Меню Закрыть

Плотность электролита: какая должна быть, как проверить, как поднять?

Содержание

Какая плотность электролита считается оптимальной?

Электролит – тот самый элемент, который позволяет вырабатывать достаточное количество напряжения в аккумуляторе для эффективного запуска двигателя и работы дополнительного электрооборудования.

Как известно из предыдущих статей на нашем сайте, аккумуляторы бывают двух типов – обслуживаемые и необслуживаемые. Необслуживаемые являются более дорогими по стоимости, однако не требуют постоянного контроля за уровнем электролита и периодического долива дистиллированной воды.

Аккумулятор для автомобиля играет одну из главных ролей, так как отвечает не только за работу электрооборудования, но и за запуск двигателя. Неисправный аккумулятор может стать не только причиной поломки автомобиля и потери времени, но и может представлять собой серьезную угрозу.

Если уровень электролита является недостаточным в обслуживаемой батарее, то это может привести не только к выходу аккумулятора из строя, но и, в некоторых случаях, к детонации.

Какая плотность электролита считается оптимальной?

Первоначально необходимо понимать, что данный показатель будет различаться в зависимости от времени года. Также для каждого региона, в котором эксплуатируется автомобиль, показатель будет сугубо индивидуальный.

Например, для северных регионов показатель плотности электролита должен приравниваться к 1,29. При определении данной цифры также учитываются критические температуры, характерные для данного региона.

В большинстве материалов можно встретить информацию, что плотность электролита должна соответствовать показателям 1,26-1,27. Однако, данное значение является приемлемым исключительно для центральной части России и не может быть рекомендовано как для жителей южных, так и для северных областей.

В инструкции по эксплуатации, которая прилагается к каждой модели аккумулятора, указывается перечень рабочих параметров для батареи, в том числе и оптимальная плотность электролита.

Следить за этим показателем необходимо, чтобы не допустить сульфатации пластин и последующего выхода аккумулятора из строя.

Если вам необходимо купить новый аккумулятор для автомобиля, мотоцикла, катера и любого другого вида техники, рекомендуем обратиться в один из наших розничных магазинов. Наши специалисты помогут выбрать оптимальный вариант именно для вашего транспортного средства с учетом необходимого функционала и предполагаемого бюджета.

Адреса магазинов:

  • г. Нижний Новгород, ул. Березовская, 96а
  • г. Нижний Новгород, ул. Деловая, д.7, к.5
  • г. Нижний Новгород, проспект Кирова, 12

Все вопросы вы можете задать одному из наших специалистов по телефону горячей линии: (831) 416-13-13.

Плотность электролита в аккумуляторе — способы повышения плотности электролита

Аккумуляторная батарея – один из основных элементов автомобиля, отвечающих за пуск двигателя. Значение аккумулятора сложно переоценить, ведь без него невозможно завести мотор, а, значит, машина своим ходом передвигаться не сможет. Именно поэтому АКБ требует к себе особого внимания, исключающего возникновение неприятных ситуаций в виде невозможности совершить запланированную поездку. При этом стоит отметить, что для поддержания работоспособности это важного источника питания не требуется предпринимать каких-то сверхусилий, а достаточно выполнять лишь небольшой комплекс профилактических мер.

Свинцовая аккумуляторная батарея представляет собой гальванический элемент, внутри которого химическая энергия в результате протекающих реакций преобразуется в электрическую. Этот процесс невозможен без электролита – раствора кислоты, обеспечивающего движение заряженных частиц между погруженными в него электродами. Как правило, электролит представляет собой водный раствор серной кислоты определенной плотности. Именно такой параметр как плотность электролита оказывает значительное влияние на работоспособность аккумулятора, поэтому периодически его нужно контролировать.

Измерение плотности электролита в аккумуляторе

Измерить плотность залитого в свинцовый аккумулятор электролита не так уж сложно, однако есть определенные нюансы, связанные с особенностями устройства и принципом работы АКБ. Перечислим некоторые важные моменты, которые надо учесть:

  • Осуществить процедуру измерения плотности получится только в случае с так называемым обслуживаемым аккумулятором, который предоставляет доступ к банкам (секциям) с электролитом посредством закрытых крышками заливных отверстий. Как раз через эти отверстия (обычно их число равно шести, как и количество секций) и осуществляется забор состава для замера плотности.
  • В процессе своей работы автомобильная аккумуляторная батарея постоянно заряжается и разряжается. Разряд происходит при прокручивании стартера, а заряд – при уже заведенном двигателе от генератора. В зависимости от степени заряженности меняется и плотность электролита. Значения могут колебаться в пределах 0.15-0.16 г/см
    3
    . Важно отметить, что автомобильный генератор не способен полностью зарядить аккумуляторную батарею. При штатной работе на машине потенциал АКБ используется только на 80-90%. Полный заряд может обеспечить только внешнее зарядное устройство, к которому обязательно придется прибегнуть перед осуществлением замера плотности электролита.
  • Плотность электролита зависит от его температуры. Обычно замер производится при температуре +25 °С, в противном случае делаются поправки.

Допустим, все вышеперечисленные условия приняты во внимание, и есть возможность приступить непосредственно к замеру плотности. Для этого понадобится специальный прибор – денсиметр, который состоит из ареометра, резиновой груши и стеклянной трубки с наконечником. Прибор вводится в банку аккумулятора через заливное отверстие, а затем осуществляется засасывание электролита с помощью резиновой груши. Оно происходит до тех пор, пока ареометр не всплывет. Показания считываются после того, как прекратятся колебания ареометра и появится возможность определения точного значения. Отсчет показаний производится по шкале, при этом взгляд должен находиться на уровне поверхности жидкости.

Полученное значение должно входить в диапазон 1.25-1.27 г/см

3, если автомобиль эксплуатируется в средней полосе. В холодной климатической зоне (средняя месячная температура января ниже -15 °С) показатель должен находиться в интервале 1.27-1.29 г/см3. Проверять плотность электролита на соответствие этим числам нужно в каждой из шести банок аккумулятора. Показания не должны отличаться более чем на 0.01 г/см3, иначе потребуется их корректировка.

Как мы уже говорили, плотность электролита изменяется в зависимости от температуры. Это значит, что зимой и летом жидкость в одном и том же полностью исправном аккумуляторе будет иметь разную плотность. О том, насколько будут разниться показания, дает представление приведенная ниже таблица.

Температура электролита, °С Поправка к показанию денсиметра, г/см3 Температура электролита, °С Поправка к показанию денсиметра, г/см3
-55…-41 -0.05 +5…+19 -0.01
-40…-26 -0.04 +20…+30 0
-25…-11 -0.03 +31…+45 +0.01
-10…+4 -0.02 +46…+60 +0.02

Зависимость температуры замерзания электролита от его плотности демонстрирует еще одна таблица. На основе этих данных можно установить оптимальную плотность электролита для конкретных климатических условий. Нижняя граница подобранного интервала должна гарантировать, что электролит не замерзнет даже при самых сильных холодах и обеспечит требуемое для прокручивания стартера усилие. В то же время чрезмерно завышать плотность тоже нельзя, так как на положительных электродах аккумулятора начинают ускоряться коррозионные процессы, приводящие к сульфатации пластин.

Плотность электролита при 25 °С, г/см3 Температура замерзания, °С Плотность электролита при 25 °С, г/см3 Температура замерзания, °С
1.09 -7 1.22 -40
1.10 -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 1.30 -66
1.18 -22 1.31 -64
1.19 -25 1.32 -57
1.20 -28 1.33 -54
1.21 -34 1.40 -37

Причины изменения плотности электролита

Зафиксированные в результате измерения плотности значения не всегда соответствуют требуемым показателям. Расхождения могут касаться как отдельных банок аккумулятора, так и всех вместе. Если плотность завышена, то нужно обратить в первую очередь внимание на уровень электролита. Низкий уровень в большинстве случае является последствием электролиза, приводящего к разложению входящей в состав электролита воды на водород и кислород. Этот процесс выражается в появлении на поверхности жидкости пузырьков, что обычно происходит при зарядке аккумулятора. Частое «кипение» может приводить к снижению концентрации воды, и этот вопрос решается ее простым добавлением. Доливать в аккумулятор стоит только дистиллированную воду, контролируя при этом уровень электролита. Подробнее о корректировке плотности электролита поговорим ниже.

Если с повышенной плотностью все ясно, то с пониженной ситуация несколько сложнее. В теории, одной из причин понижения плотности, может быть то, что по какой-то причине в электролите уменьшилась доля серной кислоты. Однако на практике это маловероятно, так как сама по себе она обладает высокой температурой кипения, исключающей испарение даже при интенсивном нагреве, который происходит, например, при зарядке аккумуляторной батареи. Более распространенной причиной снижения плотности электролита является так называемая сульфатация пластин, заключающаяся в образовании на электродах сульфата свинца (PbSO4). На самом деле, это естественный процесс, происходящий при каждом разряде АКБ. Но дело в том, что при нормальном режиме работы после разряда аккумулятора обязательно происходит его заряд (на автомобиле аккумулятор постоянно подзаряжается от генератора). Заряд сопровождается обратным преобразованием сульфата свинца в свинец (на катоде) и двуокись свинца (на аноде) – в те активные вещества, которые составляют основу электродов и непосредственно участвуют в химическом процессе внутри аккумуляторной батареи. Если АКБ находится длительное время в разряженном состоянии, сульфат свинца кристаллизуется, безвозвратно теряя способность участвовать в химических реакциях. Это очень неприятный процесс, в результате которого аккумулятор уже не получится зарядить полностью даже при использовании внешнего зарядного устройства ввиду того, что не вся площадь пластин задействована в работе. Так как аккумулятор не заряжается до конца, то и плотность электролита не восстанавливается до своих исходных значений. По сути, здесь уже идет разговор об устранении нарушений в нормальном функционировании аккумулятора.

Частичную сульфатацию пластин можно устранить с помощью контрольно-тренировочных циклов, заключающихся в заряде и последующем разряде батареи до определенного уровня. Большинство современных зарядных устройств имеют такую функцию, поэтому имеет смысл ей воспользоваться, особенно если аккумулятор по какой-то причине долго находился в разряженном состоянии. Процедура десульфатации весьма длительная и может занять до нескольких дней. Если она не принесла результата, то крайней мерой является увеличение плотности с помощью добавления корректирующего электролита (плотность около 1.40 г/см3). Такой способ можно рассматривать только как временное решение проблемы, потому что причина как таковая не устраняется.

Как поднять плотность электролита

Понизить или повысить плотность электролита в аккумуляторе можно путем откачивания его определенного количества, и долива взамен дистиллированной воды или электролита с повышенной плотностью (корректирующего). Данная процедура требует больших временных затрат, так как цикл откачки-долива может повторяться несколько раз, пока не будет достигнуто требуемое значение. После каждой корректировки необходимо поставить аккумулятор на зарядку (минимум на 30 минут), а затем дать ему постоять (0.5-2 часа). Эти действия необходимы для лучшего перемешивания электролита и выравнивания плотности в банках.

В процессе поднятия (или понижения) плотности электролита не стоит забывать и о контроле его уровня. Он осуществляется стеклянной трубкой с двумя отверстиями по краям. Один край погружается в электролит до тех пор, пока не упрется в предохранительную сетку. Далее верхний конец закрывается пальцем, а сама трубка осторожно поднимается вместе со столбиком жидкости внутри. Высота этого столбика указывает на расстояние от верхней кромки пластин до поверхности залитого электролита. Оно должно составлять 10-15 мм. Если аккумулятор имеет индикатор (тубус) или прозрачный корпус с нанесенными метками минимума и максимума, то контролировать уровень значительно проще.

Не стоит забывать, что все операции с электролитом необходимо выполнять осторожно, используя защитные перчатки и очки.

Как измерить плотность электролита – видео

Напряжение аккумулятора и плотность электролита

ПОДБОР АККУМУЛЯТОРА ПО ХАРАКТЕРИСТИКАМ

ПОДБОР АККУМУЛЯТОРА ПОД АВТОМОБИЛЬ

При эксплуатации аккумулятора рано или поздно приходится сталкиваться с его обслуживанием. Обслуживание аккумулятора всегда подразумевает знакомство с понятием напряжение аккумулятора и плотность электролита.

Напряжение аккумулятора

Напряжение автомобильного аккумулятора делится на 2 типа: номинальное, фактическое и под нагрузкой. Номинальное напряжение легкового автомобильного аккумулятора равняется 12 вольт. Фактическое напряжение у полностью заряженного аккумулятора колеблется в пределах от 12,4В до 12,8В. Напряжение под нагрузкой (200А) должно быть не менее 9,5В, но как правило оно составляет у новой АКБ 10,3-10,7В. Оно при нагрузке в течении 10 секунд не должно упасть ниже минимума. Напряжение под нагрузкой измеряется для получения информации способности АКБ «держать» напряжение при запуске двигателя, то есть при потреблении стартером. Допустимым для эксплуатации является напряжение 12,5 В, что является 82% зарядки аккумуляторной батареи. Более подробно о зависимости степени зарядки АКБ от процента заряженности приведено на рисунке.

Проверка напряжения АКБ.

Для проверки напряжения аккумулятора нам необходим инструмент для измерения – вольтметр, нагрузочная вилка или мультиметр. Чтобы измерить напряжение АКБ, необходимо заглушить автомобиль, подождать 30 минут пока уйдет поверхностное напряжение и вольтметром измерить напряжение на клеммах. Чтобы измерить напряжение под нагрузкой, необходимо использовать нагрузочную вилку. Напряжение АКБ на полюсных выводах зависит от температуры электролита (в идеале надо проверять при температура 25 градусов)– таблица зависимости приведена ниже.

Проверка плотности аккумулятора.

Для проверки плотности АКБ необходимы следующие инструмента: плоская отвертка (если на каждой банке стоит пробка – отвертка должна быть большой), ареометр. Если на аккумуляторы стоит общая крышка-планка, ее необходимо аккуратно отщелкнуть для доступа к электролиту. В ареометр набрать из первой банки электролит, снять показания с меток поплавка. Как правильно снимать данные с поплавка ареометра показано на рисунке. Плотность необходимо измерять в каждой банке – они не являются сообщающимися сосудами и бывает, что плотность может колебаться в банках в пределах до 0,02. Если в одной из банок плотность электролита резко отличается от других и стремится к единице, то скорее всего в этой банке скорее произошло короткое замыкание, что является заводским дефектом и подлежит замене продавцом (хотя это может быть следствием других деффектов). Кстати, индикатор заряда, установленных на некоторых моделях АКБ работает по принипу ареометра — шарик, как и поплавок всплывает при нормальной плотности электролита. Причем это шарик, а не лампочка, как многие думают.

Плотность аккумулятора должна быть в пределах 1,26-1,28 при температуре 25 градусов Цельсия.

Повышение плотности аккумулятора.

Плотность электролита аккумулятора повышают одним единственным путем – путем зарядки аккумулятора. Доливать электролит для поднятия плотности ни в коем случае нельзя – это самый страшный бред, который могли придумать мастера-самоучки, не понимающие законов химии и физики, т.к. это приведет к ускоренному осыпанию активной массы и убьет аккумулятор. Электролит доливают только в случае, если произошло проливания электролита из АКБ, но эту процедуру лучше доверить профессионалом. Есть одно исключение – для северных регионов России (в районах с вечной мерзлотой) допускается поднятие плотности будет доливки электролита до плотности 1,30 – это делают для поднятия температуры замерзания электролита, не более. Такие аккумуляторы служат в среднем 1 год. Для теплого климата плотность электролита намерено уменьшают, чтобы продлить его срок службы.

Напряжение автомобильного аккумулятора и плотность взаимосвязаны. При повышении напряжения, плотность аккумулятора растет. 

Аккумулятор это химический источник тока, для исправной работы которого должны протекать определенные химические процессы. В процессе разряда аккумулятора, серная кислота «прилипает» к отрицательному электроду, образуя нерастворимый сульфат свинца, оставл

Очень часто от продавцов в автомагазинах можно услышать рекомендации о гибридных аккумуляторах. Так что же такое гибридный аккумулятор? Гибридный аккумулятор для автомобиля внешне не отличим от других кислотных аккумуляторов, не считая обозначения на этик

В жигулевскую эпоху завести одну машину от другой было в порядке вещей. А сейчас?


%TEXTAREA_VALUE

Сохранить Отменить

Ваш комментарий успешно добавлен и будет опубликован после просмотра модератором.

плотность электролита — это… Что такое плотность электролита?

плотность электролита
electrolyte density

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

  • плотность шихты
  • плотность элементов

Полезное


Смотреть что такое «плотность электролита» в других словарях:

  • плотность электролита — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN density of acid …   Справочник технического переводчика

  • плотность тока — [current density, specific current] величина тока I, приходящаяся на единицу поверхности S электрода поверхность плотности тока jпов = I/S, А • м 2 или на единицу объема V электролита объемная плотность тока j0 = I/V, А • м 3. В зависимости от… …   Энциклопедический словарь по металлургии

  • Электролиты индирования (температура электролита 18-25°С) — Компоненты электролита (г/л) и режим электролиза Тип электролита сернокислый борфтористоводородный тартратный сульфаматный Индий сернокислый …   Химический справочник

  • Проверка плотности температуры электролита. — 3. Проверка плотности температуры электролита. Плотность и температура электролита каждого элемента в конце заряда и разряда батареи должны соответствовать данным завода изготовителя. Температура электролита при заряде должна быть не выше +40 °С …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Химический анализ электролита. — 4. Химический анализ электролита. Электролит для заливки кислотных аккумуляторных батарей должен готовиться из серной аккумуляторной кислоты сорта А по ГОСТ 667 73* и дистиллированной воды по ГОСТ 6709 72. Содержание примесей и нелетучего остатка …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • Свинцово-кислотный аккумулятор — Автомобильный свинцово кислотный аккумулятор См. также: Автомобильный аккумулятор Свинцово кислотный аккумулятор  наиболее распространенный на сегодняшний день тип …   Википедия

  • Автомобильный аккумулятор — 12В Автомобильный аккумулятор (для краткости может именоваться АКБ)  тип электрического аккумулятора, применяемый на автомобильном или мототранспорте. Энергия аккумулятора используется в первую очере …   Википедия

  • Электролит (аккумуляторный) — смесь серной кислоты с дистиллированной водой для заливки в свинцово кислотную аккумуляторную батарею. Электролит для заливки в свинцово кислотную аккумуляторную батарею готовят из серной кислоты (ГОСТ 667 73) и дистиллированной воды (ГОСТ 6709… …   Википедия

  • саморазряд химического источника тока — саморазряд Потеря энергии химическим источником тока, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов. [ГОСТ 15596 82] саморазряд Потеря химической энергии, обусловленная самопроизвольными реакциями внутри батареи, когда она не… …   Справочник технического переводчика

  • Свинцовый аккумулятор — Автомобильный свинцово кислотный аккумулятор Аккумулятор электромобиля Свинцово кислотный аккумулятор наиболее распространенный на сегодняшний день тип аккумуляторов, изобретен в 1859 году французским физиком Гастоном Планте. Основные области… …   Википедия

  • Аккумуляторы электрической энергии — АККУМУЛЯТОРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГІИ, обратимые гальваническіе элементы, способные возобновлять запасы своей энергіи отъ посторонняго источника. Существуетъ много различныхъ системъ электр. А въ, но въ техникѣ военно морского дѣла получилъ… …   Военная энциклопедия

Плотность электролита. Какая она? | Дорожный бложик

Продолжаем разговор начатый в первой части. И так, например, если емкость батареи составляет 60 ампер часов, то умножив 60 на 0.1, получаем ток, равный шести амперам. Но следует помнить, что это — значение максимального тока. Поэтому лучше всего производить заряд током, равным 5 процентам от емкости аккумулятора. Используя такой ток, вы получите более глубокий и полный заряд АКБ.

Если вы используете не механическое зарядное устройство, а процессорное, в котором доступны только токи, равные 2, 6, 12 амперам, то стоит выбирать ток, близкий к максимальному значению.

Также помимо полного заряда, вы сможете выровнять плотность электролита во всех отсеках аккумуляторной батареи.

Нормальной плотностью электролита считается плотность, колеблющаяся в диапазоне от 1.27 до 1.28 грамм на кубический сантиметр при температуре от 23 до 25 градусов по Цельсию.

Чем ниже значение плотности электролита внутри аккумуляторной батареи, тем быстрее и сильнее она разряжается. Так, например, уменьшение плотности на одну сотую грамма на кубический сантиметр по сравнению с номинальной, которая, как вы помните, была указана чуть выше, пропорциональна разряду аккумулятора на 6 – 9 процентов.

Пониженная плотность электролита, особенно в зимнее время, чревата его замерзанием. Так, например, падение плотности до 1.20 граммов на кубический сантиметр приведет к его замерзанию при температуре окружающей среды около -20 градусов по Цельсию.

Для сравнения, если плотность электролита соответствует номинальному значению 1.28 грамма на сантиметр в кубе, то это позволяет увеличить температуру его замерзания до -65 градусов по Цельсию.

Обильное выделение газа, так называемое “кипение”, и не именное значение плотности электролита на протяжении 1.5 – 2 часов свидетельствуют о том, что аккумуляторная батарея полностью заряжена.

Во время зарядки АКБ не стоит заряжать ее на повышенных токах, превышающих ее максимально допустимое значение. На зарядных устройствах такой режим зарядки обозначается чаще всего как “быстрая зарядка” или “режим BOOST”. В качестве рекомендации стоит отметить то, что не стоит им пользоваться. Не смотря на то, что аккумуляторная батарея заряжается быстрее, такой способ зарядки пагубно сказывается на самом аккумуляторе и сокращает допустимый срок его эксплуатации. Кроме того, это способствует более быстрому процессу сульфатации свинцовых пластин.

После того как аккумулятор зарядился, стоит снова проверить уровень и плотность электролита внутри.

Продолжение >>>

Инструкция по эксплуатации автомобильных аккумуляторных батарей.

 

Для безопасного и максимально длительного срока службы Вашей аккумуляторной батареи, мы рекомендуем ознакомиться с рядом простых правил по ее эксплуатации:

1. БЕЗОПАСНОСТЬ.
Первое, на что стоит обратить внимание, это безопасность. Категорически запрещается использование батареи вблизи открытых источников огня и замыкать между собой полюсные клеммы аккумулятора. Старайтесь не наклонять батарею больше чем на 45 градусов, во избежание вытекания ее содержимого (электролита). При попадании электролита на открытые участки кожи следует незамедлительно промыть их обильным количеством воды, после чего обезвредить пораженный участок 5% раствором соды и аммиака, при необходимости показать пораженный участок врачу.

2. СНЯТИЕ И УСТАНОВКА АКБ.
Перед снятием или установкой батареи убедитесь, что все потребители электроэнергии выключены. При отключении аккумуляторной батареи, первой отключается отрицательная клемма (-), после чего положительная (+). Подключение аккумулятора производится в обратном порядке, сначала подключается положительная, затем отрицательная клеммы. После установки АКБ (аккумуляторной батареи) необходимо удостовериться, что батарея надежно закреплена на площадке, а высоковольтные провода четко зафиксированы на клеммах.

3. ЭКСПЛУАТАЦИЯ АКБ.
Немаловажными в процессе использования аккумуляторной батареи являются условия, в которых она содержится. Рекомендуется раз в три месяца протирать батарею, особенно ее верхнюю часть, на которой могут быть следы электролита, влажной тряпкой, во избежание возникновения нежелательной электрической связи. Обязательно выкиньте тряпку сразу после протирки. Плюсовые и минусовые клеммы аккумулятора должны быть закрыты специальными коробами или смазаны густой нейтральной смазкой во избежание их окисления и последующей коррозии. Чтобы не разрядить аккумулятор, пуск двигателя автомобиля в условиях минусовых температур рекомендуется производить короткими (до 10 секунд) включениями стартера, с интервалом не менее полминуты. Допускается использование аккумуляторных батарей, если напряжение разомкнутой цепи батареи (без нагрузки) составляет не менее 12,6 Вольт, напряжение под нагрузкой должно быть не ниже 11 Вольт. Напряжение измеряется датчиками автомобиля или нагрузочной вилкой. Плотность электролита во всех аккумуляторах (ячейках АКБ) должна быть не ниже 1,26г/см3. В случае, если произошел глубокий разряд батареи, необходимо как можно скорее произвести ее заряд. В условиях низких температур снижение плотности электролита может привести к замерзанию АКБ, что влечет за собой разрушение пластин и корпуса. Заряд АКБ может производиться двумя способами — при постоянном токе или при постоянном напряжении. При постоянном токе равном 1/10 емкости 12 Вольтовой батареи, АКБ заряжают до тех пор, пока напряжение не достигнет 14,4 Вольт, далее сила зарядного тока снижается вдвое и заряд продолжается до постоянства напряжения и плотности электролита в ячейках в течение двух часов. При этом в конце заряда наблюдается бурное выделение газа, приводящее к кипению электролита. Заряд при постоянстве напряжения производится в течение суток зарядными устройствами, обеспечивающими зарядное напряжение не менее 16 Вольт. Не допускается перезаряд аккумуляторной батареи. Перезаряд АКБ снижает срок службы и приводит к неисправности.

4.СРОК СЛУЖБЫ АКБ

Гарантийные сроки эксплуатации АКБ установлены ГОСТом не менее 18 месяцев. Однако, практически все виды производственных дефектов, если таковые имеются, выявляются в течение первых 6 месяцев регулярной эксплуатации. Величина срока реальной службы АКБ зависит от условий эксплуатации, качества электрооборудования, режима работы автомобиля, условий контроля и ее своевременного обслуживания. Снижает срок жизни АКБ работа в режиме «такси», глубокий разряд или перезаряд АКБ. Максимальный срок надежной безотказной работы АКБ достигается регулярным контролем ее состояния и работы электрооборудования.

5. УТИЛИЗАЦИЯ АКБ.
По истечении своего срока службы, аккумуляторная батарея подлежит утилизации. Стоит помнить, что аккумуляторная батарея относится к 1 классу опасности и ее содержимое, по сути, является ядом. На сегодняшний день, в рамках Правительственной программы по сбору и утилизации отработавших свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, на территории Москвы и Московской области, работает ряд лицензированных компаний, которые занимаются приемом АКБ как у юридических, так и у физических лиц. Участие в этой программе, поможет сохранить природу! Стоит отметить, что компании не берут денег за утилизацию аккумулятора, а в некоторых случаях даже выкупают их.

 

 

Плотность электролита в аккумуляторе

Проверять плотность проводника электрического тока в аккумуляторе следует регулярно. Процесс является важным во всей системе обслуживания батареи. В свинцовых аккумуляторах плотность измеряется в г/см3 и пропорциональна концентрации раствора.

Почему важно поддерживать оптимальную плотность?

По плотности электролита аккумулятора можно определить состояние батареи. Если значение плотности понизилось, скорее всего, произошел сбой. Он может быть связан с:

  • наличием дефекта ячейки;
  • обрывом цепи;
  • глубоким разрядом батареи.

Аккумулятор не держит заряд? Следует в первую очередь проверить состояние электролита.


Важно! В ходе эксплуатации батареи вода постепенно испаряется. По этой причине электролит становится более концентрированным. Это может негативно сказаться на состоянии аккумулятора, сократив срок его службы.

Чем проверить?

Проверить плотность можно с помощью специального прибора. Его называют «денсиметр» (ареометр). Обычно проверки осуществляются при температуре +25 градусов.

При отсутствии специального прибора проверка может быть выполнена с помощью вольтметра (он есть практически у каждого автовладельца). Просто подключите к клеммам аккумулятора автомобильный тест и определите показатель напряжения.

Он должен варьироваться в диапазоне от 11,9 до 12,5 В.

Под нагрузкой показатели также изменяются. Минимальным является напряжение 13,9 В, максимальным – 14,4 В.

Какая должна быть плотность электролита в аккумуляторе?

Нормальная плотность зависит от климатической зоны, в которой используется аккумулятор. 

В зонах с умеренным климатом показатель плотности электролита в аккумуляторе может варьироваться от 1,25 до 1,27 г/см3.

В холодных зонах показатель является более высоким (на 0,01).

В жарких зонах показатель сокращается на 0,01 г/см3.

Важно! Плотность электролита влияет на емкость аккумулятора и срок его службы. Чем она меньше в полностью заряженном аккумуляторе, тем дольше прослужит устройство.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Разработка анодов натриевых батарей с высокой плотностью энергии для улучшенного циклирования с использованием сверхконцентрированных ионно-жидких электролитов

  • 1.

    Федоров М.В., Корнышев А.А. Ионные жидкости на электрифицированных границах раздела. Chem. Ред. 114 , 2978–3036 (2014).

    CAS Google ученый

  • 2.

    Сюй, К. Электролиты и межфазные границы в литий-ионных батареях и не только. Chem. Ред. 114 , 11503–11618 (2014).

    CAS Google ученый

  • 3.

    Cheng, X. B. et al. Обзор межфазных границ твердого электролита на аноде из металлического лития. Adv. Sci. 3 , 1–20 (2015).

    Google ученый

  • 4.

    Линь Д., Лю Ю. и Цуй Ю. Возрождение металлического литиевого анода для высокоэнергетических батарей. Nat. Nanotechnol. 12 , 194–206 (2017).

    CAS Google ученый

  • 5.

    Ченг, X. Б., Чжан, Р., Чжао, Ч. З. и Чжан, К. К безопасному литиево-металлическому аноду в аккумуляторных батареях: обзор. Chem. Ред. 117 , 10403–10473 (2017).

    CAS Google ученый

  • 6.

    Ли, Б., Пэк, Э., Митлин, Д. и Ли, С. В. Аноды из металлического натрия: новые решения для роста дендритов. Chem. Ред. 119 , 5416–5460 (2019).

    CAS Google ученый

  • 7.

    Watanabe, M. et al. Применение ионных жидкостей для накопления и преобразования энергии в материалах и устройствах. Chem. Ред. 117 , 7190–7239 (2017).

    CAS Google ученый

  • 8.

    Mezger, M. et al. Молекулярное расслоение фторированных ионных жидкостей на заряженной поверхности сапфира (0001). Surf. Sci. 322 , 424–428 (2008).

    CAS Google ученый

  • 9.

    Mao, X. et al. Самособирающиеся наноструктуры в ионных жидкостях способствуют накоплению заряда на электрифицированных границах раздела. Nat. Матер. 18 , 1350–1357 (2019).

    CAS Google ученый

  • 10.

    Блэк, Дж. М. и др. Фундаментальные аспекты измерения силы и расстояния двойного электрического слоя на границах раздела жидкость-твердое тело с помощью атомно-силовой микроскопии. Sci. Отчет 6 , 1–12 (2016).

    Google ученый

  • 11.

    Блэк, Дж. М. и др. Смещенно-зависимая структура двойного электрического слоя в ионной жидкости на графите на молекулярном уровне. Nano Lett. 13 , 5954–5960 (2013).

    CAS Google ученый

  • 12.

    Смит А. М., Ли А. А. и Перкин С. Длина электростатического экранирования в концентрированных электролитах увеличивается с концентрацией. J. Phys. Chem. Lett. 7 , 2157–2163 (2016).

    CAS Google ученый

  • 13.

    Su, Y.-Z., Fu, Y.-C., Yan, J.-W., Chen, Z.-B. И Мао, Б.-В. Двойной слой границы раздела Au (100) / ионная жидкость и его стабильность в ионных жидкостях на основе имидазолия. Angew. Chem. Int. Эд. 48 , 5148–5151 (2009).

    CAS Google ученый

  • 14.

    Elbourne, A. et al. Наноструктура слоя Штерна ионного жидкого графита. ACS Nano 9 , 7608–7620 (2015).

    CAS Google ученый

  • 15.

    Мотобаяси К., Минами К., Ниши Н., Сакка Т. и Осава М. Гистерезис потенциально-зависимых изменений плотности ионов и структуры ионной жидкости на золотом электроде: наблюдение на месте с поверхности -Улучшенная инфракрасная абсорбционная спектроскопия. J. Phys. Chem. Lett. 4 , 3110–3114 (2013).

    CAS Google ученый

  • 16.

    Нанбу, Н., Сасаки, Ю. и Китамура, Ф. Фурье-спектрометрическое наблюдение с помощью ИК-Фурье-спектрометрии при комнатной температуре на границе раздела фаз расплавленной соли и золотого электрода. Электрохим. Commun. 5 , 383–387 (2003).

    CAS Google ученый

  • 17.

    Rubim, JC, Trindade, FA, Gelesky, MA, Aroca, RF & Dupont, J. Поверхностно-усиленная колебательная спектроскопия ионной жидкости тетрафторборат-1-н-бутил-3-метилимидазолия (BMIBF4) на серебряных поверхностях . J. Phys. Chem. С. 112 , 19670–19675 (2008 г.).

    CAS Google ученый

  • 18.

    Юань, Y.-X., Niu, T.-C., Xu, M.-M., Yao, J.-L. И Гу, Р.-А. Исследование адсорбции метилимидазола на границе раздела ионная жидкость / Cu электрод с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния света с усиленной поверхностью. J. Raman Spectrosc. 41 , 516–523 (2010).

    CAS Google ученый

  • 19.

    Балделли, С. Структура поверхности на границе раздела ионная жидкость-электризованный металл. В соотв. Chem. Res. 41 , 421–431 (2008).

    CAS Google ученый

  • 20.

    Hu, Z., Vatamanu, J., Borodin, O. & Bedrov, D. Исследование двойного электрического слоя и емкости [BMIM] [PF 6 ] и [BMIM] методом молекулярной динамики. ] [BF 4 ] ионные жидкости комнатной температуры вблизи заряженных поверхностей. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 , 14234–14247 (2013).

    CAS Google ученый

  • 21.

    Бегич, С., Ли, Х., Аткин, Р., Холленкамп, А. Ф. и Хоулетт, П. С. Сравнительное АСМ исследование межфазной наноструктуры в имидазолиевых или пирролидиновых ионных жидких электролитах для цинковых электрохимических систем. Phys. Chem. Chem. Phys. 18 , 29337–29347 (2016).

    Google ученый

  • 22.

    Forsyth, M. et al. Настройка межфазной химии натрия с помощью смешанных анионных ионных жидких электролитов. ACS Appl.Матер. Интерфейсы 11 , 43093–43106 (2019).

    CAS Google ученый

  • 23.

    Liu, Z. et al. Бездендритное электроосаждение нанокристаллического цинка из ионной жидкости, содержащей трифлат никеля, для аккумуляторных батарей на основе цинка. Angew. Chem. Int. Эд. 55 , 2889–2893 (2016).

    CAS Google ученый

  • 24.

    Ли, Х., Эндрес, Ф. и Аткин, Р. Влияние длины алкильной цепи и разновидностей анионов на межфазную наноструктуру ионных жидкостей на границе раздела Au (111) -ионная жидкость как функция потенциала. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 , 14624–14633 (2013).

    CAS Google ученый

  • 25.

    Atkin, R. et al. АСМ и СТМ исследования поверхностного взаимодействия ионных жидкостей [BMP] TFSA и [EMIm] TFSA с Au (111). Дж.Phys. Chem. С 113 , 13266–13272 (2009).

    CAS Google ученый

  • 26.

    Карстенс Т., Лахири А., Борисенко Н. и Эндрес Ф. Ионный жидкий электролит на основе [Py1,4] -FSI-NaFSI для натриевых батарей: сольватация Na + и межфазная наноструктура на Au (111). J. Phys. Chem. С 120 , 14736–14741 (2016).

    CAS Google ученый

  • 27.

    Hoffmann, V. et al. Влияние соли серебра на наноструктуру границы раздела Au (111) / ионная жидкость: исследование с помощью атомно-силовой микроскопии и теоретические концепции. Phys. Chem. Chem. Phys. 20 , 4760–4771 (2018).

    CAS Google ученый

  • 28.

    Лахири, А., Карстенс, Т., Аткин, Р., Борисенко, Н., Эндрес, Ф. Исследования с использованием атомно-силовой микроскопии in situ межфазной многослойной наноструктуры LiTFSI- [Py 1, 4 ] TFSI на Au (111): влияние концентрации ионов Li + на границу раздела Au (111) / IL. J. Phys. Chem. С 119 , 16734–16742 (2015).

    CAS Google ученый

  • 29.

    Girard, G. M. A. et al. Спектроскопические характеристики слоя SEI, сформированного на электродах из металлического лития в фосфониевых бис (фторсульфонил) имидных ионных жидких электролитах. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10 , 6719–6729 (2018).

    CAS Google ученый

  • 30.

    Юн, Х., Хоулетт, П. С., Бест, А. С., Форсайт, М. и Макфарлейн, Д. Р. Быстрая зарядка / разрядка литий-металлических батарей с использованием ионного жидкого электролита. J. Electrochem. Soc. 160 , 1629–1637 (2013).

    Google ученый

  • 31.

    Forsyth, M. et al. Новый механизм диффузии ионов Na + в смешанном органо-неорганическом ионном жидком электролите, приводящий к высокому числу переноса Na + и стабильному, высокоскоростному электрохимическому циклированию натриевых элементов. J. Phys. Chem. С 120 , 4276–4286 (2016).

    CAS Google ученый

  • 32.

    Zhang, H. et al. Ионный жидкий электролит с высококонцентрированным LiTFSI для литий-металлических батарей. Electrochimica Acta 285 , 78–85 (2018).

    CAS Google ученый

  • 33.

    Choudhury, S. et al. Проектирование твердожидкостных межфазных границ для натриевых батарей. Nat. Commun. 8 , 1–10 (2017).

    Google ученый

  • 34.

    Periyapperuma, K. et al. На пути к анодам из металлического лития: улучшенные характеристики при высокой плотности тока в сверхконцентрированной ионной жидкости. J. Mater. Chem. А 8 , 3574–3579 (2020).

  • 35.

    Уэйкхэм Д., Нельсон А., Уорр Г. Г. и Аткин Р. Зондирование поверхности протонной ионной жидкости с использованием коэффициента отражения рентгеновских лучей. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 , 20828–20835 (2011).

    CAS Google ученый

  • 36.

    Чен, Ф., Хоулетт, П. и Форсайт, М. Сольватация ионов натрия и высокое число переноса в сверхконцентрированных ионных жидких электролитах: теоретический подход. J. Phys. Chem. С 122 , 105–114 (2018).

    CAS Google ученый

  • 37.

    Хаскинс, Дж. Б., Баушлихер, К. В. и Лоусон, Дж. У. Ab Initio моделирование и электронная структура ионных жидкостей, легированных литием: структура, перенос и электрохимическая стабильность. J. Phys. Chem. B 119 , 14705–14719 (2015).

    CAS Google ученый

  • 38.

    Мацумото К., Окамото Ю., Нохира Т. и Хагивара Р. Термические и транспортные свойства Na [N (SO2F) 2] — [N-метил-N-пропилпирролидиния] [N (SO2F) 2] ионные жидкости для натриевых аккумуляторных батарей. J. Phys. Chem . С 119 , 7648–7655 (2015).

  • 39.

    Vicent-Luna, J. M. et al. Квантовая и классическая молекулярная динамика ионных жидких электролитов для аккумуляторов на основе Na / Li: молекулярные истоки поведения проводимости. ChemPhysChem 17 , 2473–2481 (2016).

    CAS Google ученый

  • 40.

    Giffin, G. A., Moretti, A., Jeong, S. & Passerini, S. Отделение эффективной ионной проводимости Li + от вязкости электролита для улучшения характеристик ячейки при комнатной температуре. J. Источники энергии 342 , 335–341 (2017).

    CAS Google ученый

  • 41.

    Gao, X., Wu, F., Mariani, A. & Passerini, S. Концентрированные электролиты на основе ионной жидкости для высоковольтных литиевых батарей с улучшенными характеристиками при комнатной температуре. ChemSusChem 12 , 4185–4193 (2019).

    CAS Google ученый

  • 42.

    Врубель П., Кубисиак П. и Эйлмес А. Взаимодействия в электролитах бис (фторсульфонил) имид / 1-этил-3-метилимидазолий-бис (фторсульфонил) имид натрия для Na-ионных аккумуляторов: выводы из моделирования молекулярной динамики. J. Phys. Chem. С 123 , 14885–14894 (2019).

    Google ученый

  • 43.

    Tsuzuki, S., Hayamizu, K. & Seki, S. Происхождение маловязкой ионной жидкости [emim] [(FSO 2 ) 2 N] и ее смеси литиевых солей: экспериментальное и теоретическое исследование коэффициентов самодиффузии, проводимости и межмолекулярных взаимодействий. J. Phys. Chem. B 114 , 16329–16336 (2010).

    CAS Google ученый

  • 44.

    Takenaka, N. et al. Микроскопический механизм образования межфазной пленки твердого электролита в литий-ионных аккумуляторах с высококонцентрированным электролитом. J. Phys. Chem. С 122 , 2564–2571 (2018).

    CAS Google ученый

  • 45.

    Махлоогиазад, Ф.и другие. Пластичная кристаллическая соль фосфония, легированная натриевой солью, в качестве твердотельного электролита для натриевых устройств: фазовое поведение и электрохимические характеристики. J. Mater. Chem. А 5 , 5770–5780 (2017).

    CAS Google ученый

  • 46.

    Yang, H. et al. N- этил -N- пропилпирролидиновый бис (фторсульфонил) амид ионные жидкие электролиты для натриевых вторичных батарей: влияние концентрации ионов Na. J. Phys. Chem. C 123 , 22018–22026 (2019).

    CAS Google ученый

  • 47.

    Periyapperuma, K. et al. Ионно-жидкие электролиты на основе пирролидиния-дицианамида с высокой концентрацией цинка для электрохимии Zn 2+ / Zn 0 в проточной среде. ACS Appl. Energy Mater. 1 , 4580–4590 (2018).

    CAS Google ученый

  • 48.

    Lindahl, E., Hess, B. & van der Spoel, D. GROMACS 3.0: пакет для молекулярного моделирования и анализа траекторий. Мол. Модель. Анну. 7 , 306–317 (2001).

    CAS Google ученый

  • 49.

    Ван, Р., Би, С., Прессер, В. и Фенг, Г. Систематическое сравнение силовых полей для молекулярно-динамического моделирования границ раздела Au (111) / ионная жидкость. Равновесие жидкой фазы. 463 , 106–113 (2018).

    CAS Google ученый

  • 50.

    Ватаману, Дж., Син, Л., Ли, В. и Бедров, Д. Влияние температуры на емкость ионных жидких электролитов на заряженных поверхностях. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 , 5174–5182 (2014).

    CAS Google ученый

  • Ионные корреляции вызывают чрезмерное экранирование заряда и гетерогенное зародышеобразование на границах раздела твердое тело – водный электролит

    Значение

    Распределение ионов на границе раздела заряженное твердое тело – вода, называемое двойным электрическим слоем (EDL), плохо изучено при высоких концентрациях ионов. отчасти из-за отсутствия описания взаимодействия между адсорбированными гидратированными ионами на молекулярном уровне.Здесь прямая визуализация зависящей от солености эволюции структуры EDL выявляет молекулярные корни неклассической трансформации EDL, в которой чрезмерное экранирование заряда и гетерогенное зародышеобразование управляются ион-ионными корреляциями на границах раздела. Это проявление атомистической основы неклассического поведения обеспечивает столь необходимое понимание влияния ионной кооперативности на заряженных границах раздела для разработки прогнозных моделей переноса элементов в естественных средах и передовых технологий для роста материалов и синтеза в солевых средах.

    Abstract

    Классические модели двойного электрического слоя (EDL) лежат в основе представления атомистической структуры и реакционной способности на заряженных границах раздела. Важным ограничением этих моделей является их зависимость от приближения среднего поля, которое строго справедливо для разбавленных водных растворов. Теоретическим усилиям по преодолению этого ограничения серьезно препятствует отсутствие визуализации структуры в широком диапазоне концентраций ионов. Здесь мы сообщаем о зависящей от солености эволюции структуры EDL на отрицательно заряженных границах раздела слюда-вода, показывая переход от компенсации заряда ленгмюровского типа в разбавленных солевых растворах к неклассическому экранированию заряда в высококонцентрированных растворах.Структура EDL в этом режиме перезарядки характеризуется развитием как латеральной позиционной корреляции между адсорбированными ионами, так и вертикальным наслоением чередующихся катионов и анионов, напоминающих структуры сильно коррелированных ионных жидкостей. Эти ионы EDL могут спонтанно превращаться в нанокристаллические ядра ионных соединений при пороговых концентрациях ионов, которые значительно ниже предела объемной растворимости. Эти результаты проливают свет на влияние ионной кооперативности, которая определяет неоднородное неклассическое поведение EDL в условиях высокой солености.

    Наше понимание поведения ионов на заряженных границах раздела твердое тело-вода основано на теориях двойного электрического слоя (EDL), которые представляют экранирование заряда как происходящее посредством двух явлений: взаимодействия ионов с определенными участками поверхности в Штерне (или внутреннем Гельмгольце) слоя и ионного взаимодействия со средним электростатическим полем в диффузном (или внешнем) слое Гельмгольца (т. е. с использованием линеаризованного уравнения Пуассона – Больцмана) (1). Хорошо известной слабостью этих классических теорий является то, что они явно игнорируют энергетические вклады от взаимодействий между адсорбированными ионами (2⇓ – 4) и эффекты гидратации (5⇓⇓ – 8).Поэтому они часто не в состоянии описать различные межфазные явления, происходящие при высокой солености, которые обычно существуют в геологических и биологических системах (9⇓ – 11), а также в химических и инженерных процессах (12⇓⇓ – 15). Например, недавний интерес к использованию сольватных электролитов-расплавов в электрохимических системах накопления энергии мотивирован увеличением окна стабильности электролита, которое, как предполагается, связано с образованием межфазной границы твердого электролита на электродах, но подробный механизм еще не описан. были полностью поняты (16⇓ – 18).Эти пробелы в нашем понимании молекулярного масштаба были узкими местами в разработке прогнозных моделей для восстановления окружающей среды и передовых технологий для выращивания и синтеза материалов.

    Здесь мы представляем in situ наблюдения атомистических деталей структуры EDL на границе раздела заряженное твердое тело – водный электролит, чтобы визуализировать молекулярное происхождение неклассического поведения в зависимости от солености. Распределение ионов, адсорбированных на отрицательно заряженной базовой поверхности мусковитовой слюды, четко определенной межфазной системе с фиксированной заряженной плотностью (8, 19, 20), изучается с использованием in situ рентгеновской отражательной способности высокого разрешения (XR) ( 21) для определения структуры атомного масштаба (т.е., распределение электронной плотности) как функция расстояния от границы раздела (22, 23). Наше исследование сосредоточено на простых водных электролитах на основе Rb + (т. Е. В растворах RbCl и RbI), в которых распределение Rb + , адсорбированных на границе раздела слюды и воды, проверяется непосредственно с помощью специфичного для элемента резонансного аномального XR (RAXR). ) (24, 25). Эти структуры сравниваются со структурами, полученными в результате моделирования молекулярной динамики (МД), выполненного с использованием методологии, ранее разработанной для систем галогенидов щелочных металлов (26).Эта комбинация экспериментального и вычислительного подходов обеспечивает неожиданное понимание, которое влияет на то, как мы рассматриваем и понимаем неклассические межфазные явления, связанные с ион-ионной корреляцией (2⇓ – 4) и гидратацией ионов (5⇓⇓ – 8) вблизи заряженной границы раздела. В частности, результаты проливают свет на то, каким образом структура поверхности и распределение заряда управляют адсорбцией ионов при высокой солености, при которой специфические взаимодействия между адсорбированными ионами приводят к сильным отклонениям от классических моделей EDL, включая чрезмерное экранирование заряда, многослойную адсорбцию ионов и, в конечном итоге гетерогенное зарождение и рост ионных кристаллов.

    Образцы для измерений XR были приготовлены с использованием свежесколотых кристаллов слюды мусковита в контакте с раствором RbCl или RbI в тонкопленочной ячейке (22) (Рис. 1 A , SI Приложение , Рис. S1). Все растворы были приготовлены при pH, близком к нейтральному (∼6), чтобы минимизировать влияние ионов гидроксония и гидроксила в системах. Сигналы XR, определяемые как отношение интенсивностей отраженного и падающего рентгеновских лучей (21), собирались как функция передачи импульса ( q ) вдоль нормали к поверхности, где q определяется как 4πsin (/2) / λ с , угол между падающим и отраженным рентгеновскими лучами, и λ = 0.689 Å, длина волны рентгеновского излучения при 18,0 кэВ ( Материалы и методы, ). Спектры RAXR были измерены как функция энергии фотонов, E , вблизи рентгеновских лучей K — энергия края поглощения Rb при серии фиксированных значений q . Как описано ранее (27), концентрация ионов в тонкопленочной ячейке со временем увеличивается из-за медленного испарения воды через проницаемую каптоновую мембрану. Выход флуоресценции (FY) Rb K α , измеренный как функция времени ( t ) и положения ( x ) поперек плоскости рассеяния, показывает наибольшее увеличение концентрации ионов в центре образца. поверхность (рис.1 В ). Насколько нам известно, это химическое изменение игнорировалось в большинстве предыдущих XR-исследований: в противном случае его влияние смягчается либо путем измерения данных в месте, удаленном от центра поверхности субстрата, либо путем частой промывки растворов в ячейке. . В этом исследовании мы воспользовались этим временным изменением в составе раствора, чтобы получить четкое представление о взаимосвязи между химией раствора и межфазной структурой. То есть мы постоянно отслеживали изменения состава растворенных ионов, в частности Rb + , используя Rb K α FY, оптимизируя схему измерения (т.е.е., угловой диапазон и время счета), чтобы завершить одно XR-сканирование в течение существенно более короткого периода времени (~ 3 мин вместо типичного времени> 30 мин) и тем самым минимизировать изменение концентрации ионов в каждом сканировании. Этот метод позволил нам получить несколько наборов данных XR (рис. 1 C ), охватывающих широкий диапазон концентраций Rb в течение одного эксперимента. Воспроизводимость данных XR проверяли и подтверждали повторением измерений с использованием восьми различных кристаллов слюды (приобретенных у Asheville-Shoonmaker Mica Company) ( SI, приложение , таблица S1).

    Рис. 1.

    Наблюдение структуры EDL на границе раздела мусковитовая слюда (001) –солевой раствор с использованием in situ рентгеновской отражательной способности высокого разрешения и МД моделирования. ( A ) Экспериментальная установка для определения коэффициента отражения рентгеновских лучей. Монокристаллическая слюда мусковита, контактирующая с раствором RbCl или RbI, помещается в тонкопленочную рентгеновскую кювету (22). ( B ) Зависимая от положения эволюция концентрации Rb ([Rb]) в клетке, зарегистрированная как функция времени. Данные (с начальным [Rb] 0.3 M) были получены путем перемещения образца слюды поперек плоскости рассеяния рентгеновских лучей. Черная стрелка с четырьмя кружками схематически показывает путь, по которому собирается серия наборов данных XR во время эволюции состава раствора в ячейке. ( C ) Серия наборов данных XR как функция [Rb]. Данные со средним значением [Rb] 0,36, 0,76, 1,6 и 2,6 M были собраны как функция переданного импульса ( q ) вдоль нормали к поверхности и нанесены на график после масштабирования в 10 раз −2 , 1 , 10 2 и 10 4 , соответственно, для ясности.( D ) Снимок модели MD при [Rb] = 0,5 M (желтый = Si; розовый = Al; красный = O; белый = H; голубой = K; фиолетовый = Rb; синий = Cl). Молекулы воды отображаются с помощью стиков.

    Результаты и обсуждение

    Серия наборов данных XR, измеренных при различных составах RbCl, показана на Рис. 2 A и SI Приложение , Рис. S2 – S4. Эти данные наносятся на график после нормализации к общей форме стержня усеченного кристалла (22) для визуального улучшения мелких деталей, связанных с изменениями межфазной структуры.Наиболее заметные изменения наблюдаются в диапазоне q от 0,8 до 1,7 Å –1 , в котором одинарный вогнутый узор при [Rb] ≤ ∼0,05 M постепенно трансформируется в узор дублета с увеличением [Rb] (рис. 2 А ). Это зависящее от концентрации изменение отличается от наших предыдущих результатов при более низком [Rb] (т. Е. От 0,001 до 0,020 M), в котором данные XR в значительной степени инвариантны с соленостью (22, 28, 29). В пределах этого диапазона более низких концентраций максимальное покрытие поверхности Rb + соответствует плотности катионного заряда, необходимой для компенсации плотности отрицательного заряда поверхности слюды.По сравнению с этими наблюдениями наши наблюдения при более высоких [Rb] показывают начало вторичной эволюции структуры EDL за пределами режима разбавленного электролита.

    Рис. 2.

    Структурные изменения на границе раздела мусковитовая слюда (001) –RbCl, измеренные с помощью рентгеновской отражательной способности и МД моделирования. ( A ) Нормализованный XR как функция [Rb] (0,022, 0,050, 0,090, 0,36, 0,49, 0,76, 0,84, 1,3, 2,1, 2,6, 3,7 и 6,7 M). Эти наборы данных масштабируются с коэффициентами 10 n –1 , где n (= 1, 2, 3,…) увеличивается с Bottom до Top , следуя последовательности увеличения [Rb].( B ) Профили полной электронной плотности, полученные из наиболее подходящих моделей данных XR. Результаты нормированы на плотность объемной воды и расширены пространственным разрешением данных (π / q max = ∼0,8 Å, где q max — максимальное q для каждого набора данных XR) . Толщина линии отражает неопределенность двух стандартных отклонений. Профиль в самом низком [Rb] (= 0,022 M) смещен на три, и каждый из последующих профилей смещен на один относительно предыдущего профиля.Специфические для Rb профили, полученные из данных RAXR в [Rb] = 0,003 и 0,4 M (ρ Rb0,003 и ρ Rb0,4 ), построены без вертикального смещения. ( C ) Профили полной электронной плотности, полученные из моделирования методом МД, как функция [RbCl] (= 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0 и 7,0 М). Результаты вычисляются из профилей плотности атомных ядер, взвешенных по количеству электронов, связанных с каждым ядром, и расширенных пространственным разрешением соответствующих данных XR.Профиль при [Rb] = 0,1 M смещен на пять, чтобы соответствовать смещению для профиля, определенного экспериментально при аналогичном [Rb] (= 0,09 M), и каждый из последующих профилей смещен на единицу от предыдущего профиля. Профили Rb, определенные методом MD в самом низком пределе [RbCl] и при 3,0 M (ρ Rb0,0 и ρ Rb3,0 ), построены без вертикального смещения, в то время как профили Cl, определенные методом MD в тех же решениях ( ρ Cl0.0 и ρ Cl3.0 ) нанесены пунктирными линиями с вертикальным смещением, равным четырем.Черные и зеленые открытые стрелки указывают на расположение Cl и вторичного Rb + , адсорбированных на границе раздела слюда (001) – вода, соответственно.

    Модели, наиболее подходящие для XR-данных ( SI Приложение , таблицы S2 – S4), связывают это неожиданное изменение в картине отражательной способности с избыточной адсорбцией Rb + на границе раздела слюда и воды. Каждый профиль полной электронной плотности, полученный из наиболее подходящей модели, имеет выступающий пик частиц раствора, адсорбированных на высоте ( z ) ∼2 Å (измеренной от верхней кислородной плоскости поверхности слюды) (рис.2 B и SI Приложение , рис. S2 – S4). Этот пик имеет электронную плотность, которая существенно выше, чем у объемной воды, и высоту, которая соответствует высоте внутренней сферы (IS) Rb + , адсорбированной в дитригональной полости на поверхности слюды (25). С увеличением [Rb] интегральная площадь под пиком (далее называемая фактором занятости) увеличивается, что указывает на усиленную адсорбцию IS Rb + . Дополнительные изменения в межфазной структуре за пределами поглощения IS Rb + включают появление и рост пиков электронной плотности на z ∼ 4 и 6.5 Å (обозначено черными и зелеными открытыми стрелками соответственно на рис. 2 B ).

    Зависящие от солености вариации в точном распределении Rb + , адсорбированного на границе слюда-вода, были определены с помощью RAXR, измеренного в 0,003- и 0,4-M растворах RbCl (рис. 2 B , SI Приложение , рис. . S5 и S6). В 0,003-М растворе полученный профиль Rb-специфичности (ρ Rb0,003 ) содержит IS Rb + при z ∼ 2 Å, что соответствует положению наивысшего пика электронной плотности профиля раствора. .Покрытие IS Rb + (ΓRbIS) составляет ∼0,8 Rb + / A UC , где A UC = 46,72 Å 2 — площадь элементарной ячейки в слюдяных (001 ) самолет. Профиль также имеет небольшую фракцию Rb + (с охватом ∼0,1 Rb + / A UC ), адсорбированную дальше (с центром около 6,5 Å, обозначено зеленой стрелкой внизу на Рис. 2 B ) с поверхности. Эти два адсорбированных компонента Rb + компенсируют ∼90% отрицательного заряда поверхности слюды (∼1e / A UC ) (22), что соответствует ожиданиям классических теорий EDL.В растворе с более высокой концентрацией ионов (т. Е. [Rb] = 0,4 M, Рис. 2 B и SI Приложение , Таблица S5) полученный профиль Rb (ρ Rb0,4 ) показывает существенное увеличение в покрытии IS Rb + по сравнению с покрытием 0,003 M RbCl (ρ Rb0,003 ). Покрытие IS Rb + для ρ Rb0.4 составило ∼1.5 Rb + / A UC , что почти вдвое больше, чем для ρ Rb0.003 . Этот специфичный для элементов анализ также показывает два дополнительных вида Rb + , которые расположены дальше от поверхности (на ∼6.5 и 11 Å) и имеют меньшее покрытие (∼0,5 и 0,3 Rb + / A UC соответственно), чем IS Rb + ( SI Приложение , Таблица S5). В целом, общее покрытие Rb + , адсорбированного на поверхности слюды (∼2,3 Rb + / A UC ), намного превышает количество, необходимое для компенсации заряда поверхности слюды (∼1 Rb + / A UC ), что указывает на возникновение чрезмерного экранирования заряда, которое значительно отличается от классических моделей EDL.

    Моделирование методом MD было применено для подтверждения зависимых от солености изменений в структуре EDL, наблюдаемых с помощью XR и RAXR. Вкратце, моделирование представляет пластину слюды мусковита, структуру 2M 1 с формулой элементарной ячейки KAl 2 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 на основе Catti et al. (30), при контакте с растворами различной концентрации в моделирующей ячейке с периодической репликацией 52,1 × 45,2 × 180,0 Å 3 (рис.1 D и SI Приложение , рис.S7; Материалы и методы ). Межатомные взаимодействия были описаны с использованием хорошо установленных силовых полей (31⇓⇓ – 34), выбранных на основе нашей предыдущей работы (26) и дополнительной проверки ( Материалы и методы и SI Приложение , рис. S8). Каждую систему уравновешивали в течение 1 нс, а затем моделировали в течение 30 нс при 298 K в каноническом ансамбле с фиксированным числом атомов, N , объемом V и температурой T ( NVT ) с Шаг по времени 1 фс.

    Профили электронной плотности, полученные из МД-моделирования в растворах RbCl, в целом согласуются с экспериментальными наблюдениями по нашим измерениям XR (например, рис. 2 C по сравнению с рис. 2 B ). Моделирование подтверждает, что увеличение электронной плотности при z ∼ 2 Å связано с адсорбцией IS Rb + (как показано в ρRb0.0 и ρRb3.0, полученных из профилей атомной плотности Rb, взвешенных по количеству электронов. ). Они также показывают, что пик электронной плотности при 4 Å, который не виден Rb-RAXR, связан с адсорбцией Cl над плоскостью IS Rb + (обозначен черными стрелками на рис.2 B и C ). Наконец, они предсказывают существование дополнительных разновидностей Rb + на высоте ∼6,3 Å и ∼10 Å (показано в нижней части рис. 2 C ), но только при значительно более высоких концентрациях (т. Е. [RbCl] ≥ 2 M и 5 M соответственно), чем для RAXR (т.е. [RbCl] = 0,4 M; Рис. 2 B ). Отметим, что эта структура чередующихся слоев подобна колебательной структуре ионных жидкостей, наблюдаемой на заряженных границах раздела (35, 36), где образование дискретных слоев заряда контролируется балансом между стерическими и электростатическими силами между ионными частицами (37, 38).

    Мы также исследуем роль анионов путем сравнения данных XR, измеренных в водных растворах RbCl и RbI ( SI Приложение , рис. S9 и S10 и таблицы S6 и S7). При ∼0.02 ≤ [Rb] <∼1 M покрытия IS Rb + в растворах RbI увеличиваются с увеличением [Rb] сверх уровня, необходимого для компенсации заряда, что согласуется с явлением перезарядки, наблюдаемым в растворах RbCl (рис. 3 A ). В растворах RbI пик электронной плотности при z ∼ 4 Å, который при МД-моделировании приписывается коадсорбированным анионам (рис.2 C ), имеет больший коэффициент заполнения и высоту, что соответствует адсорбции более электронно-плотных и больших I , чем Cl (рис. 3 B и C и SI Приложение , рис. . S9). Однако, когда [Rb] ≥ ∼1 M, профили в растворах RbI показывают отчетливое атомное расслоение, которое простирается за пределы z = 10 Å ( SI Приложение , рис. S10), что резко контрастирует с профилями в растворах RbCl, которые показывают только общее увеличение общей электронной плотности в том же диапазоне высот без каких-либо заметных изменений тонкой структуры.Эти сложные межфазные структуры в RbI обусловлены гетерогенным зарождением и ростом кристаллов RbI на поверхности слюды (39, 40). При [RbI] ≥ ∼1 M данные XR показывают рост новых пиков Брэгга при q = 2,24 и 4,48 Å −1 , соответствующих рефлексам (111) и (222) кубических кристаллов RbI ( SI Приложение , рис. S10). В частности, эти сигналы рассеяния, такие как сигнал RbI (111), проявляются в виде четко определенных пиков, а не дуг (последняя из которых представляет собой картину дифракции рентгеновских лучей (XRD) произвольно ориентированного солевого порошка), что указывает на структурную структуру выравнивание этих вторичных кристаллов относительно плоскости слюды (001) ( SI Приложение , рис.S11). Примечательно, что эти растворы были недосыщены по отношению к твердой фазе ( SI Приложение ), подразумевая, что этому зарождению способствовало структурное сходство (т.е. эпитаксия) между плоскостью (001) поверхности слюды и (111 ) плоскости кристалла RbI. Гетерогенное зародышеобразование кристаллов RbI на поверхности слюды наблюдалось ранее (39, 40) и, согласно нашей интерпретации, этому способствовала эпитаксия. Напротив, аналогичное поведение не наблюдалось для RbCl, предположительно из-за того, что периоды решетки в плоскости RbCl (111) на ∼10% меньше, чем на поверхности слюды ( SI Приложение , рис.S11).

    Рис. 3.

    Контроль ионной кооперативности над межфазной энергией и структурами на границе раздела мусковитовая слюда и солевой раствор. ( A ) [Rb] -зависимые изменения покрытия IS Rb (Γ RbIS ) в RbCl и RbI от XR. Черная сплошная линия, проходящая через точки данных, получена из модели двух изотерм K ( SI Приложение ). Отклонение данных от классической изотермы Ленгмюра (зеленая сплошная линия) связано с перезарядкой. Теоретический предел, связанный с формальным зарядом поверхности слюды, также показан для сравнения.Также нанесен график изменения покрытия IS Rb, полученного в результате моделирования методом МД (белые кружки). Смоделированные данные показывают тенденции, аналогичные экспериментальным данным. Однако край адсорбции смещен на ∼10 в сторону более высокого [Rb], указывая на то, что смоделированная адсорбция Rb во время перезарядки слабее, чем определенная экспериментально. ( B и C ) Сравнение профилей межфазной электронной плотности между растворами RbCl и RbI. Профили полной электронной плотности, измеренные в растворах, содержащих [Rb] = ∼0.05, ∼0.5 и ∼1 M показаны пунктирными, штриховыми и сплошными линиями соответственно. Дополнительное расслоение наблюдается в растворах RbI, когда [Rb] ≥ ∼1 M (то есть ниже концентрации насыщения ионного кристалла [показана желтой областью в A ]) ( SI Приложение , рис. S10 и S11) . ( D и E ) Снимки границы раздела слюды и физиологического раствора при [RbI] = 3 M при 1 и 20 нс соответственно, демонстрирующие IS Rb и первый слой соадсорбированных анионов. ( F H ) Крупномасштабное моделирование границы раздела растворов слюда и RbI на 3 М.Снимки вида сбоку, сделанные через 1, 18 и 30 нс, отображающие эволюцию событий гетерогенной нуклеации. Обратите внимание на обилие гетерогенно зародышевых кристаллов в более раннее время (т.е. 18 нс) в отличие от редких случаев гомогенного зародышеобразования (синяя стрелка, единичное событие, наблюдаемое во время моделирования длительностью 30 нс; фильм S2).

    Систематическое изменение поведения поглощения Rb обеспечивает окно, через которое можно наблюдать атомистические детали явления перезарядки на границе слюда-вода (рис.3 А ). В растворах [RbCl], содержащих [Rb] ≤ 0,02 M, ΓRbIS увеличивается с увеличением [Rb], пока не достигает плато на уровне ∼0.9 Rb / A UC [что на ∼10% выше, чем ΓRbIS, определенное RAXR в [ Rb] = 0,003 M (22)]. Для [Rb]> 0,02 M (как для систем раствора RbCl, так и для RbI) покрытие Rb постепенно увеличивается за пределами этого плато, что указывает на перезаряд. Эта перезарядка происходит при значительно более низких соленостях (рис.3 A ; при краевой концентрации адсорбции = 0.48 ± 0,11 M для Rb + ; SI Приложение ), чем ожидалось, на основании предыдущего анализа (41). Например, ожидается, что переход от классического экранирования заряда к неклассическому в объемных водных электролитах RbCl или RbI произойдет при [Rb] ∼ 3 M (41). Расхождение между этим теоретическим расчетом и нашим экспериментальным наблюдением предполагает, что поверхность слюды играет ключевую роль в возникновении неклассических эффектов. Для [Rb] ≥ 1 M покрытие Rb + приближается к плотности числа участков дитригональной полости (= 2 сайта / A UC ) на поверхности слюды.По сравнению с этими результатами XR моделирование MD, которое независимо предсказывает одно и то же явление перезарядки, недооценивает покрытие IS Rb при заданном [Rb]. Эта недооценка указывает на то, что чрезмерное экранирование заряда чувствительно к одному или нескольким явлениям, которые не полностью или косвенно представлены в нашем моделировании, которые могут включать эффекты атомной поляризации, структурную релаксацию поверхности слюды или детали структурного распределения заряда слюды ( Материалы и методы и SI Приложение , рис.S7).

    Чтобы прояснить атомные детали этих неклассических явлений на границе слюда-вода, мы смоделировали временную эволюцию системы RbI на 3 M с латерально вытянутой ячейкой (260,5 Å × 225,0 Å на рис. 3 D H и SI Приложение , рис. S12 и фильм S1). На ранних стадиях моделирования (<~ 2 нс, Movie S1) покрытие IS Rb + постепенно увеличивается сверх величины, необходимой для полной компенсации отрицательного заряда поверхности слюды, что указывает на начало перезарядки.На этом этапе траектории моделирования показывают, что адсорбция избыточного Rb + происходит в центрах дитригональной полости, которые имеют по крайней мере один ранее адсорбированный Rb + в узлах соседних полостей, с последующей адсорбцией анионов (т. Е. I ) (рис.3 D ). Эти адсорбированные анионы обычно расположены около средней линии между двумя соседними IS Rb + (рис. 3 D и Movie S1), и эти адсорбированные + в двух соседних полостях сайтов уравновешивает локальную плотность заряда поверхности слюды.С увеличением времени моделирования покрытие IS Rb + увеличивается, что приводит к все более частому появлению ионов IS Rb + в трех соседних участках полости в треугольной конфигурации. В этой геометрии соадсорбированные анионы стабилизируются над центром треугольника, образованного тремя IS Rb + (рис. 3 E и Movie S1). Это моделирование ясно показывает, что кооперативность между адсорбированными катионами и анионами, а также трансформация этой коррелированной ионной структуры приводят к ступенчатой ​​эволюции в расположении адсорбированных ионов в слое Штерна.

    Наше моделирование также показывает дополнительную адсорбцию Rb + на плоскости предварительно установленных адсорбированных анионов (т.е. сверх того, что ожидается от классической структуры слоя Штерна). В системе RbI эта вторичная адсорбция Rb + происходит исключительно в одном месте (приложение SI , рис. S13), что приводит к слоистой структуре чередующихся Rb + и I , которая в конечном итоге превращается в зарождение и рост кристаллических структур в нескольких местах поверхности (рис.3 F H и фильм S2). С набором силовых полей, использованных в этом исследовании, несмотря на существование метастабильных пар ионов RbI и RbCl при [Rb] ≥ 1 M ( SI Приложение , Рис. S12 и SI Приложение ), рост происходит в основном за счет ионов режим прикрепления ионами, описанный в классических моделях нуклеации (42, 43). Полученные кристаллические структуры имеют форму кубических кристаллов RbI, плоскости (111) которых выровнены параллельно плоскости (001) слюдяной подложки, что подтверждается нашим наблюдением in situ пиков Брэгга при повышенных концентрациях RbI ( SI Приложение , рис.S10 и S11). Напротив, моделирование методом МД в системе RbCl показывает, что вторичные ионы Rb + динамически меняют свои позиции между двумя различными состояниями, которые энергетически эквивалентны, в то время как гетерогенное зародышеобразование кристаллов RbCl не наблюдается до тех пор, пока [RbCl] не приблизится к солевому насыщению. уровень ( SI Приложение , Рис. S13 и SI Приложение ).

    Совместное использование экспериментального и вычислительного подходов позволяет визуализировать детали атомного масштаба во время эволюции структуры EDL на отрицательно заряженной базальной поверхности мусковитовой слюды в контакте с концентрированными солевыми растворами.Наблюдаемый переход от классической компенсации заряда ленгмюровского типа адсорбированными ионами к неклассическому экранированию заряда контролируется позиционными корреляциями между адсорбированными ионами, а не химическими комплексообразованиями (например, образованием ионных пар), которые обычно предполагаются в современных физико-химических теориях. Избыточное фильтрование заряда на границе раздела слюда и соляной водный раствор описывается образованием дискретных атомных слоев, образованных чередующимися одновалентными катионами и анионами. Это наблюдение является неожиданным для теорий ион-ионной корреляции (2⇓ – 4) для водных растворов, в которых позиционные корреляции между одновалентными ионами обычно считаются незначительными.Наблюдаемая многослойная структура аналогична колебательной структуре ионных жидкостей, развивающейся на заряженных границах раздела в системах без растворителей (35⇓⇓ – 38). Здесь корреляция между одновалентными ионами усиливается при повышенной концентрации ионов (то есть при низком содержании воды) вблизи сильно заряженной поверхности. Ожидается, что в природных водах на эти ионно-ионные корреляции будет влиять присутствие других ионов, включая ионы гидроксония и гидроксила в кислых и щелочных растворах, либо через конкуренцию за места сорбции на поверхности слюды, либо через изменения в составе ионов (например.д., образование и гидролиз ионных пар) в растворах (28, 29, 44). Ожидается, что эти взаимодействия будут более выраженными и более сложными для многовалентных катионов из-за более сильных ион-ионных корреляций (2⇓ – 4) и повышенной роли гидратации ионов (5⇓⇓ – 8). В системе RbI ионы, адсорбированные в этой многослойной структуре, непрерывно претерпевают перестройки в своей двумерной решеточной структуре, чему способствует эпитаксия, и в конечном итоге превращаются в зарождение и рост ионных кристаллов даже из растворов, которые недостаточно насыщены по сравнению с твердыми фазами.Эти результаты проливают свет на способ, которым структура поверхности и распределение заряда управляют конкретными взаимодействиями адсорбированных ионов за пределами слоя Штерна. В более общем плане проявление атомистической основы неклассического поведения в EDL обеспечивает столь необходимое понимание влияния ионной кооперативности на заряженных границах раздела при разработке прогнозных моделей переноса элементов в естественной среде, включая питательные вещества и тяжелые металлы, а также передовых технологий. технологии выращивания и синтеза материалов, включая материалы для хранения энергии.

    Материалы и методы

    Подготовка проб.

    Экспериментальные растворы готовили растворением солей RbCl (99,8% от Sigma-Aldrich) и RbI (99,9% от Sigma-Aldrich) в деионизированной воде (DIW) (18,2 МОм · см). Каждый солевой раствор готовили с серией концентраций Rb, [Rb], в диапазоне от 0,01 до 3,0 М (молярность, моль / л). Приготовленные растворы перед использованием хранили в бутылях из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Монокристаллический мусковит ювелирного качества от Asheville-Schoonmaker Mica Company был расколот, чтобы обнажить свежую поверхность скола (001), и промыт DIW.Влажный кристалл помещали в тонкопленочную рентгеновскую кювету (21) перед введением раствора, содержащего Rb.

    XR Измерения.

    Рентгеновские данные были собраны на линии 33-ID-D усовершенствованного источника фотонов. Монохроматический падающий рентгеновский пучок с энергией 18,00 кэВ (т.е. с длиной волны λ, равной 0,689 Å) фокусировался вертикально зеркалом Киркпатрика – Баеза. Сфокусированный пучок имел размер 0,03 мм ( v ) × 1,0 мм ( h ) с потоком ∼5 × 10 12 фотонов / с в позиции образца.Данные об усеченном стержне кристалла (CTR) на месте были собраны в зеркальной геометрии как функция переданного импульса q , определенного как 4πsin (/2) / λ = 2π L / d , где — угол между падающим и отраженным рентгеновскими лучами, L — индекс Брэгга отражения мусковитовой слюды (001), а d ∼19,96 Å — расстояние между слоями (001) (45). Каждый набор данных был собран в диапазоне q от ∼0,15 до ∼4.0 Å -1 . Во время этого измерения изменение [Rb] отслеживалось путем измерения Rb K a FY при постоянном угле падения (α = 1,6 °, что соответствует передаче импульса q = 0,48 Å -1 ). Под этим углом рентгеновский луч освещает поверхность слюды размером ∼1,0 мм × 1,0 мм. Данные CTR были проанализированы с использованием алгоритма регрессии наименьших квадратов, описанного в SI Приложение , Дополнительные методы .

    In situ RAXR-спектры были получены путем сканирования энергии фотонов (E) вокруг рентгеновских лучей K — краевых энергий поглощения Rb (E Rb = ∼15.2 кэВ) на серии фиксированных q . За эволюцией [Rb] также следили путем измерения Rb K a FY. Когда [Rb]> 0,6 M, мы промывали ячейку свежим 0,1-M раствором RbCl, а избыток раствора сливали из ячейки под действием силы тяжести. В начале и во время серии сбора данных в одной установке стабильность межфазной структуры контролировалась путем периодического измерения спектров RAXR при q = 0,48 Å -1 , где сигналы RAXR чувствительны к покрытию и средняя высота адсорбированных катионов (46).В анализ были включены только данные, которые были измерены в пределах 0,2 M ≤ [Rb] ≤ 0,6 M. Подробности анализа данных RAXR описаны в Приложении SI , Дополнительные методы .

    МД моделирования.

    Настройка моделирования.

    Структура мусковита моделировалась как твердое тело, за исключением структурных атомов H гидроксильных групп и межслоевых ионов K, а алгоритм SHAKE (47) использовался для молекул воды, чтобы они оставались жесткими.Межатомные взаимодействия решены до 12 Å в реальном пространстве. Дальнодействующие кулоновские взаимодействия за пределами 12,0 Å были решены в k-пространстве с использованием метода частица-частица-сетка (PPPM) с точностью 99,99%. Все МД-моделирование проводилось на суперкомпьютерах в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC) с использованием программы Large-scale Atomic / Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS) (48).

    Изоморфная замена.

    В соответствии с химической формулой идеальной элементарной ячейки мусковита, KAl 2 (Si 3 Al) O 10 (OH) 2 (30), один из четырех атомов Si был замещен на Al в соответствии с формулой Левенштейна. правило избегания (т.е., отсутствие соседнего изоморфного замещения Al), в котором места замещения определялись случайным образом для каждого тетраэдрического листа. Результирующая неоднородность распределения Al (т.е. распределение заряда) в модели слюды создавала участки с более высокой или более низкой поверхностной плотностью заряда ( SI Приложение , рис. S7). Мы отмечаем, что идеальная формула моделируемого мусковита, вероятно, не совсем соответствует формуле элементарной ячейки природного мусковита, использованной в экспериментах XR, что может объяснить небольшую разницу в прогнозируемом и измеренном покрытии IS Rb + .

    Выбор силовых полей для солевых условий.

    Для систем RbCl и RbI мы выполнили моделирование объемной жидкой воды длительностью 1 нс для широкого диапазона концентраций. Моделирование проводилось в изотермически-изобарическом ансамбле с фиксированным числом атомов, N , давлением, P = 1 бар, и температурой, T = 298 K ( NPT ), в 31 × 31 × 50 Å 3 ячейка с периодическими граничными условиями. Полученную плотность строили как функцию концентрации ионов (в единицах моляльности, моль / кг) и сравнивали с экспериментальными данными ( SI Приложение , рис.S8 A и B ). Экспериментальные данные для растворов RbI были ограничены, поэтому выбор силовых полей производился в основном с помощью системы RbCl. Результаты показали, что параметры Данга (33) и Данга и Гарретта (32) в сочетании с моделью воды с расширенной простой точечной зарядкой (SPC / E) (31) занижают зависимость плотности воды от солености примерно на 2-10 % от экспериментальных данных (49, 50). Параметры взаимодействия, предложенные недавно Joung и Cheatham (51), дают улучшенные предсказания плотности RbCl.К сожалению, совместимость параметров Йонга и Читама с силовым полем CLAYFF (34) неудовлетворительна по сравнению с нашими данными XR, как показано в приложении SI , рис. S8 C , в котором увеличение плотности за счет IS Адсорбция Rb + прогнозируется при 1,7 Å (смещение 0,3 Å), а второй и третий пики плотности имеют тенденцию смещаться от поверхности слюды по мере увеличения концентрации.

    Доступность данных

    Все данные исследования включены в статью и / или дополнительную информацию.

    Благодарности

    Эта работа была поддержана Управлением науки, фундаментальных энергетических наук, химических наук, геонаук и биологических наук Министерства энергетики США по контрактам DE-AC02-06Ch21357 с UChicago Argonne, LLC в качестве оператора Аргоннской национальной лаборатории (Аргонн). ) (в SSL и PF для измерений и анализа данных XR) и DE-SC0018419 в Принстонский университет (в AK и ICB для компьютерного моделирования и анализа данных). Рентгеновские данные были собраны на канале 33-ID-D, усовершенствованный источник фотонов.Использование усовершенствованного источника фотонов было поддержано Управлением науки и фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США в рамках контракта DE-AC02-06Ch21357 с UChicago Argonne, LLC в качестве оператора Аргоннской национальной лаборатории. Моделирование MD было выполнено с использованием ресурсов в NERSC, который поддерживается Управлением науки Министерства энергетики США в рамках награды DE-AC02-05Ch21231. Представленная рукопись была создана UChicago Argonne, LLC, оператором в Аргонне. Аргонн, лаборатория Управления науки Министерства энергетики США, работает в соответствии с Контрактом DE-AC02-06Ch21357.Правительство США сохраняет для себя и других лиц, действующих от его имени, оплаченную неисключительную, безотзывную всемирную лицензию, указанную в указанной статье, на воспроизведение, подготовку производных работ, распространение копий для публики, а также публичное исполнение и публичное отображение, от имени или от имени. правительства.

    • Copyright © 2021 Автор (ы). Опубликовано PNAS.

    Катод с высоким содержанием никеля и ионный жидкий электролит обеспечивают чрезвычайно высокую плотность энергии и хорошую стабильность — ScienceDaily

    Литий-металлический аккумулятор нового типа достигает чрезвычайно высокой плотности энергии 560 ватт-часов на килограмм — на основе общий вес активных материалов — с замечательной стабильностью.Исследователи использовали многообещающую комбинацию катода и электролита: богатый никелем катод позволяет сохранять высокую энергию на единицу массы, ионно-жидкий электролит обеспечивает в значительной степени стабильную емкость в течение многих циклов.

    В настоящее время литий-ионные аккумуляторы представляют собой наиболее распространенное решение для мобильных источников питания. Однако в некоторых приложениях эта технология достигает своих пределов. Это особенно актуально для электромобилей, где требуются легкие и компактные автомобили с большим запасом хода.Литий-металлические батареи могут быть альтернативой. Они характеризуются высокой плотностью энергии, что означает, что они накапливают много энергии на единицу массы или объема. Тем не менее, стабильность является проблемой, потому что электродные материалы вступают в реакцию с обычными электролитными системами.

    Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) и Института Гельмгольца в Ульме по электрохимическому хранению энергии (HIU) нашли решение. Как сообщает Joule, они используют новую многообещающую комбинацию материалов.Слоистый катод с низким содержанием кобальта и высоким содержанием никеля (NCM88) достигает высокой плотности энергии. Однако при использовании обычно применяемого коммерчески доступного органического электролита (LP30) стабильность оставляет желать лучшего. Емкость хранилища уменьшается с увеличением количества циклов. Профессор Стефано Пассерини, директор HIU и руководитель группы электрохимии батарей, объясняет причину: «В электролите LP30 частицы трескаются на катоде. Внутри этих трещин электролит реагирует и повреждает структуру.Вдобавок на аноде образуется толстый покрытый мхом слой, содержащий литий. «По этой причине ученые использовали нелетучий, трудновоспламеняемый двуханионный ионный жидкий электролит (ILE)». С помощью ILE, структурные модификации катода, богатого никелем, могут быть значительно уменьшены », — говорит д-р Гук-Тэ Ким из группы« Электрохимия для батарей »HIU.

    Пропускная способность сохраняется на 88% после 1000 циклов

    Результаты: Литий-металлический аккумулятор с катодом NCM88 и электролитом ILE достигает удельной энергии 560 ватт-часов на килограмм (Втч / кг), исходя из общего веса активных материалов.Его начальная емкость хранения составляет 214 миллиампер-часов на грамм (мАч г -1 ) катодного материала. После 1000 циклов сохраняется 88 процентов емкости. Средняя кулоновская эффективность, то есть соотношение между разрядной и зарядной емкостью, составляет 99,94 процента. Поскольку аккумулятор отличается высокой безопасностью, исследователи сделали важный шаг в направлении углеродно-нейтральной мобильности.

    История Источник:

    Материалы предоставлены Karlsruher Institut für Technologie (KIT) . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

    UNIST разработает новые присадки к электролитам для

    изображение: Рисунок 1. Включение DMVC-OCF3 и DMVC-OTMS в каркас VC приводит к созданию гибкого и надежного SEI на Si-C аноде.DMVC-OTMS улавливает HF и деактивирует PF5, что приводит к стабильности состава и структуры межфазных слоев на электродах. Фрагмент Me (? Ch4), связанный с каркасом VC, обеспечивает ионные каналы, обеспечивая пространство для транспорта литий-ионов в SEI. посмотреть еще

    Кредит: UNIST

    Совместная исследовательская группа, аффилированная с UNIST, представила новую добавку к электролиту, которая может обеспечить длительный срок службы и быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии (LIB).

    Опубликованное в выпуске Nature Communications за февраль 2021 года, это исследование было проведено профессором Нам-Сун Чой и профессором Санг Гю Кваком из Школы энергетики и химической инженерии в сотрудничестве с профессором Сунг Ю Хонг из Департамента Химия в UNIST. В нем также принял участие профессор Джефил Чо из Школы энергетики и химической инженерии UNIST.

    По мере роста спроса на аккумуляторы большой емкости (например, аккумуляторы для электромобилей) активно предпринимаются усилия по замене электродов обычных литий-ионных аккумуляторов материалами большой емкости, такими как кремний или высоконикелевый сплав.Хотя кремний является привлекательным анодным материалом для повышения плотности энергии LIB, они демонстрируют низкую механическую прочность из-за объемного расширения во время зарядки и разрядки. Катодные материалы с высоким содержанием никеля также страдают плохой химической стабильностью.

    В ходе исследования группа исследователей продемонстрировала, что создание стабильной и пространственно деформируемой межфазной границы твердого электролита (SEI) на аноде из Si-C большой емкости может выдержать неизбежные изменения объема, вызванные литиированием Si, и может обеспечить длительное срок службы и быстрая зарядка LIB с высокой плотностью энергии.

    По данным исследовательской группы, когда новые добавки были добавлены в батарею большой емкости, состоящую из анодов с высоким содержанием никеля и анода со смешанным кремнием, первоначальная емкость сохранялась на уровне 81,5% даже после 400 циклов зарядки и разрядки — На 10–30% лучше, чем выбор VC (виниленкарбоната) или FEC (фторэтиленкарбоната) в качестве добавки к LIB.

    «Это достижение является результатом сотрудничества в области дизайна структуры материала, экспериментов, моделирования и исследования методов синтеза, чтобы фактически создать такую ​​структуру материала, которая может компенсировать недостатки существующих добавок (VC).Это подсказало новое направление развития «, — говорит профессор Чой, соавтор исследования.

    Кроме того, исследовательская группа также обнаружила, что эти добавки могут удалять фтористоводородную кислоту (HF) из электролита, чтобы предотвратить утечку металла (никеля) внутри анодов с высоким содержанием никеля. Количество металла внутри анода определяет емкость аккумулятора.

    «Эта работа представляет собой прорыв в разработке добавок к электролиту для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии», — отметила исследовательская группа.«Мы ожидаем, что наш систематический подход к рациональному молекулярному дизайну и разработке механизмов с помощью ТПФ предлагает многообещающий способ открытия добавок следующего поколения».

    Это исследование было размещено на веб-странице Nature Communications Editors ‘Highlights. Эта работа была поддержана проектом развития энергетических технологий Корейского института оценки и планирования энергетических технологий. Он также частично поддерживался Программой развития технологий для решения проблем изменения климата Национального исследовательского фонда (NRF).

    ###

    Справка журнала

    Sewon Park, Seo Yeong Jeong, Tae Kyung Lee и др., «Замена обычных добавок электролита в аккумуляторные батареи производными диоксолона для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии», Nat Commun, (2021 г.).



    Журнал

    Nature Communications

    Заявление об отказе от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

    Murata разрабатывает твердотельный аккумулятор с самой высокой в ​​отрасли удельной энергией. Для носимых устройств раствор оксидно-керамического электролита обеспечивает надежность и долговечность | Новости продукта

    Murata Manufacturing Co., Ltd. разработала твердотельную батарею с самой высокой в ​​отрасли удельной мощностью. *

    Разработка твердотельной батареи включала интеграцию технологических процессов, используемых в основных продуктах Murata, таких как многослойные керамические конденсаторы и другие многослойные устройства, а также технологии различных материалов, накопленных за счет разработки передовых электронных компонентов.В аккумуляторе используется оксидно-керамический электролит вместо раствора электролита, используемого в обычных аккумуляторах, что делает его негорючим и сильно термостойким.

    Сочетая компактный размер и высокую плотность энергии, обеспечивая отличную производительность даже в суровых условиях, твердотельный аккумулятор будет способствовать созданию новых носимых устройств, которые меньше и надежнее, чем это было возможно ранее. Новая батарея также обеспечивает безопасность и долговечность, намного превосходящую обычные литий-ионные вторичные батареи, что делает ее идеальной для слуховых устройств, таких как беспроводные наушники, которые требуют высокой степени безопасности и предназначены для использования в течение продолжительных периодов времени, а также хорошо сочетается с разнообразными потребностями развивающегося общества Интернета вещей.

    «Новый продукт объединяет несколько технологий Murata, чтобы обеспечить значительно большую емкость, чем ранее разработанные твердотельные батареи. Создавая производственную систему, способную обеспечить стабильную поставку высоконадежной продукции, Murata вносит свой вклад в создание мира, в котором каждый может безопасно использовать электронные устройства в любых средах », — сказал Норио Накадзима, директор-представитель, старший Исполнительный вице-президент и директор модульного бизнес-подразделения.

    Диапазон обычных аккумуляторных батарей и целевой диапазон твердотельных аккумуляторов

    Обзор твердотельной батареи

    Размер от 5 мм до 10 мм (Д) × от 5 мм до 10 мм (Ш) × от 2 мм до 6 мм (В)
    Вместимость от 2 мАч до 25 мАч (25 ° C)
    Номинальное напряжение
    3,8 В
    Электролит Оксид керамический
    Приложения Ожидаемые приложения включают носимые устройства и устройства Интернета вещей.
    Примечание
    Доступен как устройство для поверхностного монтажа

    Производственная база и график

    Производство Murata Manufacturing Company, Ltd., Подразделение Ясу (2288, Ошинохара, Ясу-ши, префектура Сига)
    Объем производства Примерно 100000 единиц в месяц в течение 2020 финансового года
    Примечание: Твердотельный аккумулятор, показанный на фотографии, является образцом, поэтому технические характеристики и внешний вид конечного продукта могут быть изменены.
    * По состоянию на июнь 2019 года, согласно исследованию Мураты.

    Murata Manufacturing Co.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *