают потребность в регулярном внимании, предотвращая или уменьшая количество газа, выходящего из батареи.Однако из-за коррозионной природы электролита все батареи в некоторой степени вносят дополнительный компонент для технического обслуживания в фотоэлектрическую систему.

Свинцово-кислотные батареи обычно имеют кулоновский КПД 85% и КПД по энергии порядка 70%.

В зависимости от того, какая из вышеперечисленных проблем является наиболее важной для конкретного приложения, соответствующие модификации базовой конфигурации батареи улучшают ее характеристики. В случае использования возобновляемых источников энергии указанные выше проблемы повлияют на глубину разряда, срок службы батареи и требования к техническому обслуживанию.Изменения в батарее обычно включают модификацию в одной из трех основных областей:

• Изменения в составе и геометрии электродов
• замен на раствор электролита
• модификации корпуса или клемм аккумуляторной батареи для предотвращения или уменьшения утечки образующегося газообразного водорода.

Залитые свинцово-кислотные батареи характеризуются длительным циклом работы и длительным сроком службы. Однако залитые батареи требуют периодического обслуживания. Необходимо не только регулярно контролировать уровень воды в электролите, измеряя его удельный вес, но эти батареи также требуют «ускоренной зарядки».

Ускоренная зарядка

Ускоренная или выравнивающая зарядка включает в себя периодическую кратковременную перезарядку, при которой выделяется газ и смешивается электролит, предотвращая расслоение электролита в батарее. Кроме того, ускоренная зарядка также помогает поддерживать одинаковую емкость всех аккумуляторов. Например, если одна батарея развивает более высокое внутреннее последовательное сопротивление, чем другие батареи, тогда батарея с более низким SR будет постоянно недозаряжаться во время нормального режима зарядки из-за падения напряжения на последовательном сопротивлении.Однако, если батареи заряжаются более высоким напряжением, это позволяет полностью зарядить все батареи.

Удельный вес (SG)

Залитая батарея подвержена потере воды из электролита из-за выделения водорода и кислорода. Удельный вес электролита, который можно измерить ареометром, укажет на необходимость добавления воды в батареи, если батареи полностью заряжены. В качестве альтернативы ареометр точно укажет уровень заряда батареи, если известно, что уровень воды правильный.SG периодически измеряется после ускоренной зарядки, чтобы убедиться, что в батарее достаточно воды в электролите. Удельный вес батареи должен быть предоставлен производителем.

Особые рекомендации для гелевых герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов

Свинцово-кислотные батареи

в гелеобразном состоянии или AGM (которые обычно герметичны или регулируются с помощью клапана) имеют несколько потенциальных преимуществ:

• они могут быть подвергнуты глубокому циклу с сохранением срока службы батареи
• они не нуждаются в ускоренной зарядке
• они требуют меньшего обслуживания.

Однако эти батареи обычно требуют более точного режима зарядки и более низкого напряжения. Режим зарядки с более низким напряжением обусловлен использованием свинцово-кальциевых электродов для минимизации выделения газов, но требуется более точный режим зарядки, чтобы минимизировать выделение газов от батареи. Кроме того, эти батареи могут быть более чувствительными к колебаниям температуры, особенно если режим зарядки не компенсирует температуру или не предназначен для этих типов батарей.

Батарея для фотоэлектрической системы будет рассчитана на определенное количество циклов при определенном DOD, режиме зарядки и температуре.Однако батареи могут преждевременно терять емкость или внезапно выходить из строя по разным причинам. Внезапный отказ может быть вызван внутренним коротким замыканием батареи из-за отказа электрического разделителя внутри батареи. Короткое замыкание в батарее снизит напряжение и емкость всего блока батарей, особенно если секции батареи подключены параллельно, а также приведет к другим потенциальным проблемам, таким как перезаряд оставшихся батарей.Батарея также может выйти из строя из-за разрыва цепи (то есть может происходить постепенное увеличение внутреннего последовательного сопротивления), и любые батареи, подключенные последовательно с этой батареей, также будут затронуты. Замораживание аккумулятора, в зависимости от типа используемого свинцово-кислотного аккумулятора, также может вызвать необратимый выход аккумулятора из строя.

Постепенное снижение емкости может усугубляться неправильной эксплуатацией, в частности, ухудшением DOD. Однако работа одной части аккумуляторной батареи в условиях, отличных от другой, также приведет к снижению общей емкости и увеличению вероятности отказа батареи.Батареи могут непреднамеренно эксплуатироваться в разных режимах либо из-за колебаний температуры, либо из-за выхода из строя батареи в одной цепочке батарей, что приводит к неравномерной зарядке и разрядке в цепочке.

Установка

Батареи должны устанавливаться в соответствии с действующими стандартами страны, в которой они устанавливаются. В настоящее время существуют австралийские стандарты AS3011 и AS2676 для установки батарей. Существует также проект стандарта для батарей для приложений RAPS, который в конечном итоге станет австралийским стандартом.

Среди других факторов, которые необходимо учитывать при установке аккумуляторной системы, являются вентиляция, необходимая для конкретного типа аккумуляторной батареи, условия заземления, на которых должна быть размещена аккумуляторная батарея, и меры, принятые для обеспечения безопасности тех, кто может иметь доступ к аккумуляторной батарее. Кроме того, при установке блока батарей необходимо следить за тем, чтобы температура батареи находилась в пределах допустимых условий эксплуатации батареи и чтобы температура батарей в большем блоке батарей была такой же.Батареи в очень холодных условиях могут замерзать при низком уровне заряда, поэтому зимой вероятность того, что батарея будет разряжена, будет более низкой. Чтобы предотвратить это, аккумуляторную батарею можно закопать под землю. Аккумуляторы, регулярно подвергающиеся воздействию высоких рабочих температур, также могут иметь сокращенный срок службы.

Батареи потенциально опасны, и пользователи должны знать о трех основных опасностях: Серная кислота в электролите вызывает коррозию. При работе с батареями важна не только защита ног и глаз, но и защитная одежда.

Батареи могут генерировать большой ток. Если металлический предмет случайно попадает на клеммы батареи, через этот предмет могут протекать большие токи. При работе с батареями следует свести к минимуму присутствие ненужных металлических предметов (например, украшений), а инструменты должны иметь изолированные ручки.

Взрывоопасность из-за выделения водорода и кислорода. Во время зарядки, особенно при перезарядке, некоторые батареи, в том числе большинство батарей, используемых в фотоэлектрических системах, могут выделять потенциально взрывоопасную смесь водорода и кислорода.Чтобы снизить риск взрыва, используется вентиляция для предотвращения скопления этих газов, а потенциальные источники воспламенения (т. Е. Цепи, которые могут генерировать искры или дуги) исключаются из корпуса аккумуляторной батареи.

Аккумуляторы вводят компонент периодического обслуживания в фотоэлектрическую систему. Для всех аккумуляторов, включая «необслуживаемые», требуется график технического обслуживания, который должен обеспечивать:

• клеммы АКБ не корродированы
• соединения аккумулятора затянуты
• Корпус аккумулятора не должен иметь трещин и коррозии.

Залитые батареи требуют дополнительного и более частого обслуживания. Для залитых аккумуляторов уровень электролита и удельный вес электролита для каждой батареи необходимо регулярно проверять. Проверка удельного веса аккумулятора с помощью ареометра должна выполняться не менее чем через 15 минут после выравнивания или ускоренного заряда. В аккумуляторы следует добавлять только дистиллированную воду. Водопроводная вода содержит минералы, которые могут повредить электроды аккумулятора.

Свинец в свинцово-кислотных аккумуляторах представляет опасность для окружающей среды при неправильной утилизации.Свинцово-кислотные батареи следует утилизировать, чтобы можно было восстановить свинец без ущерба для окружающей среды.

Материалы, из которых изготовлены электроды, имеют большое влияние на химический состав батареи и, следовательно, влияют на напряжение батареи и ее характеристики зарядки и разрядки. Геометрия электрода определяет внутреннее последовательное сопротивление, а также скорость зарядки и разрядки.

Основными материалами анода и катода в свинцово-кислотных аккумуляторах являются свинец и диксодий свинца (PbO2).Свинцовый электрод выполнен в виде губчатого свинца. Губчатый свинец желателен, поскольку он очень пористый, и поэтому площадь поверхности между свинцом и электролитом серной кислоты очень велика. Добавление небольших количеств других элементов в свинцовый электрод для образования сплавов свинца может уменьшить некоторые недостатки, связанные со свинцом. Основными типами используемых электродов являются свинец / сурьма (с использованием нескольких процентов сурьмы), сплавы свинец / кальций и сплавы свинец / сурьма / кальций.

Батареи из свинцового сплава с сурьмой имеют несколько преимуществ перед электродами из чистого свинца.К этим преимуществам относятся: более низкая стоимость свинца / сурьмы; повышенная прочность свинцово-сурьмянистого электрода; и возможность получить глубокую разрядку на короткий период времени. Однако сплавы свинец / сурьма склонны к сульфатированию, и их не следует оставлять при низком уровне заряда в течение длительных периодов времени. Кроме того, сплавы свинец / сурьма увеличивают выделение газа в батарее во время зарядки, что приводит к значительным потерям воды. Поскольку в эти батареи необходимо добавлять воду, они требуют более серьезного обслуживания.Кроме того, свинцово-сурьмянистые батареи отличаются высокой скоростью разряда и коротким сроком службы. Эти проблемы (xx — проверьте, вызваны ли обе проблемы металлизацией)) вызваны растворением сурьмы с одного электрода и ее осаждением или осаждением на другом электроде. (xx повышенная адгезия PbO2 xx)

Свинцово-кальциевые батареи — это технология со средней стоимостью. Как и сурьма, кальций также добавляет прочности свинцу отрицательного электрода, но, в отличие от сурьмы, добавление кальция снижает выделение газа в батарее, а также снижает скорость саморазряда.Однако свинцово-кальциевые батареи не следует сильно разряжать. Следовательно, эти типы аккумуляторов могут считаться «необслуживаемыми», но это только аккумуляторы мелкого цикла.

Добавление сурьмы, а также кальция в электроды дает некоторые преимущества как сурьмы, так и свинца, но при более высокой стоимости. Такие аккумуляторы глубокого разряда также могут иметь длительный срок службы. Кроме того, к электродам могут быть добавлены следовые количества других материалов для повышения производительности батареи.

В дополнение к материалу, из которого изготовлены электродные пластины, физическая конфигурация электродов также влияет на скорость зарядки и разрядки, а также на срок службы. Тонкие пластины обеспечивают более быструю зарядку и разрядку, но они менее прочные и более склонны к отслаиванию материала с пластин. Поскольку высокие зарядные или разрядные токи обычно не являются обязательной характеристикой аккумуляторов для систем возобновляемой энергии, можно использовать более толстые пластины, которые имеют меньшее время зарядки и разрядки, но также имеют более длительный срок службы.

В открытой залитой аккумуляторной батарее любой образующийся газ может улетучиваться в атмосферу, вызывая проблемы как безопасности, так и технического обслуживания. Герметичный свинцово-кислотный (SLA), свинцово-кислотный (VRLA) с регулируемым клапаном или рекомбинированный свинцово-кислотный аккумулятор предотвращает потерю воды из электролита, предотвращая или сводя к минимуму утечку газообразного водорода из аккумулятора. В герметичной свинцово-кислотной батарее (SLA) водород не улетучивается в атмосферу, а скорее перемещается или мигрирует к другому электроду, где он рекомбинирует (возможно, с помощью процесса каталитического преобразования) с образованием воды.Эти батареи не являются полностью герметичными, а имеют вентиляционное отверстие, предотвращающее накопление избыточного давления в батарее. Герметичные батареи требуют строгого контроля заряда, чтобы предотвратить накопление водорода быстрее, чем он может рекомбинировать, но они требуют меньше обслуживания, чем открытые батареи.

Свинцово-кислотные батареи с регулируемым клапаном (VRLA) похожи по концепции на герметичные свинцово-кислотные батареи (SLA), за исключением того, что клапаны должны выделять водород почти до полной зарядки.Аккумуляторы SLA или VRLA обычно имеют дополнительные конструктивные особенности, такие как использование гелеобразных электролитов и использование свинцово-кальциевых пластин для сведения к минимуму выделения газообразного водорода.

Несмотря на широкий диапазон типов аккумуляторов и приложений, особенно важными характеристиками фотоэлектрических систем являются требования к обслуживанию аккумулятора и способность глубоко заряжать аккумулятор при сохранении длительного срока службы. Для обеспечения длительного срока службы при глубоком разряде батареи глубокого разряда могут быть либо открытого типа, с избытком электролитического раствора и толстыми пластинами, либо иммобилизованного электролитического типа.Герметичные гелевые батареи могут быть классифицированы как батареи глубокого разряда, но они обычно выдерживают меньшее количество циклов и меньшие разряды, чем специально разработанные батареи с заливной пластиной или батареи AGM. В аккумуляторах с мелким циклом обычно используются более тонкие пластины, изготовленные из свинцово-кальциевых сплавов, и обычно глубина разряда не превышает 25%.

Батареи для фотоэлектрических или удаленных источников питания (RAPS)

Строгие требования к батареям, используемым в фотоэлектрических системах, побудили нескольких производителей изготавливать батареи, специально предназначенные для фотоэлектрических или других удаленных систем питания.В автономных фотоэлектрических системах чаще всего используются батареи свинцово-кислотного типа с глубоким циклом или необслуживаемые батареи с меньшим циклом. Батареи глубокого цикла могут быть батареями с открытым заливом (которые не требуют обслуживания) или батареями AGM с невыпадающим электролитом, которые не требуют обслуживания (но которые требуют осторожности при выборе регулятора). Специальные необслуживаемые батареи с малым циклом работы, которые выдерживают нечастую разрядку, также могут использоваться в фотоэлектрических системах, и при условии, что аккумуляторная батарея спроектирована надлежащим образом, никогда не требуется DOD более 25%.Аккумулятор с длительным сроком службы в правильно спроектированной фотоэлектрической системе при правильном обслуживании может прослужить до 15 лет, но использование батарей, которые не рассчитаны на длительный срок службы, или условий в фотоэлектрической системе, или являются частью плохой конструкции системы может привести к выходу из строя аккумуляторного блока всего через несколько лет.

Доступны несколько других типов батарей специального назначения, которые описаны ниже.

Пусковые, осветительные батареи зажигания (SLI). Эти аккумуляторы используются в автомобилях и имеют высокую скорость разряда и заряда.Чаще всего используются электродные пластины, упрочненные либо свинцово-сурьмяной в затопленной конфигурации, либо свинцово-кальциевой в герметичной конфигурации. Эти батареи имеют хороший срок службы в условиях малого цикла, но имеют очень низкий срок службы в условиях глубокого цикла. Батареи SLI не следует использовать в фотоэлектрической системе, поскольку их характеристики не оптимизированы для использования в системе возобновляемых источников энергии, поскольку срок службы фотоэлектрической системы очень мал.

Тяговые или тяговые аккумуляторные батареи. Тяговые или двигательные батареи используются для обеспечения электроэнергией небольших транспортных средств, таких как тележки для гольфа.По сравнению с батареями SLI, они обладают большей способностью выдерживать глубокий цикл при сохранении длительного срока службы. Хотя эта особенность делает их более подходящими для фотоэлектрической системы, чем та, которая использует батареи SLI, двигательные батареи не должны использоваться в каких-либо фотоэлектрических системах, поскольку их скорость саморазряда очень высока из-за использования свинцово-сурьмяных электродов. Высокая скорость саморазряда фактически приведет к большим потерям мощности в батарее и сделает общую фотоэлектрическую систему неэффективной, если батареи не будут испытывать большой DOD на ежедневной основе.Способность этих аккумуляторов выдерживать глубокую цикличность также намного ниже, чем у настоящих аккумуляторов глубокого цикла. Поэтому эти батареи не подходят для фотоэлектрических систем.

RV или морские батареи. Эти батареи обычно представляют собой компромисс между батареями SLI, тяговыми батареями и настоящими батареями глубокого цикла. Хотя они и не рекомендуются, в некоторых небольших фотоэлектрических системах используются двигательные и морские батареи. Срок службы таких батарей будет ограничен в лучшем случае несколькими годами, так что экономия на замене батарей означает, что такие батареи, как правило, не являются долгосрочным рентабельным вариантом.

Стационарные аккумуляторы. Стационарные батареи часто используются для аварийного питания или источников бесперебойного питания. Это батареи мелкого цикла, предназначенные для того, чтобы оставаться почти полностью заряженными в течение большей части своего срока службы с лишь редкими глубокими разрядами. Их можно использовать в фотоэлектрических системах, если размер аккумуляторной батареи не должен опускаться ниже DOD от 10% до 25%.

Батареи глубокого разряда. Батареи глубокого разряда должны обеспечивать срок службы в несколько тысяч циклов при высокой глубине разряда (80% или более).Значительные различия в характеристиках цикла могут наблюдаться с двумя типами батарей глубокого разряда, поэтому следует сравнивать срок службы и степень разряда различных батарей глубокого разряда.

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из электродов из оксида свинца и свинца, погруженных в раствор слабой серной кислоты. Возможные проблемы со свинцово-кислотными аккумуляторами включают:

Газообразование: выделение водорода и кислорода. Выделение аккумулятора газом приводит к проблемам с безопасностью и потере воды из электролита.Потеря воды увеличивает требования к обслуживанию батареи, поскольку воду необходимо периодически проверять и заменять.

Повреждение электродов. Вывод отрицательного электрода мягкий и легко повреждается, особенно в тех случаях, когда аккумулятор может постоянно или сильно двигаться.

Расслоение электролита. Серная кислота — тяжелая вязкая жидкость. По мере разряда батареи концентрация серной кислоты в электролите снижается, а во время зарядки концентрат серной кислоты увеличивается.Это циклическое изменение концентрации серной кислоты может привести к расслоению электролита, когда более тяжелая серная кислота остается на дне батареи, а менее концентрированный раствор, вода, остается наверху. Непосредственная близость электродных пластин внутри батареи означает, что при физическом встряхивании серная кислота и вода не смешиваются. Однако контролируемое выделение газа электролита способствует смешиванию воды и серной кислоты, но его необходимо тщательно контролировать, чтобы избежать проблем безопасности и потери воды.В большинстве свинцово-кислотных аккумуляторов требуется периодическая, но нечастая подача газа в аккумулятор для предотвращения или обращения вспять расслоения электролита в процессе, называемом «ускоренной» зарядкой.

Сульфатирование аккумулятора. При низком заряде на свинцовом электроде могут расти крупные кристаллы сульфата свинца, в отличие от мелкозернистого материала, который обычно образуется на электродах. Сульфат свинца — изоляционный материал.

Разлив серной кислоты. Если серная кислота вытечет из корпуса батареи, это представляет серьезную угрозу безопасности.Желирование или иммобилизация жидкой серной кислоты снижает вероятность разливов серной кислоты.

Зависание АКБ при низком уровне разряда. Если аккумулятор находится на низком уровне разряда после превращения всего электролита в воду, точка замерзания электролита также падает.

Потеря активного материала электродов. Потеря активного материала электродов может происходить в результате нескольких процессов. Одним из процессов, который может вызвать необратимую потерю емкости, является отслаивание активного материала из-за изменения объема между xxx и сульфатом свинца.Кроме того, xxx. Неправильные условия зарядки и выделение газа могут вызвать отслоение активного материала от электродов, что приведет к необратимой потере емкости.

В зависимости от того, какая из вышеперечисленных проблем является наиболее важной для конкретного приложения, соответствующие модификации базовой конфигурации батареи улучшают ее характеристики. В случае использования возобновляемых источников энергии указанные выше проблемы повлияют на глубину разряда, срок службы батареи и требования к техническому обслуживанию.Изменения в батарее обычно включают модификацию в одной из трех основных областей:

• Изменения в составе и геометрии электродов
• замен на раствор электролита
• модификации корпуса или клемм аккумуляторной батареи для предотвращения или уменьшения утечки образующегося газообразного водорода.

Коррозия состоит из областей набора или восстановления / окисления, в которых обе реакции происходят на одном и том же электроде. Для аккумуляторной системы коррозия приводит к нескольким пагубным последствиям.Один из эффектов заключается в том, что он превращает металлический электрод в оксид металла.

Все химические реакции протекают как в прямом, так и в обратном направлении. Чтобы обратная реакция протекала, реагенты должны набирать достаточно энергии, чтобы преодолеть электрохимическую разницу между реагентами и продуктами, а также перенапряжение. Обычно в аккумуляторных системах вероятность возникновения обратной реакции мала, так как имеется несколько молекул с достаточно большой энергией. Однако некоторые частицы, хотя и маленькие, обладают достаточной энергией.В заряженной батарее существует процесс, с помощью которого батарея может быть разряжена даже при отсутствии нагрузки, подключенной к батарее. Количество разряжаемого аккумулятора при стоянии называется саморазрядом. Саморазряд увеличивается с увеличением температуры, потому что у большей части продуктов будет достаточно энергии для протекания реакции в обратном направлении.

Идеальный набор химических реакций для батареи — это тот, в котором существует большой химический потенциал, который высвобождает большое количество электронов, имеет низкое перенапряжение, самопроизвольно протекает только в одном направлении и является единственной химической реакцией, которая может произойти.Однако на практике существует несколько эффектов, которые ухудшают характеристики батареи из-за нежелательных химических реакций, таких как изменение фазы объема реагентов или продуктов, а также физическое движение реагентов и продуктов внутри батареи.

В процессе химических реакций многие материалы претерпевают изменение либо в фазе, либо, если они остаются в одной и той же фазе, объем и плотность материала могут быть изменены в результате химической реакции. Наконец, материалы, используемые в батарее, в первую очередь анод и катод, могут изменить свою кристалличность или структуру поверхности, что, в свою очередь, повлияет на реакции в батарее.Многие компоненты в окислительно-восстановительных реакциях претерпевают изменение фазы во время окисления или восстановления. Например, в свинцово-кислотной батарее сульфат-ионы меняются с твердой формы (в виде сульфата свинца) на раствор (в виде серной кислоты). Если сульфат свинца перекристаллизовывается где-нибудь, кроме анода или катода, то этот материал теряется для аккумуляторной системы. Во время зарядки только материалы, соединенные с анодом и катодом, могут участвовать в электронном обмене, и поэтому, если материал не касается анода или катода, он больше не может заряжаться.Образование газовой фазы в батарее также представляет особые проблемы. Прежде всего, газовая фаза обычно имеет больший объем, чем исходные реагенты, что вызывает изменение давления в батарее. Во-вторых, если предполагаемые продукты находятся в газовом переходе, они должны быть ограничены анодом и катодом, иначе они не смогут заряжаться.

Изменение громкости также обычно отрицательно сказывается на работе от батареи.

В стандартной свинцово-кислотной батарее с залитой водой электроды погружены в жидкую серную кислоту.Несколько модификаций электролита используются для улучшения характеристик батареи в одной из нескольких областей. Ключевыми параметрами электролита, которые контролируют производительность батареи, являются объем и концентрация электролита, а также образование «пленочного» электролита.

Изменения объема электролита можно использовать для повышения надежности батареи. Увеличение объема электролита делает батарею менее чувствительной к потерям воды и, следовательно, делает регулярное обслуживание менее критичным.Увеличение объема батареи также увеличит ее вес и снизит удельную энергию батареи.

В батареях с «пленочным» электролитом серная кислота иммобилизуется либо путем «гелеобразования» серной кислоты, либо с помощью «абсорбирующего стеклянного мата». Оба имеют меньшее выделение газа по сравнению с затопленными свинцово-кислотными аккумуляторами и, следовательно, часто встречаются в герметичных свинцово-кислотных аккумуляторах, не требующих обслуживания.

Желирование. В «гелеобразной» свинцово-кислотной батарее электролит может быть иммобилизован путем гелеобразования серной кислоты с использованием силикагеля.Загустевший электролит имеет преимущество в том, что снижается газообразование, и, следовательно, батареи не требуют особого обслуживания. Кроме того, расслоение электролита не происходит в гелевых батареях, и поэтому ускоренная зарядка не требуется, а поскольку электролит загустевает, вероятность просыпания серной кислоты также снижается. Однако для того, чтобы еще больше снизить газообразование, в этих «гелевых» аккумуляторах также обычно используются свинцово-кальциевые пластины, что делает их непригодными для применения в условиях глубокого разряда.Еще один недостаток состоит в том, что условия зарядки гелеобразной свинцово-кислотной батареи необходимо более тщательно контролировать, чтобы предотвратить перезаряд и повреждение батареи.

Абсорбирующее матирование стекла. Вторая технология, которая может быть использована для иммобилизации серной кислоты, — это «абсорбирующий стеклянный мат» или аккумуляторы AGM. В аккумуляторе AGM серная кислота поглощается матом из стекловолокна, который помещается между пластинами электродов. Аккумуляторы AGM обладают многочисленными преимуществами, включая возможность глубокого разряда без ущерба для срока службы, высокую скорость заряда / разряда и расширенный температурный диапазон для работы.Ключевым недостатком этих аккумуляторов является необходимость более тщательно контролируемых режимов зарядки и более высокая начальная стоимость.

Новый поворот в гонке по замене графитового анода на более качественные аккумуляторные батареи — ScienceDaily

Усовершенствования класса аккумуляторных электролитов, впервые представленного в 2017 году — сжиженные газовые электролиты — могут проложить путь к высокоэффективной и долговечной искал аванс для аккумуляторов: замена графитового анода на литий-металлический анод.

Исследование, опубликованное 1 июля 2019 года в журнале Joule , основано на инновациях, о которых впервые было сообщено в Science в 2017 году той же исследовательской группой из Калифорнийского университета в Сан-Диего и филиалом университета South 8 Technologies.

Поиск рентабельных способов замены графитового анода в коммерческих литий-ионных батареях представляет большой интерес, потому что это может привести к созданию более легких батарей, способных хранить больше заряда, за счет 50-процентного увеличения плотности энергии на уровне элементов.Повышенная плотность энергии будет происходить из-за комбинации факторов, включая высокую удельную емкость литий-металлического анода, низкий электрохимический потенциал и легкий вес (низкая плотность).

В результате переход на литий-металлические аноды значительно расширит диапазон электромобилей и снизит стоимость аккумуляторов, используемых для хранения в сети, объяснила профессор наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Ширли Мэн, автор-корреспондент новой статьи в Джоулях . .

Однако создание коммутатора сопряжено с техническими проблемами.Основная проблема заключается в том, что аноды из металлического лития несовместимы с обычными электролитами. Когда эти аноды сочетаются с обычными электролитами, возникают две давние проблемы: низкая эффективность циклирования и рост дендритов.

Таким образом, подход Мэн и его коллег заключался в переходе на более совместимый электролит, называемый электролитами на сжиженном газе.

Сжиженные газовые электролиты в действии

Одним из привлекательных аспектов этих электролитов на сжиженном газе является то, что они работают как при комнатной температуре, так и при очень низких температурах, вплоть до минус 60 ° C.Эти электролиты изготовлены из растворителей сжиженного газа — газов, сжижаемых при умеренном давлении, — которые гораздо более устойчивы к замерзанию, чем стандартные жидкие электролиты.

В статье 2019 года в Джоулях исследователи сообщают о том, как с помощью экспериментальных и вычислительных исследований они улучшили свое понимание некоторых недостатков химии сжиженных газовых электролитов. Обладая этими знаниями, они смогли адаптировать свои электролиты на сжиженном газе для улучшения основных показателей для литий-металлических анодов как при комнатной температуре, так и при минус 60 C.

При испытаниях литий-металлических полуэлементов команда сообщает, что эффективность циклирования анода (кулоновская эффективность) составляла 99,6 процента для 500 циклов зарядки при комнатной температуре. Это выше 97,5-процентной эффективности цикла, о которой сообщалось в статье Science за 2017 год, и 85-процентной эффективности циклирования для анодов из металлического лития с обычным (жидким) электролитом.

При минус 60 ° C команда продемонстрировала эффективность циклирования литий-металлического анода 98,4%. Напротив, большинство обычных электролитов не работают при температуре ниже минус 20 ° C.

Инструменты моделирования и определения характеристик, разработанные командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, многие из которых были разработаны в Лаборатории хранения и преобразования энергии под руководством Ширли Мэн, позволяют исследователям объяснить, почему металлические литиевые аноды лучше работают с электролитами из сжиженного газа. По крайней мере, часть ответа связана с тем, как частицы лития осаждаются на поверхности металлического анода.

Исследователи сообщают о плавном и компактном осаждении частиц лития на литий-металлических анодах при использовании сжиженных газовых электролитов.Напротив, при использовании обычных электролитов на аноде из металлического лития образуются игольчатые дендриты. Эти дендриты могут снизить эффективность, вызвать короткое замыкание и привести к серьезным угрозам безопасности.

Одним из показателей того, насколько плотно осаждаются частицы лития на поверхности анода, является пористость. Чем меньше пористость, тем лучше. Исследовательская группа сообщает в Джоулях , что пористость осаждения частиц лития на металлическом аноде составляет 0,90% при комнатной температуре с использованием сжиженных газовых электролитов при комнатной температуре.Пористость в присутствии обычных электролитов возрастает до 16,8%.

Гонка за правильным электролитом

В настоящее время ведется активная работа по поиску или совершенствованию электролитов, совместимых с металлическим литиевым анодом и конкурентоспособных с точки зрения стоимости, безопасности и температурного диапазона. Исследовательские группы в основном занимались высококонцентрированными растворителями (жидкими) или твердотельными электролитами, но в настоящее время серебряной пули нет.

«Как часть сообщества исследователей аккумуляторов, я уверен, что мы собираемся разработать электролиты, которые нам нужны для литий-металлических анодов.Я надеюсь, что это исследование вдохновит больше исследовательских групп серьезно взглянуть на электролиты сжиженного газа », — сказал Мэн.

Электролиты, изготовленные из сжиженного газа, позволяют батареям работать при сверхнизких температурах — ScienceDaily

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали прорыв в химии электролитов, который позволяет литиевым батареям работать при температурах до -60 градусов Цельсия с отличной производительностью — для сравнения, современные литий-ионные батареи перестают работать при -20 градусах Цельсия.Новые электролиты также позволяют электрохимическим конденсаторам работать до -80 градусов по Цельсию — их текущий нижний предел температуры составляет -40 градусов по Цельсию. Несмотря на то, что эта технология обеспечивает работу при экстремально низких температурах, высокая производительность при комнатной температуре сохраняется. Новый химический состав электролита может также увеличить плотность энергии и повысить безопасность литиевых батарей и электрохимических конденсаторов.

Работа будет опубликована онлайн в журнале Science в четверг, 15 июня 2017 г.

Эта технология может позволить электромобилям в холодном климате путешествовать дальше без подзарядки, уменьшая беспокойство о запасе хода зимой в таких местах, как Бостон. Эта технология также может быть использована для управления кораблями в условиях сильного холода, таких как беспилотные летательные аппараты с Wi-Fi в высоких слоях атмосферы и метеозондные воздушные шары, спутники, межпланетные вездеходы и другие аэрокосмические приложения.

Батареи и электрохимические конденсаторы, разработанные исследователями, особенно морозоустойчивы, поскольку их электролиты сделаны из сжиженных газовых растворителей — газов, сжижаемых при умеренном давлении, — которые гораздо более устойчивы к замерзанию, чем стандартные жидкие электролиты.Новый электролит литиевой батареи был изготовлен с использованием сжиженного газообразного фторметана. Электролит электрохимического конденсатора был изготовлен с использованием сжиженного газа дифторметана.

«Глубокая декарбонизация связана с прорывом в технологиях накопления энергии. Для производства электромобилей с улучшенным соотношением производительности и стоимости необходимы более совершенные батареи. И как только температурный диапазон для аккумуляторов, ультраконденсаторов и их гибридов будет расширен, эти технологии электрохимического накопления энергии могут быть приняты на многих других развивающихся рынках.Эта работа показывает многообещающий путь, и я думаю, что успех этого нетрадиционного подхода может вдохновить большее количество ученых и исследователей на изучение неизведанных территорий в этой области исследований », — сказала Ширли Мэн, профессор наноинженерии Инженерной школы Калифорнийского университета в Сан-Диего. старший автор исследования. Мэн возглавляет лабораторию по хранению и преобразованию энергии и является директором Центра устойчивой энергетики и энергетики в Калифорнийском университете в Сан-Диего.

«Принято считать, что электролит является основным узким местом для повышения производительности устройств накопления энергии следующего поколения», — сказал Сайрус Рустомджи, научный сотрудник группы Мэн и первый автор исследования.«Электролиты на жидкой основе были тщательно исследованы, и многие сейчас обращают внимание на твердотельные электролиты. Мы выбрали противоположный, хотя и рискованный подход, и исследовали использование газовых электролитов».

Исследователи Калифорнийского университета в Сан-Диего первыми исследовали газовые электролиты для электрохимических накопителей энергии.

В будущем эту технологию можно будет использовать для питания космических кораблей для межпланетных исследований. «Марсоходы имеют низкотемпературные характеристики, которым не может соответствовать большинство существующих батарей.«Наша новая аккумуляторная технология может соответствовать этим спецификациям без добавления дорогих и тяжелых нагревательных элементов», — сказал Рустомджи.

При реализации этого проекта команда Калифорнийского университета в Сан-Диего осознала, что газы обладают свойством, благодаря которому они особенно хорошо работают при температурах, при которых обычные жидкие электролиты замерзают, — низкой вязкости. «Низкая вязкость приводит к высокой подвижности ионов, что означает высокую проводимость батареи или конденсатора даже при сильном морозе», — сказал Рустомджи.

Группа исследовала ряд потенциальных газов-кандидатов, но сосредоточила внимание на двух новых электролитах: один на основе сжиженного фторметана (для литиевых батарей), а другой на основе сжиженного дифторметана (для электрохимических конденсаторов).

Помимо исключительных характеристик при низких температурах, эти электролиты обладают уникальным преимуществом в плане безопасности. Они смягчают проблему, называемую тепловым разгоном, когда аккумулятор становится достаточно горячим, чтобы вызвать опасную цепочку химических реакций, которые, в свою очередь, еще больше нагревают аккумулятор. С этими новыми электролитами аккумулятор не сможет самостоятельно нагреваться при температурах, намного превышающих комнатную. Это связано с тем, что при высоких температурах эти электролиты теряют способность растворять соли, поэтому аккумулятор теряет проводимость и перестает работать.

«Это естественный механизм отключения, который предотвращает перегрев аккумулятора», — сказал Рустомджи. Он отметил, что еще одна приятная особенность заключается в том, что этот механизм обратимый. «Как только аккумулятор становится слишком горячим, он отключается. Но когда он снова остывает, он снова начинает работать. Это необычно для обычных аккумуляторов».

Кроме того, Рустомджи сказал, что в более тяжелых условиях, таких как автомобильная авария, когда аккумулятор раздавлен и закорочен, газ электролита может выходить из элемента и, из-за недостаточной проводимости электролита, предотвращать тепловую реакцию неуправляемого нагрева, которая в противном случае Этого трудно избежать с обычными жидкими электролитами.

Совместимый электролит для анодов из металлического лития

Мэн, Рустомджи и его коллеги сделали большой шаг вперед к осуществлению еще одной долгожданной мечты исследователей аккумуляторов: создания электролита, который хорошо работает с анодом из металлического лития. Литий считается лучшим анодным материалом, потому что он может хранить больше заряда, чем существующие аноды, и легче. Проблема в том, что металлический литий вступает в реакцию с обычными жидкими электролитами.Эти химические реакции приводят к тому, что металлический литий имеет низкую кулоновскую эффективность, что означает, что он может пройти только ограниченное количество циклов зарядки и разрядки, прежде чем батарея перестанет работать.

Другая проблема, связанная с использованием обычных жидких электролитов с анодом из металлического лития, заключается в том, что при повторяющихся циклах зарядки и разрядки литий может накапливаться в определенных местах на электроде. Это вызывает рост игольчатых структур, называемых дендритами, которые могут проткнуть часть батареи, вызывая ее короткое замыкание.

Предыдущие подходы к решению этих проблем включают: использование электролитов с низкой вязкостью; приложение высокого механического давления к электроду; и использование так называемых добавок фторированного электролита для формирования идеального химического состава на поверхности электрода из металлического лития. Новые электролиты на сжиженном газе, разработанные командой Калифорнийского университета в Сан-Диего, объединяют все три этих ключевых аспекта в единую электролитную систему. Последующая межфазная поверхность, образующаяся на электроде, представляет собой очень однородную поверхность без дендритов, обеспечивающую высокую кулоновскую эффективность, превышающую 97 процентов, и улучшенную проводимость батареи.По словам исследователей, это также первый случай, когда электролит обладает высокими характеристиками как для металлического лития, так и для классических катодных материалов, что может позволить значительно увеличить общую плотность энергии батарей.

Следующие шаги

Двигаясь вперед, исследователи стремятся улучшить удельную энергию и возможность циклирования как батарей, так и электрохимических конденсаторов, а также работать при еще более низких температурах — до -100 градусов Цельсия. Эта работа может привести к разработке новой технологии для питания космических кораблей, отправляемых для исследования внешних планет, таких как Юпитер и Сатурн.

Рустомджи возглавляет команду из Калифорнийского университета в Сан-Диего, работающую над коммерциализацией этой технологии через стартап под названием South 8 Technologies.

Почему холодная погода влияет на аккумуляторы?

Низкотемпературное использование литий-ионных батарей имеет такие проблемы, как низкая емкость, сильное затухание, низкая частота цикла, явное отложение лития и несбалансированный литий. По имеющимся данным, разрядная емкость литий-ионных аккумуляторов при -20 ° C составляет всего около 31,5% при комнатной температуре.Обычные литий-ионные батареи работают при температуре от -20 до + 55 ° C. Тем не менее, в аэрокосмической, военной, электромобилях и т. Д. Аккумуляторная батарея должна нормально работать при -40 ° C. Поэтому улучшение низкотемпературных свойств литий-ионных аккумуляторов имеет большое значение. Компания Grepow Battery разработала и произвела высокопроизводительные низкотемпературные батареи с диапазоном температур от -40 ° C до 50 ° C.

Факторы, ограничивающие низкотемпературные характеристики литиевых батарей

В низкотемпературной среде вязкость электролита увеличивается или даже частично затвердевает, что приводит к снижению проводимости литий-ионного аккумулятора.

Совместимость электролита, отрицательного электрода и сепаратора ухудшается в низкотемпературной среде.

В низкотемпературной среде литий сильно осаждается на отрицательном электроде литий-ионной батареи, а осажденный металлический литий вступает в реакцию с электролитом, и осаждение продукта вызывает увеличение толщины поверхности раздела твердого электролита (SEI ).

В низкотемпературной среде литий-ионный аккумулятор имеет уменьшенную внутреннюю диффузионную систему активного материала, а импеданс переноса заряда (RCT) значительно увеличивается.

Исследования низкотемпературного электролита

Электролит играет роль в переносе ионов лития в литий-ионной батарее, а его ионная проводимость и пленкообразование SEI оказывают значительное влияние на низкотемпературные характеристики батареи.

Судя о преимуществах и недостатках низкотемпературных электролитов, можно выделить три основных показателя: ионная проводимость, электрохимическое окно и реакционная способность электрода.Уровень этих трех показателей в значительной степени зависит от входящих в их состав материалов: растворителя, электролита (соль лития), добавки. Поэтому изучение низкотемпературных свойств различных частей электролита имеет большое значение для понимания и улучшения низкотемпературных характеристик аккумулятора.

Низкотемпературные характеристики электролитов на основе ЕС По сравнению с цепочечными карбонатами циклические карбонаты имеют компактную структуру, высокую силу, высокую температуру плавления и вязкость.Однако большая полярность, обусловленная кольцевой структурой, имеет тенденцию иметь большую диэлектрическую проницаемость. Высокая диэлектрическая проницаемость ЕС-растворителя, высокая ионная проводимость, отличные пленкообразующие свойства и эффективное предотвращение совместного введения молекул растворителя делают его незаменимым. Поэтому большинство обычно используемых низкотемпературных систем электролитов основаны на ЕС, а затем смешиваются с низкомолекулярными растворителями с низкой температурой плавления.

Соли лития — важный компонент электролитов.Соль лития не только увеличивает ионную проводимость раствора в электролите, но также уменьшает расстояние диффузии ионов лития в растворе. Как правило, чем больше концентрация ионов лития в растворе, тем больше ионная проводимость. Однако концентрация ионов лития в электролите не связана линейно с концентрацией соли лития, а является параболической. Это связано с тем, что концентрация ионов лития в растворителе зависит от диссоциации литиевой соли в растворителе и силы ассоциации.

Низкотемпературный электролит

В дополнение к самому составу батареи, факторы процесса в реальной эксплуатации также будут иметь большое влияние на характеристики батареи.

Процесс приготовления

Влияние нагрузки на электрод и толщины покрытия на низкотемпературные характеристики батареи. Что касается скорости сохранения емкости, то чем меньше нагрузка на электрод, тем тоньше слой покрытия и тем лучше низкотемпературные характеристики.

Состояние заряда и разряда

Влияние низкотемпературного заряда и разряда на срок службы батареи; было обнаружено, что большая глубина разряда приводит к большой потере емкости и сокращает срок службы.

Прочие факторы

Площадь поверхности электрода, размер пор, плотность электрода, смачиваемость электрода и электролита, а также сепаратор — все это влияет на низкотемпературные характеристики литий-ионного аккумулятора. Кроме того, нельзя игнорировать влияние дефектов материалов и процессов на низкотемпературные характеристики батареи.

E n Обеспечивает низкотемпературные характеристики литий-ионных батарей

Для обеспечения низкотемпературных характеристик литий-ионных аккумуляторов необходимо выполнить следующие действия: формирование тонкой и плотной пленки SEI; гарантированный Li + имеет большой коэффициент диффузии в активном материале; электролит имеет высокую ионную проводимость при низкой температуре. Аккумулятор Grepow использует низкотемпературный электролит при низкой температуре, что может обеспечить нормальную работу оборудования в низкотемпературной среде.

Прорыв воздействия низких температур на батареи

По сравнению с обычной литий-ионной батареей, низкотемпературная батарея Grepow, диапазон температур от -40 ° C до 50 ° C, по сравнению с традиционными литий-полимерными батареями, она вышла за пределы температуры разряда -20 ℃ до 60 ℃. Ожидается, что это полностью решит проблему емкости батареи при низких температурах. Проблемы с затуханием и вопросы безопасности контура.

Батарея

Grepow с низкотемпературной формой может эффективно улучшить характеристики разряда батареи в низкотемпературной среде, снизить внутреннее сопротивление батареи и достичь эффекта высокой скорости разряда.Следовательно, его срок службы батареи больше, а его мощность больше. При низких температурах емкость низкотемпературной батареи Grepow все еще превышает 80% при разряде 0,2 ° C при -30 ° C.

Гибкий размер, батарея может быть изготовлена ​​по размеру заказчика. Grepow производит низкотемпературные аккумуляторы, которые могут широко использоваться в холодном климате и в военной продукции. Такие как GPS, автомобильные трекеры, военные радиоприемники, индикаторы ломаной линии, аэрокосмическая промышленность, авиация, подводное плавание с маской и трубкой, полярная наука, приключения, спасение в холодном поясе, помощь при стихийных бедствиях, зимняя одежда, холодная обувь и другие системы.Группа исследований и разработок Grepow тесно сотрудничает с клиентами, чтобы предоставить лучшие решения для их аккумуляторов.

No related posts.