Меню Закрыть

Вес акб с электролитом таблица: Страница не найдена — AGM-Ultra

Содержание

Простейший способ узнать сколько весит автомобильный аккумулятор | BlackTyres

Насколько важным является вопрос относительного того, сколько весит аккумулятор автомобильный, когда он находится на собственном месте и отлично выполняет свою работу?

Однако, если требуется снять батарею, аккуратно установить ее в штатное гнездо либо донести до дома, то этот вопрос приобретает актуальный вид. Нужно понимать, что вес автомобильного аккумулятора различается в зависимости от типа и размера прибора. Так, вес аккумулятора 60 Ач с электролитом будет несколько меньше, нежели масса устройства, рассчитанного на 75 Ач. Даже аккумуляторы от одного производителя могут иметь в своем корпусе разное количество банок. Это показатель сказывается и на массе устройства, и на иных характеристиках источника энергии.

Как узнать сколько весит аккумулятор

Как узнать сколько весит аккумулятор

Сколько весит аккумулятор автомобильный легковой различного типа

Прежде, чем задавать вопрос сколько весит аккумулятор 60 Ач, стоит вспомнить об устройстве данного прибора. Масса аккумулятора зависит от следующих показателей:

  • габаритов корпуса,
  • вида используемого активного вещества,
  • веса свинцовых пластин и электролита.

Корпусы современных батарей создаются, обычно, из пластика. Это довольно легкий материал. Корпус способен иметь различную геометрическую форму, которая сказывается и на емкости. Чем большим является корпус, тем большее число свинцовых пластин и электролита поместится в нем. Тем не менее, его вес находится в пределах 5-7% от общей массы аккумулятора.

Электролит считается важнейшей частью аккумуляторной батареи. Это особый раствор серной кислоты, соединенный с дистиллированной водой. Вес электролита составляет 1/5 часть от общей массы. Остальные цифры приходятся на пластины из свинца и замазку, которая присутствует на угольной решетке.

Не знаете, сколько весит аккумулятор автомобильный 60 или иной емкости? Тогда вам необходимо сложить массу всех основных компонентов – электролита, корпуса и свинцовых пластин. Выделим среднюю массу автомобильной батареи, внутри которой присутствует электролит:

  • 90 Ач – от 27 до 30 кг,
  • 75 Ач – от 22 до 24 кг,
  • 60 Ач – от 17 до 18 кг,
  • 55 Ач – от 13 до 16 кг.

Стоит обратить свое внимание на то, что эти показатели находятся в определенном диапазоне. Этот факт означает, что производители могут использовать более толстые пластины из свинца. Это делает устройство более дорогим, но увеличивает срок его эксплуатации.

Все современные легковые авто оснащаются стартерными аккумуляторами. АКБ рассчитаны на функционирование в паре с генераторами. Для замены лучше покупать идентичную по емкости и размерам батарею.

Знать какие АКБ предлагают производители, сколько весит аккумулятор 60 ампер и почему вместо него не стоит устанавливать прибор, рассчитанный на 100 Ач будет полезно всем автолюбителям. Используя АКБ большей емкости (не заменив генератор), в автомобиле всегда будет работать недозаряженный источник энергии. Этот факт может привести к потере большого количества емкости и сульфитации пластин. Также автомобилист получит ненужную нагрузку в виде большого веса АКБ. В некоторых ситуациях придется даже переделывать место расположения источника энергии.

Узнать сколько весит аккумулятор автомобильный 60 ампер можно на этикетке, наклеенной на приборе. Однако стоит учитывать, что данное значение указано без массы электролита. Используя специальную таблицу, вы можете определить вес аккумулятора 75 Ач с электролитом, не имея поблизости весов.

Маркировка АКБ

Маркировка АКБ

Масса аккумуляторной батареи зависит и от конфигурации сборки. Она бывает «американской», «азиатской» и «европейской». Приборы различаются методом крепления, формой, габаритами и расположением клемм.

Сколько весит аккумулятор

Сколько весит аккумулятор

Примерный вес аккумулятора 60 ач для легкового авто

В обычных автомобилях применяются стартовые АКБ. Они в несколько раз легче, нежели тяговые. Данные устройства работают по-разному принципу. Стартовые батареи залпом отдают энергию для запуска ДВС, после чего получат зарядку от штатного генератора. Тяговые аналоги могут работать на одном зарядке, постепенно теряя емкость. Дальше их нужно заряжать от электрической сети при помощи специальных приспособлений.

Масса АКБ на 60 Ач зависит от производителя. Нередко наблюдается несоответствие заявленного и фактического веса. Это может сигнализировать о внесении производителем изменений в толщину свинцовых пластин. Средняя масса сухого АКБ на 60 Ач должна составлять около 13,3 кг. Устройство, дополненное электролитом будет весить примерно 15,4 кг.

Приведем вес аккумуляторов от разных изготовителей:

  • Bost – 16,2 кг,
  • Banner – 16,5 кг,
  • Forse – 15,5 кг,
  • Тюменский Медведь – 15,0 кг,
  • Tilan- 15,2 кг.

Естественно, что вес аккумулятора 100 Ач будет больше, нежели устройства емкостью 60 Ач.

Таблица веса АКБ

Таблица веса АКБ

За емкость АКБ отвечает объем электролита и число активной массы на решетке. За способность к восстановлению и прочность – толщина пластин из свинца. Только автомобилист может выбирать, какую батарею устанавливать на свою машину. Лучше отдавать предпочтение известным производителям, которые заботятся о своей репутации и предлагают потребителям продукцию высочайшего качества.

На сайте BlackTyres не так давно появился отдельный раздел с аккумуляторами. Заходите и выбирайте себе новые, качественные устройства по лучшим ценам.

Ставь 👍, если понравилась статья и подписывайся на канал, чтобы не пропустить новые публикации. Дальше будет еще интереснее и полезнее. Удачи на дорогах!

Полезные ссылки:

✅ Рейтинг аккумуляторов для авто 2020

✅ Аккумуляторы

Вес аккумулятора автомобильного — таблица и советы

Информация о том, каким является вес автомобильного аккумулятора, может быть полезной тем, у кого возникает необходимость проведения ремонтных работ. С помощью нашей статьи вы сможете узнать, сколько весит аккумулятор и от чего зависит этот показатель.

Зачем определять вес аккумулятора автомобильного

В ходе подбора аккумулятора, как правило, учитываются базовые характеристики, к числу которых принадлежат:

  • тип используемых клемм;
  • габаритные размеры;
  • ток холодной прокрутки.

Большая часть автолюбителей больше ничего не знают о том, какие ещё существуют параметры АКБ. Нужно ли знать вес аккумуляторной батареи авто и зачем вообще может понадобиться такая информация? Ответить на такой вопрос можно по-разному.

В большинстве случаев подбор аккумулятора происходит по марке авто. Для этого нужно вооружиться компьютером или смартфоном, подключенным к Интернету. Необходимо лишь осуществить ввод исходных данных, после чего программа отобразит требуемый результат. Для выбора оптимального учитывается полярность, емкость и напряжение. Во многих случаях на вес аккумулятора никто даже не смотрит. Но в некоторых ситуациях именно масса этого элемента является очень значительным фактором. Мы поможем вам понять, когда нужно брать во внимание вес аккумуляторной батареи.

Нередко эти данные очень актуальны во время тюнинга машины. Некоторые мастера переносят АКБ в грузовой отсек или под кресло. Перед тем как выполнять такие действия необходимо обязательно определить предельную нагрузку на силовые детали авто. Кроме этого, не забудьте уделить достаточно внимания качественному креплению аккумулятора в новом месте.

Вес автомобильного аккумулятора также может иметь существенное значение для тех, кому нужно перенести АКБ на определенное расстояние. Хотя габариты аккумулятора и являются маленькими, уже через несколько минут вес будет ощущаться довольно серьезно.

Если вы решили внести изменения в конструкцию транспортного средства, предусматривающие перенос аккумулятора в другое место, нужно обязательно получить соответствующий сертификат. В противном случае эксплуатацию автомобиля осуществлять запрещено!

Как получить данные о массе АКБ

Информация о весе аккумулятора может отличаться, так как можно указать массу сухой батареи без электролита или вес АКБ с электролитом. Эти показатели могут значительно отличаться друг о друга. Наиболее часто данные о весе обозначаются на наклейке вместе с иной информацией. Кроме этого, различается масса аккумулятора разных производителей.

Если говорить в общих чертах, то вес аккумулятора легкового авто составляет от 12 до 16 кг, а вот для грузовых машин этот показатель равен от 20 до 43 кг. Для определения точных показателей аккумулятор взвешивают. Если процедура выполняется с электролитом, от полученного результата надо вычесть его вес в процентном соотношении. Вес щелочных АКБ определяется с учетом конкретной модели. Для этого существуют уже готовые таблицы, поскольку аккумуляторы такого типа не взвешивают.

Таблица веса наиболее распространенных АКБ

Далее приведена таблица, которая поможет вам понять, сколько весит аккумулятор конкретного типа. Надеемся, что эти данные смогут удовлетворить ваш запрос. Советуем обязательно консультироваться у эксперта, выбирая аккумулятор для автомобиля.

Название Вес (кг) Название Вес (кг)
6СТ — 55 А1 12 VARTA 13
6СТ — 55 П 13 VARTA silver 12
6СТ — 55 ТМ 14 VARTA blue dynamic 13
6СТ — 55 15 MUTLU super calcium 12
6СТ — 55 ЭМ 16 MUTLU mega calcium 20
6СТ55 — ПМА 13 AMERICAN 9
6САМ — 55 22 AMERICAN 12
VARTA AGM G14 22,4 VARTA Start-Stop Plus AGM 15,7
6СТ — 60 ЭМ 17 Top La 12
6СТ — 66 А1 13 SZNAJDER 10
6СТ — 75 ЭМ 22 BOSCH 13
6СТ — 75 ТМ 21 BOSCH Asia silver 10
6СТ — 77 А1 15 VARTA Asia dynamic 16
6СТ — 77 А1 15 VARTA Asia dynamic 16
6СТ — 90 ЭМ 27
MAGNUM SUPCAR
12
6СТ — 110 А 22 DAEWOO 11
6СТ — 132 П 32 DAEWOO calcium MF 220 42
6СТ — 132 ЭМ 40 FUKUKAWA 2
6СТ — 140 А 30 OPEL 11
6ТСТС — 140 А 37 YUSIMI 35
6СТ — 182 ЭМ 55 SZNAJDER 12
JAPAN star 22 6СТ — 190 ТМ 42
6СТ — 190 А 43 YUASA 130F51 22
6СТ — 190 А П 40 BAREN 20
6 МТС — 9 2,7 KRAFT 12
6 МТС — 9А 2,5 FULMEN 11
АКОМ 11 TUDOR milenium3 16
ОКА 9 FIAMM advance 12
ИСТОК 11 DUPLEX 15
ТИТАН 13 MOTOLITE 11
ЗУБР 12 BLACK HOUSE 12
TYUMEN BATTERY 22 DELPHI 12
CHAMPION PILOT 11 FAST 12
AKTEX 12 MEDALIST 12
VESNA 39 MEDALIST PREMIUM 220 42
FIAMM 12 FLB 300 27 MFA 2.2
X series 10 NISSAN 84 Month 14
MORATTI 10 Пилот 12
Banner 16 Bizon 11
6СТ — 60 П 14 BOSCH silver 12
OPTIMA REDTOP 4.2L 17 OPTIMA REDTOP 3,7L 14
Bosch S5 110Ah 920A 22 Bosch S6 AGM HighTec 18

Аккумуляторы для скутеров, мототехники. 12v 4,5,7,9 ah

Для запуска двигателя мототехники используются стартерные аккумуляторы по технологии с жидким электролитом (обслуживаемые), AGM или GEL (необслуживаемые и герметизированные) напряжением 12 вольт. Емкостью от 2,5 до 30 ампер час.

Если Вы знаете код аккумулятора, например YTX4L-BS, для выбора модели и аналогов перейдите в полный каталог мото аккумуляторов.

Очень часто путают ГЕЛЕВЫЙ аккумулятор и AGM аккумулятор для скутера или мотоцикла. Внесем ясность: обе технологии НЕ СОДЕРЖАТ ЖИДКОГО ЭЛЕКТРОЛИТА, ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫ, НЕПРОЛИВАЕМЫ И МОГУТ РАБОТАТЬ В ЛЮБОМ ПОЛОЖЕНИИ! Разница лишь в электролите: у GEL АКБ электролит загущен до состояния (как вытекает из названия) геля, а у AGM электролитом пропитано стекловолокно, плотно прижатое к пластинам. По разрядным характеристикам они одинаковы, по эксплуатационным — GEL хорошо выносит глубокий разряд, чего при частом пользовании скутером или мотоциклом практически не бывает, (за исключением случаев, когда Вы забыли выключить фары на неделю).

Оба вида АКБ выдерживают до 200 циклов заряд-полный разряд, затем их смело можно утилизировать. К сравнению аккумуляторы для скутеров с жидким электролитом могут выдержать только 10-20 циклов без существенной потери емкости. Кстати, GEL более дорогой и дольше заряжается И те и другие необходимо хранить полностью заряженными. А зарядное устройство должно иметь ограничитель тока заряда, равное примерно 20% от емкости аккумулятора. (например если АКБ имеет емкость 9 а.час, то ток заряда не должен превышать 2 ампер. На деле, при нажатии на акселератор, ток заряда в 2-3 раза превышает допустимый, поэтому GEL или AGM одинаково убиваются, а вот АКБ с жидким электролитом выдерживают такие режимы, и это их единственный плюс!
Сухозаряженная или активированная на заводе — что лучше? Однозначно, лучше свежая! А самая свежая батарея — это сухозаряженная, потому что в момент, когда Вы заливаете в нее электролит, она из полуфабриката превращается в готовый, свежий продукт. Если нет желания, опыта или времени заниматься самостоятельной активацией, то покупайте уже готовую активированную батарею. Но что бы не «попасть» на лежалый продукт, в момент покупки проверьте тестером начальное напряжение.

Хорошие аккумуляторы для скутеров и мопедов до 50 куб. Емкость от 4 ач до 9 ач.

В таблице мы представили только один бренд — RDrive. Это уверенный и надежный, при правильном уходе, вариант мото АКБ, рассчитанный на постоянную эксплуатацию. Кроме этого производителя, у нас есть еще Red Energy, Delta, WBR и GS-Yuasa. Что бы посмотреть все варианты по выбранному размеру — перейдите на страницу модели, и нажмите кнопку «АНАЛОГИ», либо весь ассортимент можно посмотреть на странице полный каталог мото аккумуляторов.

Мерой качества аккумулятора при его выборе из доступных брендов было и будет вес батареи!

Красивые и многообещающие надписи о величине тока или емкости не играют решающего значения. Т.к. стартерный ток и емкость батареи напрямую зависят от того, сколько свинца туда положили (насколько толще пластина). Выигрывает тот АКБ, кто тяжелее, свинец-самая дорогая составляющая любого аккумулятора!

Аккумуляторы для скутеров и квадроциклов. Емкость от 10 ач до 20 ач.

В таблице мы представили уже по три бренда каждого габарита. Добавилась серия EPS от компании Delta. Это серия гелевая стартерных аккумуляторных батарей, но без индикатора. Особенностью этой серии в повышенном стартерном токе при экстремальных режимах эксплуатации, например при низких температурах. Такие батареи служат дольше, при равных условиях и более надежны из-за специальной пористой конструкции свинцовых пластин. Мы рекомендуем серию EPS для условий частых запусков двигателя и низких температур.

Аккумуляторы скутеров и мотоциклов с большим объемом двигателя. Емкость от 20 ач до 30 ач.

Обратите пожалуйста внимание: аккумуляторы, сделанные по AGM технологии бывают стартерные и промышленные (для использования в ИБП или маломощных электродвигателях). Их можно отличить по виду клеммы. Для запуска мототехники используются стартерные аккумуляторы. Пожалуйста, при выборе не путайте назначение, задача стартерного АКБ дать максимум тока при старте, а задача АКБ для ИБП дать средний и малый токи но как можно дольше, от больших токов они разрушаются. Конструктивно различаются толщиной пластин.

Перед покупкой! Пожалуйста убедитесь, что не работает именно аккумулятор. Очень часто, по нашей практике, встречаются случаи, когда решение о замене аккумулятора принимается исходя из того, что стартер не крутит. На практике не всегда виновник- аккумулятор! В 50% случаев виноват режим заряда аккумулятора в электрогенераторе (или) его давно не заводили и соответственно АКБ в скутере сел из-за саморазряда. Что бы проверить — зарядите аккумулятор зарядным устройством для скутеров или мотоциклов и проверьте на старт.

Когда менять аккумулятор на скутере? Первый признак — это снижение скорости и времени прокрутки стартера. Второй признак — это срок службы, обычно он ограничен 2-3 годами при не интенсивном использовании и правильном хранении. Третий признак — разогрев или даже нарушение геометрии корпуса АКБ при попытке его зарядить номинальным током в 10-20% от емкости АКБ.

Зарядные устройства для скутеров и мотоциклов

Заряжать не обслуживаемые АКБ для скутеров автомобильными ЗУ нельзя. Зарядное устройство должно не только быстро зарядить аккумулятор, но и соблюдать алгоритм заряда, что бы не перезарядить и не дать «кипеть» аккумулятору. АВТО ЗУ рассчитаны на заряд аккумуляторов с жидким электролитом, в них есть куда излишкам газа выйти, а в AGM GEL технологиях газ, должен рекомбинировать (остаться) внутри аккумулятора, клапана сброса срабатывают только в случае перезаряда, перезаряда. Поэтому, применяемое ЗУ должно быть предназначено для заряда AGM АКБ, это должно быть прописано в паспорте ЗУ. Подбор нужного зарядного устройства начните с тока заряда. Номинальный ток заряда для герметичных АКБ — это 10% от емкости аккумулятора! Например, для аккумулятора в 12 АЧ ток 1.2 ампера. Допустимо до 2А, но не более, иначе срок службы будет меньше желаемого.

Инструкция по эксплуатации и сезонному хранению стартерных аккумуляторов для скутеров, мопедов, квадроциклов, снегоуборочной техники и газонокосилок.
Новокупленный АКБ заряжен на 80-90%.
  1. «Тренировать», разряжать полностью, а потом заряжать, перед началом эксплуатации НЕНУЖНО. (теряете емкость).
  2. Заряд аккумулятора должен проводиться специальным зарядным устройством, на котором написано «заряжает герметичные свинцовокислотные аккумуляторы» ток заряда должен лежать в пределах 10-20% емкости аккумулятора. например у Вас АКБ емкостью 7 ампер час, значит ток заряда должен находится в пределах от 0.7 до 1.2 Ампер!
  3. Особое внимание! Автоматическое зарядное устройство для автомобильных аккумуляторов категорически не подходит для заряда аккумуляторов для скутеров или мопедов, т..е. НЕ подходит для заряда АКБ емкостью менее 30 ампер час. Слово «автоматическое» не означает, что зарядное устройство распознает перед зарядом емкость подключаемого аккумулятора, «Автоматическое» означает, что оно автоматически прекращает заряд при его завершении, т.е. Вам не надо стоять над ним с часами и ждать полного заряда, что бы отключить. Существуют АВТО зарядные устройства с РЕГУЛИРОВКОЙ МАКСИМАЛЬНОГО тока заряда, вот такие ЗУ подходят для заряда мелких АКБ.
  4. Убирая скутер или мопед на сезонное хранения (зимой) обязательно зарядите аккумулятор, снимите клеммы и раз в два месяца подзарядите, что бы скомпенсировать саморазряд АКБ. Основной наплыв покупателей аккумуляторов для мототехники отмечается именно весной и по выше написанной причине. AGM и GEL аккумуляторы для мототехники БЫСТРО ТЕРЯЮТ СВОЮ ЕМКОСТЬ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ХРАНЕНИИ В РАЗРЯЖЕННОМ ИЛИ «ПОЛУЗАРЯЖЕННОМ» состоянии.
Обратите внимание! При длительной езде на высоких оборотах аккумулятор не должен сильно нагреется. Если же идет ощутимый нагрев АКБ, это означает неисправность реле регулятора на Вашем мото или штатно, предусмотренно использование только АКБ по технологии только с жидким электролитом (они выдерживают больший ток заряда). Большой ток заряда приводит к появлению избыточного кол-ва газа внутри и разгерметизации корпуса батареи.

Технические характеристики аккумуляторов серии НК

Технические характеристики аккумуляторов и аккумуляторных батарей серии НК

Изделие

Характеристики

Напряжение

 В

Номинальная ёмкость А/ч

Номинальный ток заряда А

Номинальный ток разряда А

Габариты, мм

L (L1) /  B  /  H

Масса, кг

Количество электро- лита, л

Диаметр борнов

с электролитом

без электролита

НК-55П

5НК-55П

1,2

6

55

14

5,5

59/113/240

332/138/248

2,5

13,5

1,8

10,0

0,58

2,9

М5

НК-80

5НК-80

(5НК-80 III)

 

1,2

6

80

20

8

47/150/352

322(356)/170/393

4,46

26,3(26,5)

3,5

21,5(21,7)

0,8

4

М10

НК-125П

5НК-125П

(5НК-125П III)

 

1,2

6

 

125

32

12,5

 

78/137/360

 

443(470)/170/370

 

6,1

 

34,6 (34,8)

 

4,5

 

25,6 (25,8)

 

1,33

 

6,6

5НКЛБ-70

9НКЛБ-70

6,0

10,8

70

 20

 14

332/145/267

413/186/255

20,2

35

16

29

3,5

6,0

М14

Примечания:

1. L — длина, (L1) — длина с торцевой токосъемной колодкой, В — ширина, Н — высота.

2. П — обозначение пластикового корпуса.

3. Обозначение «III» в аккумуляторных батареях 5НК-80-III, 5НК-125П-III  означает исполнение с выводами на  торцевую стенку батареи. Для этих изделий длина и масса в таблице указаны в скобках.

4. Основной вариант поставки аккумуляторных батарей — без электролита. Поставка аккумуляторных батарей с электролитом осуществляется только при  их транспортировке специальным автотранспортом.

5. Возможно изготовление батарей на заказ для аварийного энергообеспечения различных стационарных объектов, в зависимости от системы резервного электропитания.

 

Технические характеристики аккумуляторов серии KL
Технические характеристики аккумуляторов серии KH
Аккумуляторные батареи с Сертификатом РМРС

 

Вес свинца в аккумуляторных батареях таблица


Сколько свинца в аккумуляторе. Разбираем автомобильные варианты – 55, 60, 75, 90 и 190 Ампер

Отслуживший автомобильный аккумулятор это источник чистого свинца, многие его сдают, другие пытаются разобрать и переплавить и тут возникает справедливый вопрос – а сколько этого металла в строении самой батареи ведь вес больших вариантов может достигать до 40 и более килограмм? Если смысл самому переплавлять и сдавать уже очищенный свинец? Предлагаю вам сегодня подумать …

ОГЛАВЛЕНИЕ СТАТЬИ

Кстати многие вытаскивают свинец для своих нужд, например кто-то заядлый рыболов и ему нужно делать грузила или мормышки для своих снастей, а зачем покупать, если у вас есть старая батарея.

Другие собирают опять новые аккумуляторы, скажем для нужд альтернативной энергетики и т.д., если покапать то применение можно увидеть во многих сферах, даже в краску стружку добавляют.

Но нам интересен вес, для начала давайте подумаем, из чего же вообще состоит полная конструкция.

Состав аккумулятора

Если вы думаете что свинец в батарее очищенный и оттягивает на себя больший вес, то вы мягко сказать – ошибаетесь.

Его очень мало применяют в чистых вариантах, в аккумуляторах для авто примерно 15 – 20%, а остальное идет в виде «оксидов». Если сказать обычными словами – то это соединения с другими элементами, зачастую и с другими металлами.

Также нужно учитывать вес пластикового корпуса, а также вес электролита (специальной токопроводящей жидкости).

Если разбить по процентной составляющей формула выходит примерно такая

1) Свинец и его компоненты (оксиды и диоксиды) – порядка 60 – 70% от веса

2) Пластиковый корпус, перегородки и другие элементы ПВХ – 8 – 10%

3) Электролит (зачастую раствор серной кислоты) – 20%

Так что получается нормально — если брать вес обычного 55 Амперного варианта, а он составляет порядка 15 кг. То металла должно быть – 15Х0,7= 10,5 кг, ПВХ – 15Х0,1= 1,5 кг и соответственно, электролит – 15Х0,2 = 3 кг.

Вроде смысл есть, и переплавлять и использовать металл, но вот не все так просто! Сколько металла вы сможете получить при плавке, и разложатся ли диоксиды и прочие составляющие?

Плавим сами

Многие из нас привыкли плавить этот мягкий металл, на обычной плите у себя дома.

Некоторые мои друзья плавили на электрической плитке в гараже. Подойдет ли нам такая схема и сколько можно наплавить?

А вот не совсем!

В аккумуляторе чистого свинца, который легко поддается термической обработке (дом — гараж), всего – 15 – 20 %, это клеммы и «мостики», а также сама решетка, которая погружена в кислоту, а от нашей общей массы это всего – около 3 кг.

Остальной металл идет в качестве оксидов и диоксидов, что намного усложняет его добычу. Скажу так — нужно применять химические реактивы и более высокие температуры (от 600 градусов) чтобы разрушить это соединение! Поэтому многие из гаражных химиков списывают это на грязь или шлак, которого образуется примерно до 30 до 40 % от массы и просто его выкидывают, а это, кстати — около 5 килограмм.

Поэтому можно встретить в интернете много роликов что доля свинца в общей массе – мала, и не стоит его добывать таким способом. Особенно если вы планируете его, сдавать за деньги! Смотрим такой ролик.

В этом есть доля истины, но многие просто не могут его «готовить», то есть добывать, нет ни знаний, ни возможностей! Например — где вы найдете горелку с температурой в 600 – 1000 градусов, и сколько вам это будет стоить?

Самый легкий способ это сдавать неразобранную конструкцию в специальные пункты или на заводы изготовителя. Там есть и реактивы, и специально обученный персонал, да и плавильные печи присутствуют.

На этой ноте можно было бы заканчивать статью, однако я вам обещал разбивку по модификациям.

Сколько килограмм свинца в различных вариантах

Здесь я представлю несколько значений:

1) Общую массу с пластиком и кислотой.

2) Сколько можно добыть своими руками в гараже.

3) Сколько можно добыть на специальном оборудовании, на производстве.

55 А/ч

Общий вес – примерно 15 кг.

Чистый (можно добыть самому) – около 3 кг.

Общий в соединениях – 10,5 кг.

60 А/ч

Общий вес – примерно 17 кг.

Чистый – около 3,4 кг.

В соединениях – 11,9 кг.

75 А/ч

Общая масса – примерно 22 кг.

Чистый – 4,4 кг.

В соединениях – 15,4 кг.

90 А/ч

Масса около – 27 кг.

Очищенный – 5,4 кг.

Общий – 18,9 кг.

190 А/ч

Масса около – 43 кг.

Чистый – 8,6 кг.

В соединениях – 30,1 кг.

Теперь точно буду заканчивать, мораль проста – если хотите заработать, то несите неразобранный корпус в пункт приема, меньше мороки и больше денег заработаете!

НА этом все, искренне ваш АВТОБЛОГГЕР.

Сколько кг свинца содержится в аккумуляторе на 55 ампер

Современные автомобильные аккумуляторы содержат свинец, сдав который, можно неплохо заработать, что позволяет несколько сократить затраты автовладельца на покупку новой батареи в автомобиль. Из соответствующих таблиц можно с легкостью определить, сколько свинца в аккумуляторе 55 и как добыть такой дорогостоящий металл, который можно в последующем сдать в пункты вторсырья.

Для чего извлекают свинец из АКБ

В первую очередь необходимо определиться с тем, для чего же извлекают из аккумуляторов свинец. Этот металл сплав хорошо ценится в пунктах приема цветных металлов, что позволяет даже с одного автомобильного аккумулятора получить неплохую денежную сумму. Свинец — это тяжеловесный металл, который используется многими рыболовами для изготовления грузил и различных снастей. Поэтому редко какой рыбак откажется от возможности самостоятельно разобрать АКБ и найти необходимый ему дорогостоящий тяжёлый металл.

Также старые свинцовые пластины-электроды используют для изготовления простейших аккумуляторов и источников питания различных устройств и бытовых приборов. Этот металл может перетираться в стружку, после чего его добавляют в краску или лаки, что не только позволяет придать поверхности оригинальную текстуру, но и обеспечивает максимально возможную стойкость, устойчивость к ультрафиолету и механическую прочность.

Устройство автомобильных аккумуляторов

Большинство людей уверены, что находящиеся внутри аккумулятора пластины-электроды выполнены из чистого свинца. Однако в действительности чистого металла в них содержится не более 20% от общей массы сплава. Оставшийся вес — это оксиды и различные металлы.

Поэтому со стандартного автомобильного аккумулятора удается добыть двух-трехкилограммовый слиток дорогого металла.

Необходимо лишь определиться с тем, сколько килограммов свинца в аккумуляторе 60 ампер, а исходя из этого, и можно будет рассчитать полученное количество дорогого металла.

Рекомендуем:  Средний срок службы аккумулятора автомобиля

В процентном соотношении состав автомобильного АКБ будет выглядеть следующим образом:

  1. Электролит — около 20% от общей массы АКБ.
  2. Пластиковый корпус, перегородки и другие элементы из пластика — не более 10% всей массы.
  3. Свинец, диоксиды, оксиды и другие сплавы — около 60% веса.

Для большей наглядности, чтобы определиться тем, сколько свинца в автомобильном аккумуляторе, можно рассмотреть состав 55-амперной автомобильной батареи. Стандартный вес такой АКБ не превышает 15 кг. Пластика тут около 1,5 кг, 3 кг электролита и 10 кг металла. Чистого металла в АКБ будет содержаться не больше 3 кг.

Следует учитывать также тот факт, что полностью выплавить ценный металл из электродов бывает затруднительно, соответственно количество получаемого свинца будет ещё ниже.

Содержание этого ценного металла во многом зависит от мощности аккумулятора и его емкости. Если в 55-амперной АКБ будет содержаться около 3 кг чистого свинца, то уже в мощной батарее для грузовых автомобилей, которая выдает ток на уровне 150−190 Ампер-часов, может содержаться 9 кг этого металла. Исходя из данных таблиц можно с легкостью рассчитать, сколько килограммов свинца, который можно выплавить из электродных пластин, в аккумуляторе 55.

Как разобрать старую батарею

Изначально разборными были лишь аккумуляторы, которые изготавливались в Советском Союзе. Делалось это для того, чтобы у автовладельцев имелась возможность отремонтировать АКБ, заменив те или иные вышедшие из строя элементы.

А вот на западе наибольшей популярностью пользовались необслуживаемые аккумуляторы, которые не подразумевали возможности разборки батарей.

Большинство используемых сегодня аккумуляторов относятся к категории необслуживаемых, соответственно появляются определенные проблемы с тем, чтобы разобрать старую АКБ.

Для такой работы потребуется следующее:

  1. Защитные очки и резиновые перчатки.
  2. Лобзик по металлу.
  3. Пассатижи.
  4. Болгарка.
  5. Плоская отвертка.
  6. Молоток.
  7. Зубило.
  8. Паяльник высокой мощности.
  9. Дрель.
Рекомендуем:  Виды аккумуляторов для детского электромобиля и монтаж АКБ

Выполняя такую разборку старого АКБ, необходимо соблюдать максимальную осторожность. Внутри батареи находится электролит, который при попадании на кожу или слизистые может вызвать химические ожоги. Поэтому следует обязательно надевать очки и защитные резиновые перчатки. Проделав соответствующие отверстия в банках, следует обязательно слить электролит и промыть дистиллированной водой батарею, в которой может также остаться соляная кислота.

Чтобы слить электролит, потребуется выкрутить пробки, а если таковые в АКБ отсутствуют, то самостоятельно дрелью выполняется отверстие, через которое и сливается жидкость. Такие отверстия для слива электролита лучше всего выполнять снизу аккумулятора, что позволит, не наклоняя батарею и не поднимая со дна выпавший осадок, слить всю соляную кислоту.

После промывки банок чистой водой следует, вооружившись лобзиком или болгаркой, отпилить крышку по периметру корпуса батареи. Достают крышку, на которой будут закреплены аккумуляторные пластины.

Если крышку и пластины держат приводные клеммы, то потребуется вручную с помощью молотка или зубила извлечь металлические электроды.

Самостоятельное получение свинца

Свинец плавится при невысоких температурах, соответственно провести выплавку этого металла из аккумуляторных электродов можно в домашних условиях на электрической или газовой плите. Однако в таких условиях можно расплавить металл, который находится в чистом виде. То есть потребуется использовать решетку, мостики и клеммы от АКБ.

А вот если требуется расплавить пластины и получить из них чистый свинец, то следует работать на температурах около 1000 градусов и использовать специальные химические реагенты.

Именно по причине такой сложности выплавки свинца в домашних условиях получить из аккумулятора даже несколько килограммов этого чистого тяжелого металла будет затруднительно. Поэтому зачастую бывает куда проще и выгоднее сдать старый аккумулятор в соответствующие пункты приёма вторсырья или специализированные компании, а не пытаться самостоятельно разобрать и выплавить дорогостоящий металл из электродов и других элементов АКБ.

Рекомендуем:  Аккумулятор Барс для автомобиля: особенности АКБ

Целесообразно ли выплавлять свинец самостоятельно

До недавнего прошлого сдать аккумулятор в переработку было затруднительно, поэтому многие экономичные автовладельцы самостоятельно позанимались разборкой АКБ и последующей сдачей дорогостоящего металла в пункты вторсырья. Сегодня же можно с легкостью сдать аккумулятор в специализированные конторы и не заниматься самостоятельно трудоемкой работой по выплавке свинца, тем более что в домашних условиях провести качественную очистку металла будет проблематично.

Современные АКБ в зависимости от своего типа, ёмкости и мощности могут содержать от 1 до 10 кг свинца. Если отдельные элементы полностью состоят из этого дорогостоящего металла, и переплавить их самостоятельно в домашних условиях не представляет сложности, то вот расплавить пластины, где свинец содержится в оксидах и гидроксидах, бывает затруднительно.

Поэтому проще всего сдать аккумулятор в пункты приема вторсырья, что позволит не только избавиться от необходимости сложной переплавки металла, но и получить неплохое денежное вознаграждение.

Таблицы веса аккумуляторных батарей | Прием аккумуляторов в Санкт-Петербурге по лучшим ценам

 

Таблицы весовых характеристик служат для определения приблизительного веса отработанных аккумуляторов, предназначенных для последующей утилизации и переработки.   Автомобильные аккумуляторы:Стартерные, или автомобильные аккумуляторные батареи используются для запуска двигателя и питания различных электрических устройств автомобиля. В таблице представлены весовые характеристики автомобильных аккумуляторов с учетом массы электролита. Масса аккумулятора без электролита меньше приблизительно на 10%.               Точные весовые характеристики аккумуляторов определяются только после взвешивания! 
Наименование Масса без учеты электролита,кг
Аккумулятор 6 ст-55 12,1
Аккумулятор 6 ст-60 13,2
Аккумулятор 6 ст-66 14,3
Аккумулятор 6 ст-74 15,4
Аккумулятор 6 ст-77 16,2
Аккумулятор 6 ст-90 20,5
Аккумулятор 6 ст-100 19,8
Аккумулятор 6 ст-110 25,6
Аккумулятор 6 ст-132 31,4
Аккумулятор 6 ст-140 36,9
Аккумулятор 6 ст-190 47,9
Аккумулятор 6 ст-215 27,3
    
Аккумулятор 3 ст-150 эм 23,2
Аккумулятор 3 ст-155 эм 25
Аккумулятор 3 ст-215 эм 35,8
Аккумулятор 6 ст-50 эм 17,5
Аккумулятор 6-ст 55 эм 19,2
Аккумулятор 6 ст-60 эм 21,1
Аккумулятор 6 ст-75 эм 25,6
Аккумулятор 6 ст-75 тм 23,9
Аккумулятор 6 ст-90 эм 30,4
Аккумулятор 6 ст-132 эм 43,1
Аккумулятор 6 ст-182 эм 60,4
Аккумулятор 6 ст-190 тм 61,7
Весовые характеристики стационарных аккумуляторных батарей, представленные в таблице, являются приблизительными. Наша компания осуществляет взвешивание аккумуляторов перед их демонтажем и сбором для последующей утилизации. 
Наименование Масса без учета электролита, кг
Аккумулятор ПСК, СК-1
Аккумулятор ПСК, СК-2
Аккумулятор ПСК, СК-3
Аккумулятор ПСК, СК-4
Аккумулятор ПСК, СК-5
Аккумулятор ПСК, СК-6
Аккумулятор ПСК, СК-8
Аккумулятор ПСК, СК-10
Аккумулятор ПСК, СК-12
Аккумулятор ПСК, СК-14
Аккумулятор ПСК, СК-16
Аккумулятор ПСК, СК-18
Аккумулятор ПСК, СК-20
Аккумулятор ПСК, СК-24
Аккумулятор ПСК, СК-28
Аккумулятор ПСК, СК-32
Аккумулятор ПСК, СК-36
Аккумулятор ПСК, СК-40
Аккумулятор ПСК, СК-44
Аккумулятор ПСК, СК-48
Аккумулятор ПСК, СК-52
Аккумулятор ПСК, СК-56
Аккумулятор ПСК, СК-60
Аккумулятор ПСК, СК-64
Аккумулятор ПСК, СК-68
Аккумулятор ПСК, СК-72
Аккумулятор ПСК, СК-76
Аккумулятор ПСК, СК-80
Аккумулятор ПСК, СК-84
Аккумулятор ПСК, СК-88
Аккумулятор ПСК, СК-92
Аккумулятор ПСК, СК-96
Аккумулятор ПСК, СК-104
Аккумулятор ПСК, СК-108
Аккумулятор ПСК, СК-112
Аккумулятор ПСК, СК-116
Аккумулятор ПСК, СК-120
Аккумулятор ПСК, СК-124
Аккумулятор ПСК, СК-128
Аккумулятор ПСК, СК-132
Аккумулятор ПСК, СК-136
Аккумулятор ПСК, СК-140
 
Наименование Масса без учета электролита, кг
Аккумулятор СКЭ-16 69
Аккумулятор СКЭ-18 75
Аккумулятор СКЭ-20 85
Аккумулятор СКЭ-24 105
Аккумулятор СКЭ-28 120
Аккумулятор СКЭ-32 144
Аккумулятор СКЭ-36 159
Аккумулятор СКЭ-40 176
Аккумулятор СКЭ-44 191
Аккумулятор СКЭ-48 208
Аккумулятор СКЭ-52 223
Аккумулятор СКЭ-56 240
Аккумулятор СКЭ-60 255
Аккумулятор СКЭ-64 271
Аккумулятор СКЭ-68 287
Аккумулятор СКЭ-72 303
Аккумулятор СКЭ-76 319
   
Наименование Масса без учета элеткролита, кг
Аккумулятор 3 СН-36 13,2 
Аккумулятор СН-72 7,5
Аккумулятор СН-108 9,5
Аккумулятор СН-144 12,4
Аккумулятор СН-180 14,5
Аккумулятор СН-216 18,9
Аккумулятор СН-228 23,3
Аккумулятор СН-360 28,8
Аккумулятор СН-432 34,5
Аккумулятор СН-504 37,8
Аккумулятор СН-576 45,4
Аккумулятор СН-648 48,6
Аккумулятор СН-720 54,4
Аккумулятор СН-864 64,5
Аккумулятор СН-1008 74,2
Аккумулятор СН-1152 84
Page 2

Наши услуги:

— Дорого! покупаем старые, отработанные аккумуляторы

— Продаем новые аккумуляторы по выгодным ценам

— Покупаем лом черных и цветных металлов и сплавов

Выгодные преимущества для вас, при обращении в нашу компанию:

— Мы приедем и сами заберем у Вас аккумулятор (или другой материал), даже если у Вас всего один аккумулятор

— Выгодные цены 

— Возможность получить скидку при покупке нового аккумулятора, сдав в зачет старый

— Работаем с любыми объемами (от 1 аккумулятора)

— Представляем продукцию как малоизвестных так и ведущих мировых брэндов

Гарантии:

— Предоставляем гарантийные обязательства на всю реализуемую нами продукцию 

— Работаем с проверенными поставщиками.

— Вся наша продукция имеет необходимые сертификаты

Если вы занимаетесь покупкой аккумуляторов и у вас есть своя приемка или магазин:

Тогда для вас есть выгодное предложение, позвоните по контактному номеру телефона чтобы обсудить детали.

Page 3

Вы хотите сдать отработанный старый аккумулятор в Санкт-Петербурге? 

Мы купим его у Вас! 

Наша компания специализируется на покупке и переработке любых свинцовых аккумуляторов в любом виде  (разбитый, без корпуса и т.д.). Электролит из аккумуляторов сливать не надо

Мы работаем с любыми объемами материала от одного аккумулятора до оптовых закупок !

Мы располагаем пунктами приема аккумуляторов во всех районах города,

но если у вас нет возможности самим привезти аккумултор в наш пункт приема — просто позвоните в любое время по номеру +7 (812) 986-45-54.

и мы заберем материал у вас.

Выгодные преимущества для вас, при обращении в нашу компанию:

— Мы приедем и сами заберем у Вас аккумулятор (или другой материал), даже если у Вас всего один аккумулятор

— Не нужно сливать электролит из аккумулятора!!! Просто привезите его нам и получите деньги!

— Принимаем аккумуляторы в любом виде! Даже разбитые аккумуляторы, аккумуляторы с поврежденным корпусом или просто в виде лома!

— Выгодные цены 

— Возможность получить скидку при покупке нового аккумулятора, сдав в зачет старый

— Работаем с любыми объемами (от 1 аккумулятора)

— Представляем продукцию как малоизвестных так и ведущих мировых брэндов

Наш мобильный пункт приема аккумуляторов всегда на связи 7 дней в неделю без обедов и выходных

+7 (812) 986-45-54

Деньги за аккумулятор вы получаете СРАЗУ!!!!  

Наша компания принимает отходы на утилизацию:

  1. Свинцовые отработанные аккумуляторы, которые не были повреждены, и с которых не сливали электролит.
  2. Свинцовые аккумуляторы, которые не были разобраны, но электролит слили.
  3. Несортированный свинцовый лом.
  4. Незагрязненный свинцовый лом в кусковой форме.
  5. Несортированные отходы, в состав которых входит свинец.
  6. Отходы, в состав которых входит свинец, в форме кусков.
  7. Незагрязненные свинцовые опилки.
  8. Незагрязненную свинцовую пыль.
  9. Незагрязненный свинцовый скрап.
  10. Незагрязненную свинцовую стружку.
  11. Свинцовые пластины из б/у аккумуляторов.
  12. Лом цветных металлов (Медь, Латунь, Алюминий, Титан и др.)

Таблица веса аккумуляторов для автомобилей

АКБ — важнейшая составляющая автомобиля, от работы которого зависит успешный запуск при начале работы, оптимальная работа двигателя, и других систем, для которых необходим электрический ток. Для того чтобы сделать правильный выбор аккумулятора, нужно учитывать технические характеристики и его параметры, такие как емкость, пусковой ток, ток холодной прокрутки, размеры, полярность. В некоторых ситуациях важно знать массу батареи, эта характеристика содержится в таблице веса аккумуляторов.

Устройство автомобильный аккумулятор

Автомобильные батареи являются устройством, которое трансформирует химическую энергию в электрическую. Основа устройства незначительно изменилась в течение последних 70 лет. Аккумулятор в вашей машине чаще всего — это свинцово-кислотная батарея, кислота, или электролит которой реагирует со свинцовыми пластинами внутри батареи, и в результате возникает электричество.

Неудивительно, что больше энергии затрачивается на работу большого двигателя, поэтому следует выбирать аккумулятор, который лучше всего подходит по размерам и мощности. Сегодня автомобили расходуют гораздо больше электроэнергии, чем раньше, благодаря наличию в них множества компьютеров, модулей и аксессуаров, и возникает необходимость в АКБ, заряженном достаточной энергией для этих систем. Аккумулятор с недостаточной мощностью, которая в целом не может удовлетворить всех потребностей в ней автомобиля, может привести к электролитической реакции и преждевременной поломке батареи.

Чаще всего в современных автомобилях, представленных на российском рынке, используются так называемые стартерные аккумуляторы, которые маркируются буквами СТ. Например, АКБ с 6-ю последовательно соединенными в конструкции батареями маркируется 6СТ.

Основные условия при выборе

Автомобильная батарея изготовлена из серной кислоты и воды. Когда батарея заряжается, позитивно и негативно заряженные пластины из свинца превращаются в сульфид свинца, и электролит теряет большой объем серной кислоты, превращаясь, в основном, в воду. Когда он заряжается, негативные пластины, состоит:

  • свинец;
  • позитивные пластины двуокиси свинца;
  • электролит — для восстановления прежней плотности.

Будьте осторожны, используя автомобильные аккумуляторы, так как кислота, а также любой осадок, который может возникнуть на корпусе батареи, приводит к коррозии. Осматривайте ваш АКБ как можно чаще, а также используйте защиту рук и глаз, когда принимаетесь работать с ним.

Емкость аккумулятора

Определяется количеством А-час. Это объем энергии, которая образуется в батареи при определенном напряжении в определенный отрезок времени (час). Чаще всего производителем автомобиля рекомендуется диапазон показателя для оптимальной его работы.

Пусковой ток (ПТ)

Это измеритель пусковой мощности батареи. Выбирайте автомобильные аккумуляторы, которые соответствуют требованиям автомобиля для этого проконсультируйтесь с владельцем ТС (транспортного средства) или изучите руководство пользователя ТС. Пусковой ток обычно можно найти на наклейке аккумулятора. Это трехзначное число, обозначающее СТ, измеряющееся в Амперах, располагается после указания емкости (в А-час). Чем выше этот показатель, тем с большей легкостью через стартер запускается коленчатый вал, лучше срабатывает «искра» на свечах зажигания и тем быстрее заводится автомобиль. Важнейший показатель при сильных минусовых температурах.

Ток холодной прокрутки (ТХП)

Это тот же измеритель ПТ, испытания которого проводились при температуре 32 F или 0С. Если вы живете в районе с холодным климатом, это важное замечание. Температуры ниже температуры замерзания могут производить только 50−60 процентов АЗ, так как химический процесс в корпусе батареи замедляется и ослабляется.

Номинальное напряжение

Измеряется в вольтах. Существует три величины напряжения, характерные для АКБ, предназначенных для различных видов транспорта.

  • 6 В — аккумуляторы со столь низким напряжением используются только для особо легкой мототехники.
  • 12 В — показатель, характерный практически для всех батарей, используемых в современных легковых, грузовых автомобилях, а также большинстве мотоциклов
  • 24 В — подобные аккумуляторы устанавливаются на крупногабаритных грузовых автомобилях, автобусах, троллейбусах и т. п.
Полярность автомобильного АКБ

Полярность является ключевым показателем для правильной установки устройства в автомобиль. Она определяется схемой расположения токовыводов и бывает прямая и обратная. Выбор в пользу неподходящей по конструкции схемы токовыводов может привести к тому, что провода не дотянутся до соответствующих клемм.

Для определения полярности нужно расположить аккумулятор к себе той стороной, где находятся выводы. На них должны быть нанесены знаки «+» и «-«. Если вывод со знаком «+» находится справа, то у данного АКБ обратная полярность, если вывод со знаком «+» находится слева, то эта батарея с прямой полярностью.

Рекомендуем:  Состав электролита для кислотных автомобильных аккумуляторов

Размер и масса батареи

Если при покупке АКБ мы можем варьировать его вес, то размер должен определяться более четко. Это продиктовано конструкцией автомобиля. Размеры аккумуляторной батареи зависят от мощности. Чем выше пусковой ток и емкость, тем больше требуется электродов и тем больше размер корпуса АКБ. Во избежание ошибки, размер новой батареи.

Существует три типоразмера АКБ: европейский, азиатский, североамериканский. Выводы АКБ первого типа отличаются тем, что они утоплены в крышке устройства, обычно такие АКБ подходят для отечественных автомобилей и автомобилей европейского производства.

Выводы АКБ азиатского типа находятся над поверхностью крышки АКБ. Такие батареи закрепляются чаще всего под капотом автомобиля. Выводы же третьего типа АКБ располагаются на боковой панели устройства и имеют внутреннюю резьбу.

Хотя масса аккумулятора не является решающим параметром при выборе оптимальной модели, все же в некоторых случаях бывает необходимо знать, сколько весит аккумулятор автомобильный. Например, бывает нужно извлечь батарею из автомобиля, когда предстоит ремонт. В этом случае вес аккумулятора поможет рассчитать нагрузку на элементы конструкции автомобиля или выбрать соответствующий фиксатор.

В большинстве случаев масса указан на наклейке, которая находится на корпусе батареи. Если вы хотите проверить правильность значения, можете самостоятельно измерить вес на весах. Также следует заметить, что вес, написанный на стикере — вес сухой батареи, то есть электролит не принимается в расчет. Разница может составить до 20%, а это существенное значение, например, при тюнинге ДВС. Модель и производитель автомобильного аккумулятора играют ключевую роль, когда дело касается веса. Модель с большей мощностью требует большего количества свинцовых пластин и электролита. Следовательно, вес таких батарей будет больше.

Масса АКБ складывается из следующих составляющих: пластиковый корпус, объем электролитической жидкости, размер и количество свинцовых пластин. Подавляющая масса батареи приходится на свинцовые пластины. Это около 80%.

Чтобы добиться определенного значения емкости производитель варьирует количество и размером пластин. Поэтому, зная данные параметры аккумулятора можно легко вычислить ее тяжесть.

Рекомендуем:  Необслуживаемый аккумулятор Bosch Silver

Вес и емкость

Так как масса аккумулятора напрямую взаимосвязан с емкостью, можно проследив эту взаимосвязь, составить таблицу, в которой систематизируются эти показатели. Вес аккумулятора 55 Ач составляет от 13 до 16 кг. Это самый популярный тип батареи, он установлен на 65−70% автомобилей. Вес аккумулятора 60 Ач будет находиться в пределах 18−18 кг. Мы видим, что дополнительные 5 Ампер увеличивают массу почти на 10%.

Вес аккумулятора 75 А/ч — 24−28 кг. АКБ на 90 Ампер-часов — 27−30 кг. Они устанавливаются чаще всего на грузовую и строительную технику. Масса АКБ мощностью 190 Ампер-час — 43−45 кг. Устанавливаются они чаще всего для тяжелой строительной техники, на кораблях.

Таблица веса

Масса АКБ
Емкость Средняя масса АКБ с электролитом Средняя масса АКБ без электролита
35 А/ч 11,3 кг 9,7 кг
40 А/ч 11,8 кг 9,8 кг
42 А/ч 11,9 кг 10,1 кг
45 А/ч 13,1 кг 10,9 кг
50 А/ч 13,9 кг 12,2 кг
55 А/ч 15,6 кг 13,1 кг
60 А/ч 16,4 кг 14,2 кг
62 А/ч 16,6 кг 14,7 кг
65 А/ч 17,7 кг 15,1 кг
66 А/ч 17,9 кг 15,3 кг
70 А/ч 19,2 кг 15,8 кг
75 А/ч 20 кг 16,5 кг
77 А/ч 20,1 кг 17,2 кг
90 А/ч 24,1 кг 21,5 кг
95 А/ч 24,5 кг 21,7 кг
100 А/ч 25,4 кг 21,8 кг
110 А/ч 26,9 кг 26,6 кг
135 А/ч 38,5 кг 34,6 кг
190 А/ч 50,1 кг 48,9 кг
225 А/ч 62,8 кг 52,2 кг

Теперь вы знаете, как определяется масса автомобильного аккумулятора, например, сколько весит аккумулятор 55 А-час, а также полярность и пусковой ток. Это поможет в выборе оптимальной новой автомобильной батареи. Также важно помнить о правильном размере батареи, что позволит избежать ошибок при ее установке в автомобиль.

подробный гайд для начинающих мотолюбителей.

Общая информация и ответы на самые важные вопросы про емкость аккумулятора мотоцикла.

Содержание:

1. Что такое емкость батареи мотоцикла и в чем ее измеряют
2. Типовые емкости мотоаккумуляторов
3. Как узнать емкость батареи своего мотоцикла
4. Важность подбора аккумулятора с правильной емкостью
5. Может ли измениться емкость батареи?
6. Стоит ли покупать аккумулятор большой емкости?
7. На что влияет емкость аккумулятора?

 

Что такое емкость батареи мотоцикла и в чем ее измеряют

Емкость аккумулятора (или «полезный заряд») – это количество запасаемого устройством электричества. Чем больше емкость, тем дольше батарея способна обеспечивать двигатель электричеством в автономном режиме.

Емкость является одним из главных параметров, по которым должен осуществляться подбор аккумулятора для мотоцикла. Измеряется она в ампер-часах (также допустимы обозначения Ач или Ah), что полностью отражает ее суть. Так, например, емкость в 12 ампер-часов означает, что батарея способна на протяжении 12 часов выдавать рабочий ток в 1 ампер. Соответственно, если для нормальной работы вашего мотоцикла в течение часа достаточно силы тока в 0,5 ампер, этого же аккумулятора хватит для работы на протяжении 24 часов. Работает это и в другую сторону. Если двигателю требуется заряд в 2 ампера в час, емкости хватит на 6 часов. Все это не означает, что батарею нужно будет заряжать каждый день. Речь идет именно о времени автономной работы. Ведь во время езды аккумулятор подзаряжается автоматически. При грамотной эксплуатации использовать специальное зарядное устройство придется не чаще, чем один раз в 2-3 месяца.

Иногда единицу измерения емкости называют «ампер в час» (а не ампер-час). Это не совсем грамотно. Развивая наш пример с аккумулятором на 12 Ач можно сказать, что абсолютному большинству мотоциклов в час достаточно силы тока гораздо меньшей, чем 12 ампер.

Еще один момент, который зависит от емкости аккумулятора мотоцикла – это сила тока1 при его зарядке (именно сила тока, а не скорость зарядки, про скорость мы поговорим чуть ниже). Чтобы процесс произошел без ущерба для самого аккумулятора, силу тока на зарядном устройстве рекомендуется устанавливать в эквиваленте десяти процентов от его емкости. То есть, нашу батарею с емкостью в 12 Ач нужно заряжать силой тока не более 1,2 ампер.

1. Сила тока — количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду. Ампер — сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.

Типовые емкости мотоаккумуляторов

В категорию мотоаккумуляторов входят не только батареи непосредственно для байков, но и устройства для обширного ассортимента мототехники: скутеров, мопедов, квадроциклов, снегоходов, водных мотоциклов и даже газонокосилок. Поэтому диапазон емкостей таких батарей очень обширный: от 2,3 до 30 ампер-часов. Если же брать в расчет только аккумуляторы непосредственно для мотоциклов, то редкий байк рассчитан на батарею с емкостью менее 6 Ah.

В таблице ниже – типовые емкости аккумуляторов. Для наглядности – дополнительные данные о них. По этим данным можно проследить влияние емкости аккумулятора на другие его параметры.

Первая строка – типовые емкости аккумуляторов (при переходе по ссылке вы попадете на страницу с полным ассортиментом батарей соответствующей емкости). Далее – показатели напряжения, размеров, веса и уровня пускового тока аккумуляторов марок Yuasa, Skyrich и Kyoto

 

6Ач 9Ач 12Ач 14Ач 18Ач
Yuasa Yuasa YTX7L-BS
Напряжение: 12 В
Размеры: 114 mm x 71 mm x 131 mm
Вес: 2,3 кг
Пусковой ток: 100 C.A.A.
Yuasa YB9-B
Напряжение: 12 В
Размеры: 135 mm x 75 mm x 139 mm
Вес: 2,4 кг

 

Yuasa YB12A-A
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 80 mm x 160 mm
Вес: 3,1 кг

 

Yuasa YB14-A2
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 89 mm x 166 mm
Вес: 3,4 кг

 

Yuasa YB18-A
Напряжение: 12 В
Размеры: 180 mm x 90 mm x 162 mm
Вес: 4,3 кг

 

Skyrich Skyrich YTZ7S
Напряжение: 12 В
Размеры: 113 mm x 70 mm x 105 mm
Вес: 1,55 кг
Пусковой ток: 100 C.A.A.
Skyrich YB9-B
Напряжение: 12 В
Размеры: 135 mm x 75 mm x 139 mm
Вес: 2,1 кг
Пусковой ток: 100 C.A.A.
Skyrich YB12A-A
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 80 mm x 160 mm
Вес: 3,1 кг
Пусковой ток: 165 A.
Skyrich YB14-A2
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 89 mm x 166 mm
Вес: 3,4 кг
Пусковой ток: 190 A.
Skyrich YTX20L-BS
Напряжение: 12 В
Размеры: 175 mm x 87 mm x 155 mm
Вес: 4,5 кг
Пусковой ток: 310 A.
Kyoto
Kyoto YB9L-A2
Напряжение: 12 В
Размеры: 135 mm x 75 mm x 139 mm
Вес: 2,4 кг
Kyoto YB12A-B
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 80 mm x 160 mm
Вес: 3,1 кг
Kyoto YB14L-A2
Напряжение: 12 В
Размеры: 134 mm x 89 mm x 166 mm
Вес: 3,4 кг
Kyoto YTX20L-BS
Напряжение: 12 В
Размеры: 175 mm x 87 mm x 155 mm
Вес: 5,1 кг

 

В таблице приведены типовые емкости, которые используются для производства большинства современных аккумуляторов. Но можно найти батарею и с любой другой емкостью в интервале от 2,3 до 30 ампер-часов. Также стоит заметить, что все приведенные модели рассчитаны на напряжение2  в 12 В. Существуют батареи и с другими показателями напряжения (например, на 6 В).

От емкости аккумулятора напрямую зависит и стартовый (или пусковой) ток, который способна дать батарея. Это то количество электричества, которое необходимо мотоциклу, чтобы завестись и запустить все электромеханизмы. Обратите внимание на строку таблицы, посвященную аккумуляторам Skyrich. Чем больше емкость аккумулятора, тем больше сила пускового тока. По этому показателю все батареи можно разделить на 3 класса:

1. Аккумуляторы с емкостью менее 12 Ач. Они способны обеспечить работу освещения, зажигания и динамиков мотоциклов средних и крупных размеров (если используются в качестве дополнительной батареи). Кроме того, такие батареи используются для запуска двигателя и обеспечения работы всех электрических цепей некоторых моделей малокубаторных мотоциклов. Объем двигателя таких байков редко превышает 500 кубических сантиметров. Нередко они применяются и на квадроциклах, снегоходах и т.д.

2. Аккумуляторы с емкостью 12 Ач. Применяются для обеспечения током всех систем и запуска двигателя мотоциклов средних размеров, которых на рынке большинство. Объем двигателя значительной части таких байков находится в пределах 900 куб. см. Но есть и исключения. Так, аккумулятор Skyrich YT14B-BS может устанавливаться на некоторые модели мотоциклов Yamaha (XV17P Road Star Warrior и Silverado). Но это именно исключение из общего правила.

3. Аккумуляторы с емкостью более 12 Ач. Применяются для установки на мотоциклы тяжелого типа (с объемом двигателя от 900 куб.см).

2. Напряжение аккумулятора — это разность потенциалов, погруженных в электролит и действующих на положительном и отрицательном электродах. Напряжение аккумулятора не является постоянной величиной. Оно  изменяется в зависимости от степени заряженности аккумулятора.

Как узнать емкость батареи своего мотоцикла

Каждый аккумулятор маркируется всеми необходимыми данными.

Иногда маркировка бывает в слитном формате и выглядит примерно так: 12V12Ah. Расшифровка: напряжение – 12 вольт, емкость – 12 ампер-часов.

Есть еще несколько видов менее распространенных маркировок, которые приведены на схеме ниже.

Если по каким-то причинам на вашем аккумуляторе не указан данный параметр, можно заглянуть в техпаспорт. Там обычно приводится не только емкость установленного на заводе аккумулятора, но интервал емкостей аккумуляторов, которые можно установить на байк. Это делается на тот случай, если конкретной заводской модели батареи найти не удается. Ну или если вы считаете, что вам нужен больший пусковой ток, чем предусмотрен производителем (о том, из-за чего такие ситуации могут возникнуть, мы поговорим чуть ниже).

Если и этот вариант не сработал (техпаспорт далеко или утерян), можно воспользоваться услугами одного из онлайн-сервисов, который не только подскажет емкость батареи, но и подберет нужный аккумулятор по модели вашего мотоцикла.

Важность подбора аккумулятора с правильной емкостью

Если приобрести батарею с недостаточной емкостью, её пускового тока может не хватить на запуск двигателя вашего мотоцикла. Или на нормальную работу фар, подсветки и прочего электрооборудования, которого на современных байках становится все больше. Кроме того, стоит учитывать, что в холодное время года запуск мотора еще более осложнен из-за низких температур. И в такой ситуации крайне полезно иметь некоторый запас емкости батареи.

Батарею чуть большей емкости, чем была установлена на заводе, купить можно. Многие производители стараются экономить и не комплектуют свою продукцию самым мощным из возможных вариантов. Но прежде чем пойти на такой шаг, убедитесь, что аккумулятор с большей емкостью поместится в отведенное ему пространство. В приведенной выше таблице вы сможете убедиться, что чем больше емкость батареи, тем больше места она занимает по всем трем параметрам. Кроме того, не стоит забывать, что покупка батареи большей емкости – это дополнительная переплата, которая чаще всего бывает неоправданной. И этой переплаты можно избежать, если грамотно подобрать емкость аккумулятора.

Может ли измениться емкость батареи?

В процессе эксплуатации емкость аккумулятора будет неуклонно уменьшаться по причине естественного износа. Но если эксплуатация батареи происходит правильно, то явным уменьшение емкости станет только через несколько лет после начала использования аккумулятора. Как правило, ближе к концу гарантийного периода.

Есть факторы, которые могут ускорить сокращение емкости батареи.

1. Глубокий разряд. Если вы допустили разрядку кислотного аккумулятора до показателя ниже 10,5 вольт, его емкость после возвращения к жизни сильно сократится.

2. Слишком частые зарядки. Если аккумулятор еще не требует подзарядки, лучше лишний раз его к зарядному устройству не подключать. Как правило, процедура требуется один раз в два-три месяца.

3. Загрязнение электролита. Этот пункт касается только обслуживаемых батарей. Электролит – это жидкость, обеспечивающая проведение тока внутри аккумулятора. В процессе эксплуатации эта жидкость постепенно испаряется. Поэтому объем электролита необходимо регулярно пополнять (из-за этого подобные аккумуляторы и называют обслуживаемыми). Если показатели железа или хлора в электролите превышают допустимые показатели, аккумулятор будет быстро терять свою емкость. Поэтому восполнять уровень электролита нужно только дистиллированной водой.

4. Неправильные условия хранения в отключенном виде. Длительное пребывание отключенного аккумулятора при отрицательной температуре или в условиях свыше 15-20 градусов также негативно скажется на его емкости. Идеальная температура – от десяти до пятнадцати градусов выше нуля.

5. Низкая скорость езды. Некоторые модели мотоциклов при езде на слишком низкой скорости в недостаточной степени заряжают аккумулятор, что приводит к потере емкости. Но это крайне редкий случай, и скорости должны быть действительно очень низкими. При езде в обычном городском потоке подобное не грозит.

Как же избежать быстрой потери емкости батареи и продлить срок ее эксплуатации? Достаточно избегать всего, что описано в пяти пунктах выше. Стоит добавить только то, что в процессе зимовки аккумулятора у вас дома его также стоит 1-2 раза подзарядить, чтобы избежать избыточного разряда. В остальном – ездите и не переживайте, аккумулятор прослужит столько, сколько должен.

Стоит ли покупать аккумулятор большой емкости?

Аккумулятор большей емкости, чем был установлен производителем, может понадобиться в двух случаях.

1. Для езды зимой. Именно в холода несколько лишних ампер-часов смогут обеспечить необходимый пусковой ток для запуска двигателя.

2. Для установки дополнительного оборудования. Батарея большего объема может понадобиться, если вы собираетесь обвешать свой байк различными электрическими примочками: мощной звуковой системой, не предусмотренной конструкцией подсветкой, дополнительной сигнализацией и т.д. На все это стандартная емкость аккумулятора может оказаться не рассчитанной и придется выбирать модель подороже.

Перед покупкой аккумулятора большей емкости убедитесь, что для него найдется свободное пространство. Чем больше батарея, тем больше она занимает места.

На что влияет емкость аккумулятора?

Емкость аккумулятора ВЛИЯЕТ на:

1. Его размер. Чем больше емкость, тем больше аккумулятор занимает места. Это не значит, что батареи с одинаковой емкостью все будут одинакового размера. Иногда они отличаются по высоте или ширине, но это уже связано с различными стандартами производителей (см. таблицу выше).

2. Его вес. Та же ситуация. Насколько увеличивается вес аккумулятора, в зависимости от его емкости, также можно увидеть в таблице.

3. Силу пускового тока. Чем больше емкость аккумулятора, тем больший пусковой ток он может дать. Чем сильнее пусковой ток, тем больше может быть объем двигателя, который сможет обслуживать аккумулятор. И тем больше различных дополнительных устройств вы сможете на нем разместить.

4. Время автономной работы. Если потребление вашим мотоциклом электричества составляет 1 ампер в час, то в автономном режиме аккумулятор с емкостью в 12 ампер-часов прослужит 12 часов. Но зависимость здесь не совсем линейная. Тот же аккумулятор при потреблении вашим мотоциклом 12 ампер продержится не час, а всего 35 минут, так что будьте бдительнее. И помните о постепенном уменьшении емкости в процессе эксплуатации. Приводимые нами примеры работают только с новыми аккумуляторами.

5. Стоимость батареи. Да, куда же без этого. Чем больше емкость (а соответственно, и вес, и размер и т.д.), тем аккумулятор дороже.

6. Силу тока при зарядке аккумулятора. Нормальным считается заряжать батарею силой тока, равной 10% от его емкости. При разрядке выше нормы – этот показатель рекомендуется уменьшить до 5%.

Емкость аккумулятора НЕ ВЛИЯЕТ на:

1. Скорость зарядки аккумулятора. Поскольку зарядка происходит при силе тока в 10% от емкости батареи, процесс в любом случае займет около 10 часов.

Спасибо, что прочли эту статью до конца. Надеемся, что с ее помощью вы стали лучше понимать принцип работы мотоаккумуляторов и теперь точно подберете батарею с нужной вам емкостью.

 

 

 

 

Твердотельный аккумулятор

— обзор

Твердые электролиты

Одним из ключевых компонентов технологии перезаряжаемых аккумуляторов ASSB является твердый электролит. Твердые электролиты, подробно описанные в разделе 4, должны удовлетворять таким технологическим требованиям, как высокая ионная проводимость в сочетании с незначительной электронной проводимостью, широким диапазоном напряжений, химической совместимостью с материалами катода и анода, а также относительно простое производство в больших масштабах с низкой стоимостью. (Manthiram et al., 2017). Обычно твердые литиевые или натрий-ионные проводники подразделяются на три класса, которые могут дополнять друг друга для удовлетворения этих требований: (1) неорганические стеклообразные или керамические соединения; (2) органические полимеры и (3) композитные или гибридные электролиты, состоящие из комбинации первых двух классов материалов (Manthiram et al., 2017; Hou et al., 2018a; Zheng et al., 2018).

Перенос ионов в твердых неорганических электролитах определяется концентрацией подвижных ионов и вакансий, относительными размерами связанных проводящих путей в кристаллических структурах с точечными дефектами Шоттки и Френкеля, а также свойствами диффузии ионов на границах зерен (Hou et al., 2018а, б; Zheng et al., 2018). Перспективные твердые неорганические литий-ионные электролиты включают аморфный оксинитрид фосфора лития (LiPON) с проводимостью при комнатной температуре до нескольких мСм см — 1 стеклокерамика на основе сульфида лития, фосфат типа NASICON [Li 1 + x Al x Ti 2 — x (PO 4 ) 3 (LATP)] и оксид типа граната [Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (LLZO)] керамические электролиты.Типичные твердые неорганические электролиты для Na (-ион) ASSB, также обладающие относительно высокой ионной проводимостью при комнатной температуре более 1 мСм см — 1 , включают Na-β ″ -оксид алюминия, суперионные проводники Na [NASICON, т.е. Na 3,1 Zr 1,95 Mg 0,05 Si 2 PO 12 (Song et al., 2016)], сульфиды (т.е. Na 3 PS 4, Na 10,8 Sn 1,9 PS 11,8 ) и комплексные гидриды (например, боргидрид натрия) (Yu et al., 2018b; Hou et al., 2018a, b).

Твердые полимерные электролиты, как правило, имеют значительно более низкую ионную проводимость, чем керамические электролиты, но демонстрируют механическую гибкость, малый вес, удобство процесса изготовления и возможность изменения объема электродов во время заряда / разряда. В твердых полимерных электролитах соли Li или Na сольватированы полимерными цепями, например, в полимерах на основе полиэтиленоксида (PEO) или полисилоксана, и ионы Li или Na перемещаются через связанные полимерные цепи.Ионная проводимость твердого полимерного электролита связана с количеством подвижных ионов и сегментарными движениями полимерных цепей. Перенос ионов в связанных полимерных цепях может быть заблокирован сегментами кристаллической цепи, которые образуются ниже температуры стеклования ( T г ). T г можно снизить, например, добавив наноразмерные наполнители. Однако относительно низкая ионная проводимость при комнатной температуре по-прежнему представляет собой главный недостаток полимерных электролитов (Zheng et al., 2018; Hou et al., 2018a, b).

Композитные или гибридные электролиты, сочетающие в себе преимущества (стеклокерамических) и полимерных ионных проводников, обеспечивают улучшенную ионную проводимость с высокой гибкостью для снижения межфазного сопротивления между твердыми электролитами и электродами (Zheng et al., 2018; Hou et al. , 2018а, б).

Электролиты и межфазные границы в натриевых аккумуляторных батареях: последние достижения и перспективы — Eshetu — 2020 — Advanced Energy Materials

Межфазные соединения чрезвычайно важны в высокоэнергетических SIB, а также в LIB, электроды которых работают за пределами окна стабильности электролиты.Фактически, успех LIB связан с развитием межфазных границ электрод / электролит — SEI на отрицательном электроде является наиболее известным — которые предотвращают восстановление и / или окисление электролита, избегая переноса электронов через них. Использование добавок к раствору электролита — это хорошо зарекомендовавший себя метод настройки межфазных свойств и улучшения характеристик батареи. [ 265, 266 ] В этом разделе будут обсуждаться границы раздела электрод / электролит в SIB и влияние добавок.Поскольку в литературе нет четкого разграничения между добавкой и сорастворителем / солью, принято произвольное пороговое значение 10% (мас.% Или об.%).

3.1 Отрицательные электроды

Строительные блоки для межфазного слоя отрицательный электрод / электролит обычно получают в процессе восстановления. Таким образом, выбор состава электролита, являющегося основным источником строительных блоков SEI, имеет фундаментальное значение. Включение добавок — широко используемый метод настройки состава SEI.Добавки для отрицательных электродов обычно обладают более высоким восстановительным потенциалом по сравнению с компонентами электролита (растворителями и солями). Соответственно, они предпочтительно восстанавливаются до нерастворимых твердых веществ, покрывая активные материалы анода и тем самым дезактивируя дальнейшие побочные реакции компонентов электролита. Что касается добавок на основе лития, энергия НСМО, сродство к электрону (EA), потенциал ионизации (IP) и химическая твердость (η) могут рассматриваться как надежные дескрипторы для прогнозирования, а также проверки этих типов добавок. [ 267 ] Например, LUMO и EA описывают термодинамическую способность принимать новый электрон и используются для оценки потенциала восстановления, тогда как η является мерой сопротивления реакции и может служить индикатором кинетики . [ 267 ] Также были введены дипольный момент (μ) и энергия связи с катионом Li (BE), показывая, что более высокое μ приводит к более сильному несвязывающему взаимодействию с Li + , тогда как слабая связь между добавка и катион лития обеспечивают быстрое образование SEI. [ 268 ] Далее рассматриваются исследования образования SEI на Na °, углеродистых и других отрицательных электродах для Na-батарей, в частности, в отношении состава электролита, включая добавки ( Таблица 9).

Таблица 9. Краткое изложение исследованных электролитов с добавками и их влияния на электрохимические характеристики SIB (RT, комнатная температура; N-HCS, полые углеродные наносферы, легированные азотом; AB, ацетиленовая сажа; CB, технический углерод; C, углерод; P, фосфор ; aP — аморфный фосфор; VGCF — углеродные волокна, измельченные из паровой фазы; CNF — углеродные нановолокна) Цикл
Добавка Состав электролита Материал анода Напряжение [В] Емкость [мАч г −1 ] (удельный ток или скорость) / # T [° C] Сохранение емкости [%] a) Refs.
FEC 1 м NaClO 4 / ПК + 2 об.% FEC HC 0–2 210 (25 мА г −1 ) 50 (РТ) +46 [372]
1 м NaPF 6 / ПК + 0.5% FEC 217 (25 мА г −1 ) 80 (РТ) +43 [303]
1 м NaClO 4 / ПК + 2 об.% FEC N-HCS 0.01–2 136 (200 мА г −1 ) 2600 (RT) +60 [373]
1 м NaPF 6 / ПК + 5 мас.% FEC АлСб 0.005–1,3 300 (0,13 ° С) 20 (RT) +67 [28]
1 м NaPF 6 / EC: DEC (1: 1, вес) +5 об.% FEC Sn 3 N 4 / AB 0.001–3 270 (50 мА г −1 ) 50 (РТ) +35 [374]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 5 об.% FEC Пн 3 Сб 7 / AB 0-2 240 (100 мА г −1 ) 70 (РТ) +37 [375]
1 м NaClO 4 / EC: DEC (1: 1, об.) + 5 об.% FEC Sn 4+ x P 3 0–1.5 600 (100 мА г −1 ) 50 (РТ) +88 [376]
1 м NaClO 4 / EC: DEC (1: 1, об.) +5 мас.% FEC Sn 4 P 3 0–1.5 718 (0,15 ° C) 50 (РТ) +97 [328]
1 м NaPF 6 / EC: DMC (1: 2, об.) +5 об.% FEC Sn – S – C 0.01–2 415 (100 мА г −1 ) 50 (РТ) +78 [377]
1 м NaClO 4 / EC: DEC (1: 1, об.) + 5 об.% FEC SiC – Sb – C 0.01–2 492 (мА г −1 ) 70 (РТ) +50 [378]
1 м NaPF 6 / EC: DEC (1: 1, мас.) + 5 мас.% FEC SnSb – CNF 0-2 345 (0.2C) 205 (RT) +57 [379]
1 м NaPF 6 / EC: DMC (1: 1, об.) + 5 об.% FEC SnCNF 0.01–0,8 189 (85 мА г −1 ) 45 (25) +43 [380]
1 м NaPF 6 / EC: DEC + 5% FEC Сб / Ц 0–2 575 (100 мА г −1 ) 80 (РТ) +94 [27]
1 м NaClO 4 / ПК + 5 мас.% FEC Пн 3 Сб 7 0–2 150 (3.5 С) 100 (РТ) +12 [381]
1 м NaClO 4 / ПК + 5 мас.% FEC Ge 0–1 280 (1 С) 50 (РТ) +94 [382]
1 м NaClO 4 / ПК + 5% FEC Sb / CB / VGCF-S 0.02–1,5 576 (0,5 С) 150 (25) +18 [26]
1 м NaPF 6 / EC: DEC + 10% FEC а-П / CB 0–2 1200 (250 мА г −1 ) 60 (РТ) +11 [383]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 2 мас.% FEC Sb / Cu 2 Sb – TiC – C 0–2 240 (100 мА г −1 ) 50 (РТ) +27 [374]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 2 об.% FEC SnSb – TiC – AB 0–1.5 183 (100 мА г −1 ) 70 (РТ) +14 [384]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 2 об.% FEC Cu 6 Sn 5 –TiC – C 0–2 150 (0.2 С) 100 (РТ) +60 [385]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 2 об.% FEC FeSb-TiC-AB 0–2 210 (100 мА г −1 ) 100 (РТ) +52 [386]
FEC + CsPF 6 0.8 м NaPF 6 +0,05 м RbPF 6 / EC: PC (1: 4, об.) + 2 мас.% FEC HC 0,01–2 293 (0,1 С) 100 (25) +17 [387]
FEC + RbFP 6 0.8 м NaPF 6 + 0,05 м RbPF 6 / EC: PC (1: 4 об.) + 2 мас.% FEC HC 0,01–2 283 (0,1 С) +15
FEC + TMSP 1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 5 мас.% FEC + 0.5 мас.% TMSP Sn 4 P 3 / C 0–1,5 500 (0,1 С) 50 (РТ) +64 [388]
ВК 1 м NaPF 6 / EC: DEC (1: 1, об.) + 1 об.% VC Черный P / AB 0–2 1484 (125 мА г −1 ) 23 (РТ) +27 [389]
  • а) Сохранение емкости изменяется после добавления добавки.
3.1.1 Натрий

Использование металлического натрия в качестве отрицательного электрода обеспечивает высокую теоретическую удельную емкость (1166 мА · ч г −1 ) и низкий окислительно-восстановительный потенциал (−2,714 В относительно SHE), [ 269-273 ] , что дает высокую энергетические батареи. Чтобы использовать эти преимущества в Na-металлических батареях, таких как Na – O 2 , [ 274-276 ] Na – S, [ 277, 278 ] и Na – CO 2 , [ 279 ] необходимо решить проблемы, связанные с ростом дендритного металла и нежелательными паразитными реакциями на границе раздела электрод / электролит.Как и в случае металлических литий-ионных аккумуляторов, формирование компактного межфазного слоя из твердого электролита (SEI), обеспечивающего высокую механическую стабильность, высокую ионную проводимость и высокую непроницаемость для растворителя электролита, является предварительным условием для длительного цикла работы натриевых металлических аккумуляторов ( МСБ). [ 280 ] В 1998 году Пелед предположил, что для того, чтобы спонтанно образовавшийся SEI на электродах из щелочного металла был защитным, молярный объем соединений SEI должен быть больше, чем у металла. [ 281-283 ] В таком случае продукты коррозии могут фактически полностью покрывать поверхность металла, образуя сплошной пассивирующий слой, предотвращающий дальнейшую реакцию. Однако следует учитывать, что разложение электролита и связанное с ним образование SEI также может происходить при работе от батареи.

Хотя до сих пор зарегистрированные исследования ограничены, было предпринято несколько попыток понять слой SEI в SMB, включая механизмы формирования и роста, химию, характеристики и функции.Палацин и его сотрудники [ 280 ] сравнили характеристики снятия / гальваники симметричных элементов Li / Li и Na / Na с использованием 1 м LiPF 6 в EC 0,5 DMC 0,5 (LP30) и 1 м NaPF 6 в EC 0,5 DMC 0,5 и EC 0,45 PC 0,45 DMC 0 . 1 соответственно. В то время как элементы Li / Li продемонстрировали низкую поляризацию и плавные профили заряда / разряда при плотностях тока 0.1 и 1 мА см -2 , большие значения перенапряжения были зарегистрированы для Na / Na-ячеек независимо от природы электролита даже при 0,1 мА см -2 . Анализ FTIR подтвердил наличие стабильного SEI на Li, в то время как для Na-электрода было обнаружено огромное изменение состава после поляризации. Этот вывод был дополнительно подтвержден изображениями ex situ циклического электрода с помощью СЭМ, приведенными в той же работе. [ 269 ] Из-за присущей им высокой стойкости к восстановлению растворители на основе эфиров являются одними из наиболее предпочтительных компонентов электролитов для щелочно-металлических батарей.

Cui et al. [ 60 ] сообщил об использовании 1 м соли NaPF 6 в различных глимах (моно-, ди- и тетраглим), EC: DEC и EC: DMC. Очень высокая кулоновская эффективность процесса отгонки-осаждения Na, т.е. более 99,9%, была получена для всех глимов. В той же работе были оценены различные соли (NaPF 6 , NaTFSI, NaFSI, NaOTf, NaClO 4 ), растворенные в диглиме, что свидетельствует о том, что NaPF 6 обеспечивает лучшую производительность, т.е.е., стабильное циклирование металлического Na в течение более 300 циклов при 0,5 мА · см -2 . Химический состав SEI на Na-электродах после циклической обработки в NaPF 6 в диглиме и EC: DEC был исследован с помощью XPS ( Рисунок 17a, b). Подробный глубинный профиль и элементный анализ показали, что слой SEI, сформированный в диглиме, более тонкий (но накопленный объем достаточен, чтобы покрыть поверхность Na) и однородный, состоящий в основном из неорганических частиц Na 2 O и NaF, в то время как слой, образованный в EC : DEC более толстый и состоит из смешанных неорганических и органических соединений, что делает его более проницаемым для электролита, т.е.е., более склонны к постоянному разрыву и формированию. Напротив, разбавитель SEI на основе Na 2 O и NaF обеспечивает стабильный процесс осаждения с удалением натрия.

а) Схематическое изображение процесса снятия изоляции с металлического анода Na °. б) XPS-анализ слоев SEI на металле Na ° в диглиме и электролитах EC: DEC. Воспроизведено с разрешения. [ 60 ] Авторские права 2015 г., Американское химическое общество.c, d) Циклические характеристики симметричных ячеек с использованием металла Na с покрытием Al 2 O 3 и металлического Na без покрытия при плотности тока c) 0,25 мА см −2 и d) 0,5 мА см −2 с общей емкостью 1,0 мАч см -2 . Циклическая стабильность металлического Na-электрода значительно улучшена покрытием Al 2 O 3 . Воспроизведено с разрешения. [ 285 ] Авторские права 2017, Wiley.

Как указано в Разделе 2.1.4, использование концентрированных электролитов является подходящей стратегией для модификации пассивирующего слоя на металлическом Na. В этих электролитах пассивирующий слой в основном образован продуктами разложения аниона, часто принадлежащего к семейству бис-имидов. [ 126 ] Это обеспечивает образование сульфидных соединений, таких как Na 2 S 2 O 4 и Na 2 S 2 O 3 ожидается образование SEI с превосходными свойствами . [ 283 ] Choi et al. сообщили, что 5 м NaFSI в DME обеспечивает превосходную обратимость для удаления / посева Na в Na / SS, а также в Na / Na клетках. [ 284 ] Кроме того, этот состав показал высокую устойчивость к окислению (> 4,9 В по сравнению с Na / Na + ) без коррозии токосъемника катода Al. Такой электролит был использован для изготовления натриевых ячеек с использованием материалов катодов высокого напряжения: Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) и Na 0.7 (Fe 0,5 Mn 0,5 ) O 2 , обеспечивает исключительную стабильность при циклических нагрузках. Обратимая емкость 109 мАч g −1 для более чем 300 циклов была получена с ячейкой Na / Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ).

Подход к стабилизации металлического Na-электрода также основан на разработке его поверхности, то есть создании искусственного слоя SEI перед воздействием на него электролита.Sun и соавторы [ 285 ] нанесли ультратонкий слой Al 2 O 3 на металлический Na, используя атомно-слоистое осаждение (ALD), что привело к подавлению образования дендритов / мшистого Na при кататься на велосипеде. При высокой плотности тока (5 мА · см -2 ) металлический Na-электрод с покрытием из Al 2 O 3 показал гораздо меньшее перенапряжение (≈40 мВ), чем чистый Na (≈300 мВ), а также улучшенную стабильность для 75 чередование (рис. 17в, г).Путем дальнейшей оптимизации покрытия Al 2 O 3 были реализованы Na / Na-симметричные ячейки, обеспечивающие стабильное снятие / покрытие в течение 500 циклов без резкого увеличения перенапряжения или короткого замыкания.

Обратимое покрытие из Na позволит реализовать безметалловые «Na-батареи», в которых металлический Na осаждается на месте во время первой зарядки батареи. [ 286 ] Пример этого подхода был описан Mazzali et al. [ 286 ] с использованием 1 м NaPF 6 в диглиме в качестве электролита и алюминиевой фольги с углеродным покрытием для нанесения Na in situ, демонстрируя очень небольшой гистерезис напряжения вплоть до приложенного тока 2 мА · см — 2 . Zhao et al. [ 287 ] предложил методы на основе растворов in situ для синтеза искусственного защитного слоя Na 3 PS 4 (NaPS) на поверхности металлического Na. Симметричный Na / Na-элемент, использованный для проверки эффективности осаждения модифицированного Na-электрода, продемонстрировал превосходную циклическую стабильность Na @ NaPS по сравнению с Na-электродом без покрытия.

Внедрение функциональных добавок также активно развивается, поскольку это самый простой и наиболее выгодный подход. Как упоминалось выше, добавки для малых и средних предприятий должны обеспечивать строительные материалы SEI, обеспечивающие высокое покрытие поверхности (т.е. большой молярный объем) в дополнение к хорошей ионной проводимости и повышенной электрохимической и химической стабильности.

Ван и соавторы представили KTFSI в качестве бифункциональной добавки к 1 м электролиту NaOTf / TEGDME для стабилизации электродов из металла Na. [ 288 ] Добавление KTFSI улучшает как эффективность, так и цикличность Na / Na симметричных ячеек, что приводит к увеличению срока службы (более 2700 ч) со средним перенапряжением всего 14 мВ. Кроме того, эта добавка обеспечивала беспрецедентную стабильность при циклировании (> 400 ч) при высокой емкости (≈10 мАч · см -2 ). Повышенная производительность объясняется разложением TFSI, которое, обеспечивая высокопроводящий и электрохимически стабильный Na 3 N и оксинитриды, создает прочный слой SEI, и предпочтительной адсорбцией K + на выступах Na, обеспечивая эффект электростатической защиты. для подавления роста дендритов.Хоулетт и его сотрудники недавно исследовали влияние воды в качестве добавки к ионному жидкому электролиту на характеристики удаления металлического натрия / гальванического покрытия. [ 289 ] Было обнаружено, что добавление ≈500 частей на миллион воды к бис (фторсульфонил) имиду N-метил-N-пропилпирролидиния способствует разложению аниона FSI , что приводит к образованию гладкий слой SEI на металлическом Na, богатом неорганическими соединениями.

Совсем недавно Ли и его сотрудники оценили полисульфид натрия (Na 2 S 6 ) как автономный компонент и как добавку к нитрату натрия (NaNO 3 ) в электролите на основе эфира.Было обнаружено, что Na 2 S 6 повышает электрохимические характеристики Na-электрода в течение более 100 циклов при высокой плотности тока (10 мА · см -2 ) и циклической емкости (5 мА · ч · см -2 ). [ 290 ] Однако, хотя сообщается, что комбинация Li 2 S 6 и LiNO 3 улучшает характеристики Li – S батареи за счет синергетического эффекта, использование только Na 2 S 6 предпочтительнее с Na.Фактически, анализ XPS показал, что слой SEI содержит Na 2 O, Na 2 S 2 и Na 2 O, которые обеспечивают механически стабильный SEI, способный подавлять (уменьшать) рост дендритов Na, когда только Na 2 S 6 присутствует ( Рисунок 18a). Напротив, слой SEI в присутствии как Na 2 S 6 , так и NaNO 3 содержит RCH 2 ONa и Na 2 S, что приводит к росту дендрита Na / мха (рис. 18b – d) .Zheng et al. [ 291 ] предложил использовать небольшое количество добавки SnCl 2 (50 × 10 -3 м) к 1,0 М NaClO 4 EC: электролит ПК. Это приводит к образованию в результате спонтанной реакции между SnCl 2 и металлическим Na слоя сплава Na-Sn и ​​компактного SEI, обогащенного NaCl. Симметричные ячейки Na / Na со стабильной периодичностью более 500 ч с гистерезисом низкого напряжения были получены с использованием добавки SnCl 2 .

Роль Na 2 S 6 и Na 2 S 6 –NaNO 3 на стабильность покрытия / удаления Na в 1 м электролите на основе NaPF 6 / диглима.Различие в морфологии поверхности Na с а) одним только ПС и б) дополнительными добавками П-Н. Гальваностатическое циклирование симметричных ячеек при c) 2 мА см -2 и 1 мАч см -2 и d) 5 мА см -2 и 1 мАч см -2 . СЭМ-изображения поверхности Na после 30 циклов при 2 мА · см -2 и 1 мА · ч · см -2 с e) 0,033 мкм одного PS, f) дополнительных добавок P-N и g) 0 мкм PS (без добавок). Масштабные линейки в (e) — (g) составляют 10 мм. Воспроизведено с разрешения. [ 290 ] Авторские права 2018, Wiley.
3.1.2 Электроды на углеродной основе

В отличие от Li-элементов, графит неактивен в Na-элементах из-за неспособности графита принимать ионы Na + . [ 292, 293 ] Только недавно была продемонстрирована возможность внедрения ионов Na + в графит с использованием электролитов на основе глима, благодаря коинтеркаляции молекул растворителя вместе с ионом Na + . . [ 47 ] SEI в SIB, в которых используется графит, подвергается огромным нагрузкам. [ 294, 295 ] На самом деле, при коинтеркаляции сольватированного комплекса Na + происходит значительное расширение объема, как свидетельствуют Адельхельм и его сотрудники, сообщающие об увеличении расстояния между слоями графита на ≈346% при интеркаляция. [ 47 ] Goktas et al. [ 294 ] предположил, что SEI не образуется на поверхности графита, подтверждая эту гипотезу с изображениями ПЭМ.Напротив, Maibach et al. провели подробное исследование свойств SEI на графите с использованием Na-TEGDME. Авторы обнаружили, что соль NaFSI разлагается ниже 0,5 В по сравнению с Na / Na + , играющим ключевую роль в образовании стабильного SEI. [ 54 ] FSI приводит к образованию SEI, в основном состоящего из неорганических продуктов и углеводородов, что обеспечивает превосходные характеристики. [ 296 ] Твердый углерод (HC) — материал отрицательного электрода, который выбирают для SIB. [ 1, 297-299 ] Свойства слоя SEI, образованного на границе раздела фаз HC / электролит, сначала были изучены Komaba et al. [ 297 ] Комбинированные эксперименты XPS и ToF-SIMS с полностью натриевыми или литированными HC в аналогичных электролитах (например, LiClO 4 или NaClO 4 в ПК) выявили сходные виды для обеих клеток (т.е. M 2 CO 3 , ROCO 2 M, CH 2 , COO, сложноэфирные связи, MF, MOH, MCl, M 2 O, где M = Li или Na) .Однако SEI, образованный в SIB, богаче неорганическими частицами (например, Na 2 O, NaCl и Na 2 CO 3 ), в то время как SEI в LIB преобладают органические соединения. Изображения SEM и TEM дополнительно свидетельствуют о том, что слой SEI в SIB менее однороден и тоньше, чем слой в LIB. Ponrouch et al. провели сравнительное исследование состава слоя HC SEI с использованием 1 м NaPF 6 или NaClO 4 в EC (1- x /2) : PC (1- x /2) : DMC x смеси растворителей с x в диапазоне от 0 до 0.5. [ 15 ] Из спектров XPS C1s авторы продемонстрировали увеличение количества групп CO в присутствии ЭК, что, таким образом, связано с раскрытием кольца ЭК при восстановлении, что приводит к образование олигомерных / полимерных частиц PEO, подобных литию. Сотрудники Passerini провели FTIR-анализ слоя SEI, образованного на натриевом Na x -HC в контакте с 1 м NaPF 6 в EC: DMC, EC: DEC и EC: PC. [ 3 ] Они свидетельствуют о существовании двойного алкилкарбоната натрия (NEDC), продукта восстановления EC 1 e , в качестве основного компонента слоя SEI и Na 2 CO 3 , но в меньшем количестве.Эта же группа подробно исследовала состав SEI на поверхности HC с использованием различных солей Na, например, NaPF 6 , NaClO 4 , NaTFSI, NaFSI и NaFTFSI, все растворенные в EC: DEC (1: 1, вес.) . [ 300 ] Авторы доказали ключевую роль Na-соли в определении общего состава слоя SEI, включая его глубинную эволюцию и толщину. Было обнаружено, что строительные частицы SEI, образующиеся на HC в результате восстановления растворителем, уменьшаются с различными солями в следующем порядке: NaPF 6 > NaClO 4 ≈ NaTFSI> NaFTFSI> NaFSI.Ян и соавторы сравнили пассивирующие слои на аноде из восстановленного оксида графена (rGO), подвергнутого циклическому воздействию 1 м NaOTf в карбонатном эфире (EC: DEC) и электролитах на основе эфира (диглима). [ 301 ] Исследование показывает резкое увеличение начальной кулоновской эффективности при использовании в качестве растворителя диглима вместо EC: DEC (т.е. 74,6% против 39%). Повышенная производительность связана с образованием стабильного, тонкого и компактного SEI в электролите на основе простого эфира. Напротив, в электролитах на основе сложных эфиров образуется более толстый слой SEI с плохими защитными свойствами (, рис. 19), что согласуется с результатами для электролита на основе глима и металлического Na-анода. [ 60 ]

i) XPS-спектры SEI-состава электродов из чистого и циклического rGO в электролитах на основе простого эфира и карбонатного эфира. ii) Схематическое изображение компонентов и конфигураций SEI в карбонатных и эфирных электролитах. Воспроизведено с разрешения. [ 301 ] Copyright 2017, Издательская группа RSC.

Сюй и его сотрудники провели подробное исследование слоя SEI на HC, используя сложноэфирные и эфирные электролиты. [ 302 ] Исследование продемонстрировало больший промежуток между катодными / анодными пиками для EC: DEC по сравнению с DEGDME, что указывает на более быструю кинетику и более проводящий / более тонкий слой SEI для эфирного растворителя. Фактически, анализы SEM и XPS показали, что электролит на основе эфира дает компактный, гладкий и более тонкий слой SEI по сравнению со слоем в электролите на основе сложного эфира. Кроме того, SEI, образованный в EC: DEC, состоит из большего количества органических или полимерных частиц, восстановленных из сложноэфирных растворителей, по сравнению с SEI, производным от DEGDME, с преобладанием неорганических веществ.Наконец, модуль Юнга сформированного SEI, оцененный с использованием техники наноиндентирования AFM, намного выше в присутствии DEGDME (16280 МПа), чем EC: DEC (1113 МПа). Это означает, что более жесткий слой SEI может быть полезен для циклирования HC в SIB.

Komaba et al. исследовали и сравнили электрохимические характеристики Na-элементов в нескольких хорошо известных добавках LIB, таких как фторэтиленкарбонат (FEC), транс-дифторэтиленкарбонат (DFEC), этиленсульфит (ES) и виниленкарбонат (VC), в 1 м NaClO . 4 / шт, раствор электролита. [ 25 ] Все они известны как добавки, образующие анодную пленку для литий-ионных аккумуляторов. Среди испытанных добавок было обнаружено, что FEC является наиболее эффективным в улучшении обратимости Na-полуэлементов с использованием электродов HC и NaNi 0,5 Mn 0,5 O 2 . Напротив, другие испытанные добавки не оказали никакого или даже отрицательного воздействия на натриевые клетки. Позже та же группа расширила свою первоначальную работу, подробно изучив влияние FEC на HC при добавлении к растворам электролитов различного состава, т.е.например, 1 м NaClO 4 или NaPF 6 в электролитах PC или EC: PC. [ 303 ] Исследование показало, что электролиты на основе NaPF 6 обеспечивают лучшую обратимость и цикличность введения натрия в твердый углерод по сравнению с электролитами на основе NaClO 4 . В соответствии с выводом группы Комабы, Понруч и его сотрудники сообщили о негативном влиянии FEC как на удельную, так и на кулоновскую эффективность HC-электрода при его добавлении в 1 м NaClO 4 в EC: PC. [ 304 ] Помимо FEC, Ma et al. недавно предложили использовать ионы рубидия (Rb + ) и цезия (Cs + ) в качестве добавок к электролиту для улучшения характеристик анода HC в SIB. [ 305 ] Сообщалось, что добавление 0,05 м MPF 6 (M = Rb или Cs) в EC: PC (4: 1, об.%) + 2 мас.% Эталонного электролита FEC для увеличения цикличности производительность и емкость ячеек Na / HC до 95.3% и 97,1% для Rb + и Cs + соответственно, по сравнению с эталонной ячейкой, которая показала ≈80,6% после 100 циклов. Улучшение объясняется участием ионов Rb + и Cs + в формировании высокопроводящего и более стабильного слоя SEI по сравнению со слоем, сформированным с использованием электролита сравнения.

3.1.3 Дополнительные отрицательные электроды
Материалы на основе титана

Из-за его низкой стоимости, экологичности, искробезопасности и незначительного увеличения объема наночастицы TiO 2 были исследованы в качестве анодного компаунда для перезаряжаемых SIB. [ 306-310 ] Однако высокая поверхность таких материалов приводит к чрезмерному расходу электролита на образование SEI, что отрицательно сказывается на долговременной работе аккумулятора. Ли и др. выполнили подробный анализ поверхности с использованием ПЭМ и РФЭС на пористом углероде / TiO 2 , который показал, что образование слоя SEI увеличивается на аноде с большей площадью поверхности, но природа SEI, по-видимому, зависит от незначительных возмущений в составе анода. [ 311 ] Xu et al. сравнили слои SEI, сформированные на анатазе TiO 2 с использованием электролитов на основе простого эфира и карбоната. Подобно HC-электроду, [ 302 ] использование электролитов на основе глима приводит к образованию более тонких и более богатых неорганическими соединениями слоев SEI, предлагающих превосходные электрохимические характеристики по сравнению с электролитами на основе карбоната. [ 308 ] Это было подтверждено Yang et al. [ 312 ] с использованием полых мезокристаллических сфер TiO 2 , демонстрирующих улучшение на 20% начальной колумбовой эффективности и на 30% при использовании электролитов на основе глима. Ли и др. [ 313 ] провел подробное исследование электрохимической границы раздела электродов TiO 2 в электролите на основе диглима в сравнении со сложноэфирными электролитами, показав, что энергетический барьер переноса заряда (172 мэВ) равен 1.В 4 раза ниже, чем у EC: электролит на основе DEC. Это приводит к гораздо более быстрой передаче заряда через межфазную поверхность электролит / TiO 2 .

Na 2 Ti 3 O 7 также привлек большой интерес из-за его повышенной стабильности, низкой стоимости и нетоксичности. Благодаря способности обменивать до 3,5 ионов Na на формульную единицу, емкость 310 мАч / г -1 может быть получена при довольно низком потенциале включения (≈0.3 В по сравнению с Na / Na + ), что привело к многообещающей плотности энергии для соответствующих батарей. [ 314 ] Однако нестабильность слоя SEI при циклировании является одним из основных недостатков этого материала. [ 315, 316 ] Коллеги Муньоса-Маркеса провели подробное исследование межфазной химии электрода Na 2 Ti 3 O 7 , демонстрируя, что увеличение межфазного сопротивления связано с нестабильным SEI при езде на велосипеде. [ 316 ] Их анализ поверхности XPS показал, что SEI на электродах состоит из карбонатов и семикарбонатов (Na 2 CO 3 , NaCO 3 R), галогенидов (NaF, NaCl), и поли (этиленоксид) (ПЭО), но он нестабилен при циклическом воздействии из-за его частичного растворения при каждой загрузке.

Органические материалы

Использование органических соединений в качестве электродного материала в SIB имеет большие преимущества, поскольку позволяет избежать использования элементов переходных металлов, что может привести к снижению затрат и повышению экологической безопасности. [ 317-319 ] Однако эти соединения подвержены растворению активного материала в электролите, что влияет на стабильность при циклическом воздействии. Правильно спроектированный SEI может смягчить этот недостаток. Бранделл и его сотрудники сравнили слои SEI на электродах на основе бензолдиакрилата для LIB и SIB в электролитах 1 м LiTFSI / EC: DMC (1: 1) и 1 м NaFSI / EC: DEC (1: 1,5) соответственно. [ 320 ] Исследование HAXPES показало, что неорганические соединения солевого происхождения доминируют в слое SEI в SIB, в то время как органические соединения являются основными строительными материалами SEI в LIB; однако полученные результаты могут вводить в заблуждение, поскольку использовались разные соли, смеси растворителей и их относительные количества.

Zhao et al. [ 321 ] исследовал влияние искусственного слоя Al 2 O 3 , нанесенного на поверхность Na 2 C 8 H 4 O 4 терефталатных электродов атомарно. послойное осаждение (ALD). Являясь изоляционным материалом Al 2 O 3 , он снижает рост SEI, ограничивая растворимость активного материала. Фактически, искусственный слой значительно улучшил начальную кулоновскую эффективность (до 91.1%), скорость и производительность при циклической работе.

Легирующие материалы

Благодаря своей повышенной удельной емкости соединения на основе легирующих материалов считаются чрезвычайно перспективными электродными материалами для SIB. [ 322, 323 ] Однако механическое напряжение, вызванное изменением объема при зарядке / разрядке, влияет на стабильность SEI, вызывая дальнейшее разложение компонентов электролита.Это приводит к быстрому снижению емкости и снижению кулоновской и энергетической эффективности. Таким образом, лучшее понимание структуры, состава, эволюции и функции слоя SEI имеет первостепенное значение для легирующих электродов и их композитных анодных электродов.

Baggetto et al. Исследования XPS подтверждают, что слой SEI на циклических электродах Na – Sn богат карбонатами (Na 2 CO 3 и NaCO 3 R), возникающими в результате восстановления электролита (1 м NaClO 4 в ПК). [ 324 ] Однако Sn 4+ , образованный при разложении (т.е. при 2 В), каталитически усиливает разложение электролита. Комаба и его сотрудники систематически исследовали влияние напряжения отсечки на циклируемость (и качество SEI) композитных электродов из Sn-полиакрилата [ 325 ] , показывая, что разложения электролита можно избежать, ограничивая потенциал десодиации. до 0,65 В. Соответственно, сохраняющаяся емкость и кулоновская эффективность композитного электрода на основе Sn были увеличены.Тараскон и др. сравнили производительность Sn-электродов в 1 м NaPF 6 в DEGDME и растворителях на основе карбоната. [ 326 ] Исследование показало, что электролит на основе глима обеспечивает высокую обратимую емкость Sn-электродов за счет образования стабильного SEI, в свою очередь, избегая изоляции доменов активного материала. Исследование XPS показало, что пленка SEI содержит как органические (RCH 2 ONa), так и неорганические (NaF, NaPF 6 , Na 2 O, Na 2 CO 3 и фосфаты) компоненты.В электролите на основе ПК состав SEI аналогичен, но отличается в относительных пропорциях из-за высокой растворимости оксидов и карбонатов натрия в ПК.

Sn 4 P 3 также является привлекательным легирующим материалом для применения SIB благодаря повышенной практической емкости (≈550–750 мАч г −1 ) и хорошей объемной емкости (700 против 465 мАч см −3 ХК). [ 327, 328 ] Однако объемное расширение, достигающее 100%, ограничивает стабильность электрода и его срок службы.Mogensen et al. провели детальное исследование качества слоя SEI на Na / Sn 4 P 3 в контакте с 1 м NaFSI в EC: DEC (1: 1, мас.) + 5% FEC (об.%). [ 329 ] Исследование показало, что SEI, сформированный на поверхности электрода Sn 4 P 3 , претерпевает изменения толщины и состава во время процесса заряда / разряда, что отрицательно влияет на циклическое поведение электрода. Требуется дальнейшая оптимизация электролита, чтобы обойти проблему стабильности Sn 4 P 3 .

Материалы на основе

Sb также считаются многообещающими кандидатами в SIB из-за высокой емкости (660 мА · ч г −1 ), хорошей стабильности цикла и производительности при включении в углеродные матрицы, что снижает негативные эффекты, связанные с большим объемным расширением. . [ 27, 29, 330 ] Исследование влияния солей электролитов и растворителей на SEI, образованное на Sb, выявило основной вклад карбонатов и алкилкарбонатов, определяя роль растворителя в определении пассивации. в таких типах анодных систем. [ 34 ] Анализ XPS тонкой пленки Cu 2 Sb подтвердил, что слой SEI в основном состоит из карбонатов с незначительным вкладом простых эфиров и алкоксидов. [ 331 ] Однако, как и Sn, слой SEI является динамическим, изменяющимся как электрохимически, так и механически в процессе расширения / сжатия ячейки.

Конверсионные материалы
Электроды

Na-конверсии также обещают высокую удельную емкость и, следовательно, считаются действенной альтернативой системам на основе интеркаляции и легирования.Однако на них также влияют большие изменения объема во время электрохимических процессов, что препятствует их эффективной операции по хранению натрия. Было предложено несколько стратегий для смягчения негативных эффектов изменения объема, таких как оптимизация электродов с точки зрения состава, структуры и морфологии или использование матриц, буферизирующих изменение объема. [ 332 ]

Из-за своего обилия, низкой стоимости и нетоксичности Fe 2 O 3 представляет собой привлекательный анодный материал конверсионного типа для SIB.Реакция конверсии

Fe2O3 + 6Na↔2Fe0 + 3Na2O (1)

обещает емкость 1007 мАч г −1 , однако плохая начальная обратимость, энергоэффективность и срок службы ограничивают практическое применение этого анодного материала конверсионного типа. Ограниченная производительность также вызвана плохой стабильностью границы раздела электрод / электролит. Исследования SEI, образованного на Fe 2 O 3 в LIB, показывают, что пассивирующий слой является стабильным по составу, однако он изменяется по толщине при циклировании, что означает, что он постоянно потребляет электролит. [ 333 ] Edström et al. провели сравнительное исследование слоев SEI, сформированных на Fe 2 O 3 с использованием перхлората Li и Na в EC: DEC [ 334 ] , показав, что природа слоев SEI в присутствии Li или Na отличается. В системе Na SEI толще и богаче неорганическими частицами. Кроме того, в Na-элементах слой, состоящий из побочных продуктов разложения соли и растворителя, образуется при простом контакте электрода с электролитом.

Оксид меди (CuO) привлек внимание как отрицательный электрод для SIB. [ 335, 336 ] Adelhelm et al. [ 337 ] исследовал тонкопленочные электроды (без углеродной добавки или полимерного связующего) для изучения реакции превращения CuO при окислении и литировании. Помимо различий в процессах превращения CuO, исследование показало, что SEI, образующийся в присутствии Na, более толстый и богаче неорганическими компонентами.В следующей работе та же группа исследовала межфазную химию композитных электродов CuO с использованием 1 мкм LiPF 6 в EC: DMC (1: 1, объем) и 0,5 мкм NaFSI в EC: DMC (3: 7, объем), [ 338 ] демонстрирует четкие различия в морфологии и химическом составе SEI. И снова слой SEI, сформированный в присутствии Na, значительно толще (6 мкм против 1 мкм), более однороден и в основном состоит из неорганических частиц (Na 2 CO 3 и NaF).С другой стороны, гетерогенный, более тонкий и более богатый органическими частицами слой SEI был получен на CuO в присутствии Li. Несмотря на явно лучшую морфологию, циклический гальваностатический мониторинг давления на месте (PMCG) и дифференциальная электрохимическая масс-спектроскопия (DEMS) выявляют высвобождение газообразных побочных продуктов при натровании CuO, что указывает на непрерывное образование и растворение SEI во время цикла.

В целом, образование SEI, богатого неорганическими частицами, не подходит для тех материалов электродов, которые демонстрируют большие изменения объема, поскольку жесткость SEI не может легко соответствовать объемному расширению частиц активных материалов.

3.2 Положительные электроды

Окислительное разложение происходит на границе раздела положительный электрод / электролит, когда катодный потенциал превышает уровень НСМО электролита. Если не сформирован пассивирующий слой, обычно называемый межфазным катодом и электролитом, или CEI, окисление электролита будет происходить непрерывно, отрицательно влияя на характеристики элемента ( Таблица 10). [ 146, 339, 340 ]

Таблица 10.Добавки для улучшения межфазной границы катод / электролит и их влияние на электрохимические характеристики СИП
Добавка Состав электролита Материал катода Напряжение зарядки [В] Емкость [мАч г −1 ] (удельный ток или скорость) Цикл № T [° C] Сохранение емкости a) [%] Refs.
FEC 1 м NaClO 4 / ПК + 2 об.% FEC NaNi 1/2 Mn 1/2 O 4 4,5 110 (0,1 ° С) 20, (25) +24 [390]
1 м NaClO 4 / ПК + 10 об.% FEC 3.8 80 (24 мА г −1 ) 50 (25) +37 [372]
1 м NaClO 4 / EC: PC (1: 1, об.) + 5 об.% FEC Na 3.32 F 22,34 (P 2 O 7 ) 2 4,0 65 (5C) 1100 (25) +7 [391]
1 м NaPF 6 / EC: DEC (3: 7, об.) + 2 мас.% FEC Na 0.44 MnO 2 3,8 110 (0,2 ° C) 40 (20) +3 [35]
1 м NaPF 6 / EC: PC (1: 1, мас.) + 2 мас.% FEC 112 (0.2 С) +8
1 м NaClO 4 / PC: FEC (8: 2, мас.) Na 0,6 Ni 0,22 Fe 0,11 Mn 0.66 О 2 4,6 157 (15 мА г −1 ) 10 (25) +9 [33]
1 м NaPF 6 / EC: DEC (1/1, об.) + 5 об.% FEC Na 1.95 Fe 2,08 [Fe (CN 6 )] 0,87 ϒ 0,07 ( ϒ представляет собой [Fe (CN) 6 ] 4– вакансию) 4,2 105 (100 мА г −1 ) 280 (25) +4 [392]
1 м NaPF 6 / EC: PC (1: 1) + 2 об.% FEC Na 0.75 Fe 2,08 (CN) 6 . 3,4H 2 O 115 (92 мА г −1 ) 40 (RT) +3 [40]
0.5 м NaClO 4 / EC: PC: DEC (5: 3: 2, об.) + 5 мас.% FEC Na 4 Fe 3 (PO 4 ) (P 2 O 7 ) 4,2 94 (50 мА г −1 ) 100 (NA) +4 [342]
ВК 10 м NaClO 4 / H 2 O + 2 об.% VC Na 3 V 2 O 2x (PO 4 ) 2 F 3-2 x 1.8 42 (1 с) 100 (NA) +25 [393]
1 м NaPF 6 / EC-PC (1/1, об. / Об.) + 5 об.% FEC Na 2 MnSiO 4 4.3 210 (0,1 С) 10 (NA) +61 [394]
  • а) Улучшение по сравнению с электролитом без присадок.

Hu et al. оценили влияние FEC на композитные электроды без связующего Na 2/3 Fe 1/2 Mn 1/2 O 2 @graphene. 1,0 м NaPF 6 PC + 2% FEC электролит позволил установить напряжение отсечки заряда на уровне 4,3 В (против 3,9 В без FEC), что привело к довольно высокой обратимой емкости (156 мАч г −1 ). . [ 341 ] Чой и его сотрудники, подтвержденные анализом ex situ XPS циклического Na 4 Fe 3 (PO 4 ) 2 (P 2 O 7 ) катодов что добавка FEC образует на поверхности катода резистивный слой с высоким содержанием NaF, что обеспечивает отличные характеристики катода при циклировании. [ 342 ] В согласии с работой Ху и Чоя, Пассерини и его сотрудники показали влияние FEC на полуэлемент Na с использованием слоистого катода P2-Na 0,7 CoO 2 , обнаружив увеличенный срок службы, эффективность в ячейке с использованием добавки в электролите на карбонатной основе. [ 57 ] Manohar et al. [ 343 ] исследовал использование Pyr 13 TFSI в качестве добавки к 1 м NaClO 4 в растворе электролита ПК в натриевых элементах, использующих Na 3 V 2 (PO 4 ) 3 / C (NVP / C) в качестве катода.Результаты показали, что электролит, содержащий ИЖ, продемонстрировал высокую разрядную емкость 107 мАч г -1 , с сохранением емкости около 99,7% и средним кулоновским КПД 99,4% для 50 циклов теста, что значительно улучшилось в отношении производительность электролита, не содержащего ИЖ. Анализ состава КЭИ выявил присутствие серы в поверхностной пленке электрода, подвергнутого циклическому воздействию ИЖ-содержащего электролита. Присутствие соединения на основе серы в композиции CEI было указано как ответственное за превосходные характеристики.Song et al. [ 344 ] сообщил об эффекте адипонитрила (ADN) в качестве добавки для улучшения характеристик натрий-ионной батареи с использованием Na 0,76 Ni 0,3 Fe 0,4 Mn 0,3 O 2 в качестве катода и анод HC. ADN может способствовать образованию высокопроводящей и стабильной пленки CEI на поверхности катодного материала, что подтверждается измерениями ПЭМ, эффективно улучшая характеристики при высоких / низких температурах и стабильность циклического режима SIB.

Для понимания межфазных реакций электрод / электролит необходимы дальнейшие исследования. В частности, исследования выделения газа, представляющего значительную опасность в системах с высокой плотностью энергии, не так хорошо изучены в Na-системах, как в обычных LIB. Внедрение таких методов расследования, как DEMS, имеет фундаментальное значение, чтобы пролить свет на эту тему. [ 338, 345-350 ]

Безопасный и негорючий натриево-металлический аккумулятор на основе ионно-жидкого электролита

Свойства AlCl, забуференного NaCl

3 / [EMIm] Cl, ионная жидкость

Приготовление IL-электролита (см. Раздел «Методы») началось с перемешивания безводный AlCl 3 и [EMIm] Cl при молярном соотношении 1.5: 1 для образования кислой ИЖ при комнатной температуре (AlCl 3 / [EMIm] Cl = 1,5) с последующей буферизацией до нейтральной реакции с избытком NaCl и последующим добавлением 1 мас.% EtAlCl 2 и 4 мас.% [EMIm] FSI для получения конечного электролита хлоралюминатной ИЖ, забуференного NaCl (называемого «забуференным электролитом Na – Cl – IL») (рис. 1a). Рамановская спектроскопия была проведена для исследования эволюции форм AlCl 4 и Al 2 Cl 7 в ИЖ на разных стадиях (рис.1б). Пики как AlCl 4 , так и Al 2 Cl 7 наблюдались в исходной кислотной ИЖ с AlCl 3 / [EMIm] Cl = 1,5. После буферизации электролита NaCl до нейтрального пики Al 2 Cl 7 при 309 и 430 см −1 исчезли, а пик AlCl 4 при 350 см −1 усилился. , что указывает на превращение Al 2 Cl 7 в AlCl 4 под действием NaCl на основе уравнения (3).+ $$

(4)

Рис. 1

Свойства буферного электролита Na – Cl – IL. a Схематическое изображение конфигурации батареи и состава электролита IL-электролита. b Рамановские спектры ИЖ на основе AlCl 3 / [EMIm] Cl = 1,5 с различными добавками. c Ионная проводимость забуференного Na – Cl – IL и других электролитов на основе IL для Na-аккумуляторов при 25 ° C 29,30,31,32 . d f Испытания на термическую стабильность ( d ) и воспламеняемость с использованием буферного Na – Cl – IL ( e ) и обычного 1,0 M NaClO 4 в EC: DEC (1: 1 по объему) с 5 мас.% электролитов FEC ( f ). Масштабные полосы в ( e , f ), 1 см

Никаких явных изменений в спектре комбинационного рассеяния хлоралюминатов не наблюдалось после добавления 4 мас.% [EMIm] FSI (рис. 1b). Конечный буферный электролит (далее именуемый забуференным Na – Cl – IL) состоял из Na + , AlCl 4 , EMIm + и FSI с Na + и FSI молярных долей. концентрация ~ 1.76 М и ~ 0,2 М соответственно.

Важным свойством буферного Na – Cl – IL была его высокая ионная проводимость ~ 9,2 мСм см −1 при 25 ° C, что в 2–20 раз выше, чем у ранее описанных электролитов IL на основе объемных катионов. (например, N -бутил- N -метилпирролидин и N -пропил- N -метилпирролидиний) для Na-батарей 29,30,31,32 (рис. 1c). Ионная проводимость была сопоставима с обычными органическими электролитами, например ~ 6.5 мСм см -1 1 М NaClO 4 в пропиленкарбонате (ПК) и 6,35 мСм см -1 1 М NaClO 4 в этиленкарбонате / диэтилкарбонате (EC / DEC, 1: 1 по весу) 33 . Термостабильность нашего забуференного электролита Na – Cl – IL сравнивалась с обычным органическим электролитом 1 M NaClO 4 в EC / DEC (1: 1 по объему) с добавкой 5 мас.% FEC методом термогравиметрического анализа (TGA) (рис. . 1г). Органический электролит показал быструю потерю веса выше 132 ° C и потерял ~ 85% от исходной массы при 230 o ° C из-за разложения карбонатных растворителей в этом диапазоне температур.Для сравнения, буферный Na – Cl – IL показал гораздо лучшую термическую стабильность без значительной потери веса до температуры ~ 400 ° C. Невоспламеняемость буферного электролита Na – Cl – IL была подтверждена, когда он был пропитан пористым сепаратором и контактировал с пламенем (рис. 1e и дополнительный фильм 1), не вызывая возгорания. Напротив, органический карбонатный электролит легко загорелся и сразу же загорелся (рис. 1f и дополнительный ролик 2).

Электрохимия электролита Na – Cl – IL

In a Na vs.ячейка из углеродного волокна и бумаги, содержащая буферный электролит Na-Cl-IL, было проведено сканирование линейной развертки вольтамперометрии (рис. 2а), которое показало пару пиков окислительно-восстановительного потенциала натрия на катодной стороне, и явного разложения электролита не наблюдалось до ~ 4,56 В. на анодной стороне, что свидетельствует о высокой электрохимической стабильности электролита для систем высоковольтных натриевых батарей. Пики восстановления / окисления натрия четко наблюдались при циклической вольтамперометрии (CV) с рабочим электродом из Pt, эталонным Na-электродом и противоэлектродом в буферном электролите Na – Cl – IL, что свидетельствует об обратимом осаждении Na и удалении Pt (рис.2б). В отличие от этого, окислительно-восстановительные пики полностью отсутствовали в буферном электролите без добавки [EMIm] FSI, что указывает на его критическую роль в стабилизации натриевого покрытия / удаления покрытия (рис. 2c). Испытания гальваностатического заряда-разряда исследовали покрытие / снятие натриевого покрытия на Pt в буферном электролите Na – Cl – IL при плотности тока покрытия 0,5 мА см –2 в течение 30 мин. CE увеличился с ~ 72 до ~ 91% в течение первых 5 циклов образования SEI, а затем достиг ~ 95%, что является новым рекордом окислительно-восстановительного потенциала Na как для буферных хлоралюминатных ИЖ, так и для любых других ионных жидкостей на основе различных катионов (включая бензилдиметилэтиламмоний). , бутилдиметилпропиламмоний, триметилгексиламмоний, дибутилдиметиламмоний и N -бутил- N -метилпирролидиний) и анионы (включая FSI и TFSI) 17,34,35,36 (рис.2d, TFSI представляет собой бис (трифторметансульфонил) имид). Обратимый цикл осаждения / снятия натри проводили в течение 100 циклов (фиг. 2e), что было впервые проведено многоцикловое восстановление окислительно-восстановительного потенциала Na в забуференных ИЖ AlCl 3 / [EMIm] Cl. Без добавки [EMIm] FSI в буферном электролите AlCl 3 / [EMIm] Cl = 1,5 наблюдался ток покрытия, но без наблюдаемой способности удаления изоляции (дополнительный рисунок 1).

Рис. 2

Электрохимические свойства буферного электролита Na – Cl – IL. a Профиль линейной развертки вольтамперометрии буферного электролита Na – Cl – IL. Рабочий электрод, углепластик. Противоэлектрод и электрод сравнения, натриевая фольга. Скорость развертки, 2 мВ с −1 . b , c CV-кривые Na / Pt-ячеек с использованием буферного + EtAlCl 2 добавочного и буферного электролита Na – Cl – IL при скорости сканирования 2 мВ с -1 , соответственно. d Профили осаждения / снятия натри ячеек Na / Pt с использованием буферного электролита Na – Cl – IL при плотности тока 0.5 мА см −2 . e Гальваническое покрытие / удаление Na Кулоновская эффективность Na / Pt-элемента с использованием буферного электролита Na – Cl – IL при 0,5 мА см –2 . Емкость покрытия в ( d , e ): 0,25 мАч см −2

Морфология покрытия Na на Cu после пяти циклов нанесения покрытия / снятия изоляции при плотности тока 0,5 и 1,5 мА см −2 был исследован с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), показав размеры частиц от 5 до 10 мкм без явной дендритной морфологии (дополнительный рис.2). Внутренняя часть частицы Na была проанализирована с использованием сфокусированного ионного пучка (FIB), чтобы обнажить поперечное сечение внутренней части (дополнительный рис. 3). Картирование поперечного сечения элементов EDS показало наличие Na в качестве основного элемента вместе с O, Al, F и C, а внутри частицы было обнаружено очень мало Cl, что позволяет предположить распределение Cl в основном на поверхности Na, а не на поверхности. чем внутри (дополнительный рис. 4). Более подробный анализ SEI на натриевых отрицательных электродах показан далее в этой статье.

Металлические элементы Na на основе электролита Na – Cl – IL

Затем мы изготовили металлическую батарею Na, соединив отрицательный электрод Na с положительным электродом, образованным покрытием Na 3 В 2 (PO 4 ) 3 @ восстановленные частицы оксида графена (NVP @ rGO) на бумажной подложке из углеродного волокна (см. Метод). NVP был широко изученным материалом положительного электрода для быстрого и обратимого введения / удаления ионов Na в его решетку, а взаимосвязанная проводящая сеть, образованная листами rGO, еще больше улучшила процесс переноса заряда 37,38 .Измерения порошковой дифракции рентгеновских лучей (XRD) показали каркас типа NASICON с пространственной группой R3̅c с высокой степенью кристалличности синтезированных частиц NVP @ rGO (дополнительный рис. 5). СЭМ и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) показали частицы NVP размером несколько сотен микрометров, смешанные с листами rGO (дополнительные рисунки 6 и 7). Полосы решетки с интервалами d 0,44 и 0,34 нм были отнесены к плоскостям (104) ромбоэдрического NVP и (002) плоскостям многослойного rGO 37 соответственно.Содержание rGO в гибриде NVP @ rGO составляло около 1,1 мас.%, Определенное термогравиметрическим анализом (ТГА, дополнительный рис. 8).

Циклическая вольтамперометрия ячейки Na / NVP @ rGO с оптимизированным буферным электролитом Na – Cl – IL (см. Дополнительный рисунок 9 для оптимизации электролита) показала пару пиков окисления и восстановления, соответствующих окислительно-восстановительным реакциям V 3+ / V 4+ , и CE увеличился до ~ 99,9% в течение четырех циклов, а затем стабилизировался (рис. 3a). Массовая загрузка НВП @ рГО ~ 3.Если не указано иное, использовали 0 мг / см -2 . Плато заряда-разряда при ~ 3,4 В было замечено с удельной разрядной емкостью 93,3 мА г -1 в зависимости от массы NVP @ rGO со скоростью 25 мА г -1 (рис. 3b). В отличие от этого, буферный электролит Na – Cl – IL без добавки [EMIm] FSI показал незначительную разрядную емкость (0,03 мАч г -1 ) (рис. 3b). Ячейка Na / NVP @ rGO в буферном электролите Na – Cl – IL показала хорошие скоростные характеристики при более высоких скоростях (рис.3c), с удельной разрядной емкостью ~ 70 мА · ч g −1 при 500 мА · g −1 (~ 4,3 C), что составляет ~ 71% от удельной емкости при 25 мА · g −1 (рис. . 3d). Ячейка Na / NVP @ rGO может сохранять ~ 96% начальной емкости в течение более 460 циклов при 150 мА г −1 (~ 0,4 мА · см −2 ) с высоким средним значением CE 99,9% (рис. 3e ). Это был первый раз, когда> 99% CE была достигнута для Na-металлической батареи в буферных хлоралюминатных электролитах IL. Для сравнения, ячейка Na / NVP @ rGO на основе обычного органического карбонатного электролита, 1 M NaClO 4 в этиленкарбонате / диэтилкарбонате (EC / DEC, 1: 1 по объему) с 5 мас.% Фторэтиленкарбоната (FEC). сохраняет только 79% начальной емкости после 450 циклов при 150 мА g −1 (дополнительный рис.10), что значительно ниже, чем ~ 96% для забуференного электролита Na – Cl – IL при тех же условиях. Столь же высокий средний CE 99,9% был продемонстрирован в органическом электролите при стабильном цикле цикла, но колебания CE наблюдались после 400 циклов (дополнительный рисунок 10). Ячейка Na / NVP @ rGO на основе буферного электролита Na – Cl – IL обеспечивает увеличенный срок службы примерно на 100 циклов по сравнению с таковым с использованием обычного органического электролита. С увеличенной массой загрузки NVP @ rGO до 8.0 мг / см -2 , удельная разрядная емкость ~ 92 мАч г -1 была доставлена ​​при 25 мА г -1 с использованием буферного электролита Na – Cl – IL, что соответствует 94% емкости с 3,0 мг см −2 нагрузка (дополнительный рис.11). Несколько более низкий CE ~ 99,0% был продемонстрирован при нагрузке 8,0 мг / см -2 по сравнению с ~ 99,9% при 3,0 мг / см -2 .

Рис. 3 Характеристики ячейки

Na / NVP / @ GO в буферном электролите Na – Cl – IL. a CV-кривые ячейки Na / NVP @ rGO с использованием буферного электролита Na – Cl – IL при скорости сканирования 2 мВ с -1 . b Начальные кривые гальваностатического заряда-разряда ячейки Na / NVP @ rGO с использованием буферных электролитов Na – Cl – IL с добавкой [EMIm] FSI и без нее при 25 мА г –1 . c Гальваностатические кривые заряда-разряда ячейки Na / NVP @ rGO с использованием буферного электролита Na – Cl – IL при различных плотностях тока от 25 до 400 мА г –1 . d , e Скорость и циклическая стабильность ячейки Na / NVP @ rGO с использованием буферного электролита Na – Cl – IL.Область в рамке ( e ) соответствует производительности ( d ) при различных плотностях тока от 20 до 500 мА g -1 . После этого для циклирования использовалась плотность тока 150 мА г −1 .

При стабильном окне напряжения до ~ 4,6 В (рис. 2а) буферный электролит Na – Cl – IL был совместим с более высоким положительным напряжением. электроды, такие как Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 @rGO, чтобы получить элементы Na-металлических батарей с более высоким разрядным напряжением и плотностью энергии.Мы синтезировали NVPF @ rGO простым гидротермальным методом, который был первым случаем, когда гибрид NVPF @ rGO был получен одностадийным и низкотемпературным (120 ° C) методом без какой-либо сублимационной сушки или отжига 39 (см. Метод ). Картины XRD (дополнительный рисунок 12) показали, что приготовленные NVPF и NVPF @ rGO в основном состоят из тетрагонального Na 3 V 2 (PO 4 ) 2 F 3 (ICDD PDF No. 01-089- 8485) 40 со средним размером ~ 100 нм.Частицы NVPF были однородно гибридизированы с листами rGO, создавая взаимосвязанную проводящую сеть для улучшения переноса электронов (дополнительный рисунок 13). Содержание rGO в гибриде NVPF @ rGO составляло около 4,4%, подтвержденное TGA (дополнительный рисунок 14). На ВАХ положительного электрода наблюдались две пары пиков окисления и восстановления (3,75 В / 3,5 В и 4,12 В / 3,91 В), соответствующие окислительно-восстановительным реакциям V 3+ / V 4+ и пар соответственно. (Дополнительный рис.15). По сравнению с NVP @ rGO с окислительно-восстановительным потенциалом V 3+ / V 4+ , введение фтора в NVPF @ rGO позволило стабилизировать окислительно-восстановительный потенциал V 4+ / V 5+ , обеспечивая более высокий заряд / плато разряда при ~ 4 В. Ячейка Na / NVPF @ rGO на основе буферного электролита Na – Cl – IL продемонстрировала хорошие скоростные характеристики при плотностях тока от 50 до 500 мА g −1 (от 0,16 до 1,6 мА см −2 ) и ХЭ от 95% до ~ 99% (рис. 4а, б). Максимальная плотность энергии составляла ~ 420 Вт · ч · кг −1 в расчете на массу NVPF @ rGO.При увеличении массовой загрузки NVPF с 3,0 до 8,0 мг / см -2 , удельная емкость и плотность энергии хорошо сохранялись, с удельной энергией ~ 394 Вт · ч · кг -1 при массовой загрузке NVPF @ rGO. ~ 8,0 мг / см -2 работал при токе 50 мА · г -1 (~ 0,4 мА · см -2 ) (дополнительный рисунок 16). Положительный электрод NVPF @ rGO показал высокую плотность энергии при различных скоростях в буферном электролите Na – Cl – IL (рис. 4c), обеспечивая плотность энергии 276 Вт · ч · кг −1 за ~ 10 мин времени разряда, что соответствует времени разряда удельная мощность 1766 Вт кг −1 в расчете на массу NVPF @ rGO при плотности тока 500 мА · г −1 (~ 1.6 мА см −2 ). Превосходное быстродействие по сравнению с предыдущими положительными электродами на основе NVPF в электролитах IL 29,30,31,32,41 было связано с более высокой ионной проводимостью электролита Na – Cl – IL в 2–20 раз и новым Гибрид NVPF @ rGO, облегчающий перенос заряда 42,43 .

Рис. 4

Характеристики ячейки Na / NVPF @ GO в буферном электролите Na – Cl – IL. a Гальваностатические кривые заряда-разряда ячейки Na / NVPF @ rGO при переменной плотности тока от 50 до 500 мА · г −1 . b Сохранение емкости и кулоновской эффективности ячейки Na / NVPF @ rGO при циклировании при различных плотностях тока от 50 до 500 мА г -1 . c , d Ragone и Radar графики этой работы в сравнении с другими известными Na-батареями комнатной температуры на основе IL-электролитов, соответственно 29,30,31,32,41 . Удельная емкость, энергия и удельная мощность в этой работе и предыдущих публикациях были рассчитаны на основе массы активных материалов на положительном электроде.Срок службы цикла в ( d ) определяется номером цикла, когда емкость упала ниже 90% от исходной емкости 29 . 1, 2 и 3 представляют три различных электролита ИЖ на основе 1 М солей NaBF 4 , NaClO 4 и NaPF 6 соответственно. e Циклическая стабильность ячейки Na / NVPF @ rGO с использованием буферного электролита Na – Cl – IL при 300 мА г -1

Ячейка Na / NVPF @ rGO с массовой загрузкой NVPF @ rGO 3,0 мг / см −2 продемонстрировал превосходную стабильность при циклических нагрузках в нашем электролите IL, сохранив более 90% начальной удельной емкости в течение 710 циклов при плотности тока 300 мА г −1 (~ 0.81 мА · см −2 ) со средним значением CE 98,5% (рис. 4e). При более высокой массовой загрузке NVPF @ rGO, равной 5,3 мг / см -2 , ячейка Na / NVPF @ rGO могла сохранить 91% начальной удельной емкости после 360 гальваностатических циклов заряда-разряда при 150 мА г -1 (~ 0,7 мА см −2 ) со средним значением CE 98,2% (дополнительный рисунок 17). Ключевые рабочие параметры ячейки Na / NVPF @ rGO в буферном электролите Na – Cl – IL, включая удельную энергию / мощность, срок службы, разрядное напряжение и массовую нагрузку, превзошли предыдущие ячейки на основе электролитов IL при комнатной температуре 29,31, 41 (рис.4d и дополнительная таблица 1).

Присадка EtAlCl 2 была признана важной для повышения устойчивости к циклированию натриевых батарей с электролитом Na – Cl – IL при сравнении двух ячеек Na / NVPF @ rGO в электролитах IL с 1 мас.% EtAlCl и без него 2 ( Дополнительный рис.18). Присутствие добавки EtAlCl 2 увеличило срок службы на ~ 500 циклов при 300 мА г -1 , что можно объяснить удалением следовых количеств остаточных протонов и свободных хлорид-ионов в электролите с помощью уравнения (4).

Твердоэлектролитная межфазная химия электролита Na – Cl – IL

Хорошо известно, что SEI играет решающую роль в стабилизации границы раздела между отрицательными электродами из щелочных металлов и электролитами 44,45,46 . Из-за необычного состава нашего электролита ИЖ химический состав SEI может отличаться от химического состава обычных органических электролитов. С этой целью мы сначала проанализировали элементный состав и профиль глубины с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) Na отрицательного электрода из ячейки Na / NVP @ rGO с массовой загрузкой NVP @ rGO 5.0 мг / см −2 . Ячейку циклически повторяли в течение 20 циклов при 100 мА g -1 (~ 0,5 мА см -2 ) и останавливали в полностью заряженном состоянии (Na, нанесенный на отрицательный электрод). Профиль поверхности XPS выявил присутствие Na, O, C, Cl, F, Al и N (дополнительный рисунок 19). XPS-профилирование с помощью распыления Ar показало ярко выраженный пик Na Оже при 535,7 эВ на всех глубинах образца (рис. 5а). Пики O 1 s при 531,2, 529,4, 532,2 и 533,6 эВ указывают на присутствие Na 2 CO 3 , Na 2 O, Na 2 SO 4 и NaOH соответственно (рис.5а). NaOH присутствовал только на поверхности, так как он был образован из-за загрязнения водой, когда образец кратковременно подвергался воздействию воздуха во время переноса в XPS. Часть Na 2 CO 3 также могла быть результатом реакции с водой и диоксидом углерода в воздухе, и ее интенсивность уменьшилась после распыления. Напротив, интенсивность Na 2 O и Na 2 SO 4 , образованных анионом FSI и металлическим натрием, не показала очевидного уменьшения во время распыления, что указывает на их присутствие в SEI.Как и ожидалось, пик F 1 s при ~ 685,5 эВ подтвердил присутствие NaF в качестве основного SEI на основе F (рис. 5b). Анионы FSI в [EMIm] FSI были ответственны за SEI на основе F через реакции с высокореакционноспособным металлическим Na, что согласуется с предыдущей литературой 47,48 . Пики Al 2 p при 74,5 эВ указывают на присутствие Al 2 O 3 в качестве основного компонента SEI на основе алюминия с небольшой наблюдаемой долей металлического Al (рис. 5с). Два ярко выраженных пика при ~ 198,4 и 199.8 эВ соответствовали пикам Cl 2 p 1/2 и Cl 2 p 3/2 , предполагая, что NaCl является еще одним важным компонентом SEI (рис. 5d). Слабый пик N 1 с при ~ 400 эВ указывает на присутствие азотистых частиц, образующихся при разложении аниона FSI (дополнительный рисунок 20), что согласуется с предыдущей литературой, основанной на органических электролитах на основе LiFSI 49,50 . В целом, гибридный SEI, образованный на металлическом натрии, состоящем из NaF, Na 2 O, Na 2 SO 4 , Al 2 O 3 , Al и NaCl, способствовал обратимому процессу осаждения / удаления Na в буферном электролите Na – Cl – IL.

Рис. 5

Морфология и определение межфазной границы твердого электролита (SEI) нанесенного Na в буферном электролите Na – Cl – IL. a – d XPS-спектры высокого разрешения для Na Auger и O1s ( a ), F 1 s ( b ), Al 2 p ( c ) и Cl 2 p ( d ) отрицательного электрода Na из ячейки Na / NVP @ rGO с массовой загрузкой NVP @ rGO 5,0 мг / см -2 на разных глубинах соответственно. Ячейка подвергалась циклам при 100 мА g -1 (~ 0.5 мА · см -2 ) в течение 20 циклов и остановился в полностью заряженном состоянии перед определением характеристик. e Крио-ПЭМ изображение медной сетки, покрытой Na, при плотности тока 0,1 мА · см −2 . Масштабная шкала 500 нм. f , g Крио-ТЕМ-изображения с высоким разрешением и дифракционные картины (вставка) SEI, касающиеся Al 2 O 3 и NaCl. Шкала в ( f , g ), 5 нм. h Кольцевое темное поле с большим углом (HAADF) и соответствующие изображения отображения элементов для зондирования состава SEI с использованием STEM.Масштабная линейка, 100 нм

Чтобы получить более полное представление о процессе нанесения Na-покрытия в буферном электролите Na-Cl-IL, был использован криогенный просвечивающий электронный микроскоп (Cryo-TEM) для исследования морфологии и элементного состава нанесенных Na-Cu-сеток. не подвергая образец воздействию воздуха (см. раздел «Методы»). Крио-ТЕМ был недавно продемонстрирован как мощный инструмент для исследования морфологической информации и информации о компонентах чувствительных к лучу материалов аккумуляторных батарей, таких как металлический литий 51,52 , но до сих пор не использовался для исследования SEI на натрии.Сначала мы исследовали начальное покрытие Na на сетке из Cu, которое включало рост Na и образование SEI на начальной стадии. Покрытый Na (без воздействия воздуха) имел сферическую морфологию (рис. 5e). Изображение с высоким разрешением показало некоторые кластеры в SEI с четкими полосами решетки, показывающими интервал d 0,347 нм, индексированный по плоскостям (012) α-Al 2 O 3 , что также было подтверждено дифракционной картиной ( Рис. 5е). Кроме того, компактное наложение множества нанокубов со средним размером ~ 10 нм наблюдалось на краю SEI с полосами решетки на расстоянии d , равном 0.284 нм, проиндексировано по (200) плоскостям NaCl и подтверждено дифракционной картиной (рис. 5g).

Анализ картирования элементов на этих участках был выполнен с использованием сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM), что указывает на присутствие Na, O, Cl, Al, F и N, что соответствует результатам XPS, подтверждая гибридный состав SEI этого участка. новый ИЖ-электролит (рис. 5з). Перекрывающееся картирование Na и Cl указывало на присутствие NaCl, что соответствовало диаграммам укладки и дифракционной картине NaCl, обнаруженным в Cryo-TEM (рис.5е). Картирование F в основном распределено в области вблизи поверхности и показало хорошее перекрытие с картированием Na, что соответствует результатам XPS, показывающим наличие слоя NaF. Совместное картирование Na и Al показало агрегацию Al с образованием некоторых кластеров Al, а не равномерное распределение с Na в матрице SEI (рис. 5h). Это можно объяснить тем, что Al и Na не могут образовывать сплав; таким образом, Al мог бы предпочесть наносить пластину на Al, а не на Na, что могло бы объяснить взаимосвязанную структуру Al, наблюдаемую на изображении карты.

Производство литий-ионных батарей высокой энергии, содержащих кремнийсодержащие аноды и вставные катоды

  • 1.

    Armand, M. & Tarascon, J.-M. Строим лучшие батареи. Nature 451 , 652–657 (2008).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Google ученый

  • 2.

    Данн, Б., Камат, Х. и Тараскон, Ж.-М. Хранение электрической энергии для сети: набор вариантов. Наука 334 , 928–935 (2011).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 3.

    Эшету Г., Арманд Г. Г., Скросати Б. М. и Пассерини С. Материалы для хранения энергии, синтезированные из ионных жидкостей. Angew. Chem. Int. Эд. 53 , 13342–13359 (2014).

    Артикул CAS Google ученый

  • 4.

    Винтер, М. и Бродд, Р. Дж. Что такое батареи, топливные элементы и суперконденсаторы? Chem. Ред. 104 , 4245–4270 (2004).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 5.

    Нитта, Н., Ву, Ф., Ли, Дж. Т. и Юшин, Г. Материалы литий-ионных аккумуляторов: настоящее и будущее. Mater. Сегодня 18 , 252–264 (2015).

    CAS Статья Google ученый

  • 6.

    Placke, T., Kloepsch, R., Dühnen, S. & Winter, M. Литий-ионный, металлический литий и альтернативные технологии перезаряжаемых аккумуляторов: одиссея высокой плотности энергии. J. Solid State Electrochem. 21 , 1939–1964 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 7.

    Bresser, D. et al. Перспективы исследований и разработок автомобильных аккумуляторов в Китае, Германии, Японии и США. J. Источники энергии 382 , 176–178 (2018).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 8.

    Лу Ю., Чжан К. и Чен Дж. Последние достижения в области литий-ионных аккумуляторов с высокими электрохимическими характеристиками. Sci. China Chem. 62 , 533–548 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 9.

    Zhang, H. et al. От электродов из твердого раствора и концепции кресла-качалки до современных батарей. Angew. Chem. Int. Эд. 59 , 534–538 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 10.

    Эшету, Г. Г., Месеррейес, Д., Форсайт, М., Чжан, Х. и Арман, М. Полимерные ионные жидкости для литиевых аккумуляторных батарей. Мол. Syst. Des. Англ. 4 , 294–309 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 11.

    Marinaro, M. et al. Продвижение разработки аккумуляторных элементов для автомобильной промышленности: перспективы научно-исследовательской деятельности в Китае, Японии, ЕС и США. J. Источники энергии 459 , 228073 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 12.

    Schmuch, R., Wagner, R., Hörpel, G., Placke, T. & Winter, M. Характеристики и стоимость материалов для литиевых перезаряжаемых автомобильных аккумуляторов. Нат. Энергетика 3 , 267–278 (2018).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 13.

    Zeng, X. et al. Коммерциализация технологий литиевых батарей для электромобилей. Adv. Energy Mater. 9 , 11 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 14.

    Эшету Г. и Фиггемайер Э. Противодействие вызовам литий-ионных батарей нового поколения на основе кремниевых анодов: роль конструкционных добавок к электролитам и полимерных связующих. ChemSusChem 12 , 2515–2539 (2019).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 15.

    Judez, X. et al. Возможности создания твердотельных аккумуляторных батарей на основе литий-интеркаляционных катодов. Джоуль 2 , 2208–2224 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 16.

    Вен, К. Дж. И Хаггинс, Р.А. Химическая диффузия в промежуточных фазах в системе литий-кремний. J. Solid State Chem. 37 , 271–278 (1981).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 17.

    Ву, Дж., Цао, Й., Чжао, Х., Мао, Дж. И Го, З. Критическая роль углерода в соединении кремниевых и графитовых анодов для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Carbon Energy 1 , 57–76 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 18.

    Anothumakkool, B. et al. Электрополимеризация запускает модификацию поверхности межфазных электродов на месте: уменьшение потерь лития в первом цикле литий-ионных батарей с кремниевым анодом. ACS Sustain. Chem. Англ. 8 , 12788–12798 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 19.

    Müller, J. et al. Разработка анодов Si-on-Graphite большой емкости для литий-ионных аккумуляторов, изготовленных методом псевдоожиженного слоя. Chem. Англ. J . 407 , 126603 (2020).

  • 20.

    Hamzelui, N., Eshetu, G. & Figgemeier, E. Настройка активных материалов и полимерных связующих: строгие требования для реализации литий-ионных батарей на основе кремний-графитового анода. Дж. Хранение энергии 35 , 102098 (2021).

    Артикул Google ученый

  • 21.

    Dühnen, S. et al. К зеленым аккумуляторным элементам: взгляд на материалы и технологии. Малые методы 4 , 2000039 (2020).

    Артикул CAS Google ученый

  • 22.

    Ли, Х., Чжан, М., Юань, С. и Лу, К. Прогресс в исследованиях кремний / углеродных анодных материалов для литий-ионных батарей: конструкция конструкции и метод синтеза. ХимЭлектроХим 7 , 4289–4302 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 23.

    Пан К., Цзоу Ф., Канова М., Чжу Ю. и Ким Ж.-Х. Систематические электрохимические характеристики анодов Si и SiO для литий-ионных аккумуляторов большой емкости. J. Источники энергии 413 , 20–28 (2019).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 24.

    Чой, Дж. У. и Аурбах, Д. Перспективы и реальность постлитий-ионных батарей с высокой плотностью энергии. Нат. Rev. Mater. 1 , 16013 (2016).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 25.

    Liu, Z. et al. Оксиды кремния: перспективное семейство анодных материалов для литий-ионных аккумуляторов. Chem. Soc. Ред. 48 , 285–309 (2019).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 26.

    Ким, М. К., Джанг, Б. Ю., Ли, Дж. С., Ким, Дж. С. и Нахм, С.Микроструктуры и электрохимические характеристики наноразмерного SiO x (1,18 ≤ x ≤ 1,83) в качестве материала анода для литий-ионной батареи. J. Источники энергии 244 , 115–121 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 27.

    Ульвестад, А., Мюлен, Дж. П. и Киркенген, М. Нитрид кремния в качестве анодного материала для литий-ионных аккумуляторов: понимание реакции преобразования SiN x . J. Источники энергии 399 , 414–421 (2018).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 28.

    Ulvestad, A. et al. Субстехиометрический нитрид кремния — анодный материал для литий-ионных аккумуляторов, обещающий высокую стабильность и большую емкость. Sci. Отчет 8 , 8634 (2018).

    ADS PubMed PubMed Central Статья CAS Google ученый

  • 29.

    de Guzman, R.C., Yang, J., Ming-Cheng Cheng, M., Salley, S.O. & Ng, K.Y.S. Композитные аноды на основе нитрида кремния большой емкости для литий-ионных аккумуляторов. J. Mater. Chem. А 2 , 14577–14584 (2014).

    Артикул CAS Google ученый

  • 30.

    Chae, S. et al. Газофазный синтез наночастиц аморфного нитрида кремния для высокоэнергетических ЛИА. Energy Environ. Sci. 13 , 1212–1221 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 31.

    Винн Д. А., Шемилт Дж. М. и Стил Б. С. Х. Дисульфид титана: электрод из твердого раствора для натрия и лития. Mater. Res. Бык. 11 , 559–566 (1976).

    CAS Статья Google ученый

  • 32.

    Zhang, H. et al. Электролитические добавки для литий-металлических анодов и литий-металлических аккумуляторов: прогресс и перспективы. Angew. Chem. Int. Эд. 57 , 15002–15027 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 33.

    Mizushima, K., Jones, PC, Wiseman, PJ & G динаф, JB Li x CoO 2 (0 Mater. Res. Бык. 15 , 783–789 (1980).

    CAS Статья Google ученый

  • 34.

    Теккерей М. М., Дэвид В. И. Ф., Брюс П. Г. и Гуденаф Дж. Б. Введение лития в марганцевые шпинели. Mater. Res. Бык. 18 , 461–472 (1983).

    CAS Статья Google ученый

  • 35.

    Padhi, A. K., Nanjundaswamy, K. S. & G динаф, J. B. Фосфооливины в качестве материалов положительных электродов для перезаряжаемых литиевых батарей. J. Electrochem. Soc. 144 , 1188–1194 (1997).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 36.

    Manthiram, A., Knight, J.C., Myung, S.-T., Oh, S.-M. И вс, Ю.-К. Катоды из слоистых оксидов с высоким содержанием никеля и лития: прогресс и перспективы. Adv. Energy Mater. 6 , 1501010 (2016).

    Артикул CAS Google ученый

  • 37.

    Ли В., Сонг Б. и Мантирам А.Материалы высоковольтных положительных электродов для литий-ионных аккумуляторов. Chem. Soc. Ред. 46 , 3006–3059 (2017).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 38.

    Nayak, P. K. et al. Обзор проблем и последних достижений в области электрохимических характеристик катодных материалов с высоким содержанием лития и марганца для литий-ионных аккумуляторов. Adv. Energy Mater. 8 , 1702397 (2018).

    Артикул CAS Google ученый

  • 39.

    Chakraborty, A. et al. Слоистые катодные материалы для литий-ионных аккумуляторов: обзор вычислительных исследований LiNi 1– x y Co x Mn y O 2 и LiNi 1– x — y Co x Al y O 2 . Chem. Матер. 32 , 915–952 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 40.

    Куанг Ю., Чен К., Кирш Д. и Ху Л. Батареи с толстыми электродами: принципы, возможности и проблемы. Adv. Energy Mater. 9 , 17 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 41.

    Цзинь, Ю., Чжу, Б., Лу, З., Лю Н. и Чжу Дж. Проблемы и недавний прогресс в разработке кремниевых анодов для литий-ионных аккумуляторов. Adv. Energy Mater. 7 , 1700715 (2017).

    Артикул CAS Google ученый

  • 42.

    Обровац, М. Н. и Шеврие, В. Л. Сплав отрицательных электродов для литий-ионных аккумуляторов. Chem. Ред. 114 , 11444–11502 (2014).

    CAS PubMed Статья Google ученый

  • 43.

    Куинн, Дж. Б., Вальдманн, Т., Рихтер, К., Каспер, М. и Вольфарт-Меренс, М. Плотность энергии цилиндрических литий-ионных элементов: сравнение коммерческих 18650 и 21700 элементов. J. Electrochem. Soc. 165 , A3284 – A3291 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 44.

    Willenberg, L. et al. Развитие деформации рулона желе в литий-ионных аккумуляторах 18650 при низком заряде. Дж.Электрохим. Soc. 167 , 120502 (2020).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 45.

    Селис, Л. А. и Семинарио, Хорхе М. Образование дендритов в кремниевых анодах литий-ионных аккумуляторов. RSC Adv. 8 , 5255–5267 (2018).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 46.

    Li, T. et al. Механизмы деградации и стратегии смягчения последствий литий-ионных батарей на основе NMC с высоким содержанием никеля. Electrochem. Energy Rev. 3 , 43–80 (2020).

    Артикул Google ученый

  • 47.

    Lin, Z., Liu, T., Ai, X. & Liang, C. Согласование научных кругов и промышленности для унифицированных показателей производительности аккумуляторов. Нат. Commun. 9 , 5262–5262 (2018).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 48.

    Цао, Ю., Ли, М., Лу, Дж., Лю, Дж. И Амин, К. Соединение академических и промышленных показателей для практических аккумуляторов следующего поколения. Нат. Nanotechnol. 14 , 200–207 (2019).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 49.

    Li, H. Практическая оценка литий-ионных аккумуляторов. Джоуль 3 , 911–914 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 50.

    Zhu, B. et al. Масштабируемое производство наночастиц Si непосредственно из низкокачественных источников для анода литий-ионных аккумуляторов. Nano Lett. 15 , 5750–5754 (2015).

    ADS CAS PubMed Статья Google ученый

  • 51.

    Zhao, J. et al. Металлургический литий-оксидный анод с высокой пропускной способностью и совместимостью с окружающим воздухом. Proc. Natl Acad. Sci. США 113 , 7408–7413 (2016).

    CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 52.

    Meister, P. et al. Передовой опыт: оценка эффективности и стоимости активных материалов литий-ионных аккумуляторов с особым упором на энергоэффективность. Chem. Матер. 28 , 7203–7217 (2016).

    CAS Статья Google ученый

  • 53.

    Eshetu, G.G. et al.Электролиты и межфазные границы в натриевых аккумуляторных батареях: последние достижения и перспективы. Adv. Energy Mater. 10 , 2000093 (2020).

    CAS Статья Google ученый

  • 54.

    Aupperle, F. et al. Роль добавок к электролиту на межфазную химию и термическую реактивность литий-ионных аккумуляторов на основе си-анода. ACS Appl. Energy Mater. 2 , 6513–6527 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 55.

    Eshetu, G.G. et al. LiFSI против LiPF 6 электролитов в контакте с литированным графитом: сравнение термической стабильности и идентификация конкретных усиливающих SEI добавок. Электрохим. Acta 102 , 133–141 (2013).

    CAS Статья Google ученый

  • 56.

    Тасаки, К.и другие. Растворимость солей лития, образующихся на поверхности отрицательного электрода литий-ионного аккумулятора, в органических растворителях. J. Electrochem. Soc. 156 , A1019 – A1027 (2009).

    CAS Статья Google ученый

  • 57.

    Ху, Ю.-С. и другие. Превосходные характеристики хранения нанокомпозита Si @ SiO x / C в качестве материала анода для литий-ионных аккумуляторов. Angew. Chem. Int. Эд. 47 , 1645–1649 (2008).

    CAS Статья Google ученый

  • 58.

    Schiele, A. et al. Критическая роль фторэтиленкарбоната в газовыделении кремниевых анодов для литий-ионных аккумуляторов. ACS Energy Lett. 2 , 2228–2233 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 59.

    Kim, K. et al. Понимание термической нестабильности фторэтиленкарбоната в электролитах на основе LiPF 6 для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 225 , 358–368 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 60.

    Hu, Z. et al. Регулировка границы раздела фаз на основе трифторпропиленкарбоната позволяет значительно увеличить срок службы анодов на основе кремния при хранении лития. Adv. Функц. Матер. 29 , 18 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 61.

    Dong, P. et al. Стабилизирующий интерфейсный слой LiNi 0,5 Co 0,2 Mn 0,3 O 2 катодные материалы под высоким напряжением с использованием p -толуолсульфонилизоцианата в качестве пленкообразующей добавки. J. Источники энергии 344 , 111–118 (2017).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 62.

    Краузе, Л. Дж., Шеврие, В. Л., Дженсен, Л. Д. и Брандт, Т. Влияние двуокиси углерода на продолжительность цикла и стабильность электролита литий-ионных полных ячеек, содержащих кремниевый сплав. J. Electrochem. Soc. 164 , A2527 – A2533 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 63.

    Plichta, E. Улучшенный Li / Li x CoO 2 аккумулятор. J. Electrochem. Soc. 136 , 1865–1869 (1989).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 64.

    Швенке К.U., Solchenbach, S., Demeaux, J., Lucht, B.L. и Gasteiger, H.A. Воздействие CO 2 возникло из VC и FEC во время образования графитовых анодов в литий-ионных батареях. J. Electrochem. Soc . 166 , A2035 – A2047 (2019).

  • 65.

    Nölle, R., Schmiegel, J.-P., Winter, M. & Placke, T. Подбор электролитных добавок с синергетическими функциональными составляющими для литий-ионных батарей на основе кремниевых отрицательных электродов: тематическое исследование молочной кислоты. кислый O-карбоксиангидрид. Chem. Матер. 32 , 173–185 (2020).

    Артикул CAS Google ученый

  • 66.

    Choi, N.-S., Yew, K. H., Kim, H., Kim, S.-S. И Чой, W.-U. Поверхностный слой, сформированный на кремниевом тонкопленочном электроде в электролите на основе бис (оксалато) бората лития. J. Источники энергии 172 , 404–409 (2007).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 67.

    Han, J. G. et al. Несимметричный фторированный малонатоборат как амфотерная добавка для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии. Energy Environ. Sci. 11 , 1552–1562 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 68.

    Philippe, B. et al. Улучшение характеристик электродов из нанокремния с использованием соли LiFSI: исследование фотоэлектронной спектроскопии. J. Am. Chem. Soc. 135 , 9829–9842 (2013).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 69.

    Trask, S.E. et al. Характеристики полных ячеек, содержащих электролиты LiFSI на основе карбоната и кремний-графитовые отрицательные электроды. J. Electrochem. Soc. 163 , A345 – A350 (2015).

    Артикул CAS Google ученый

  • 70.

    Lindgren, F. et al. Формирование и межфазная стабильность Si-электрода в электролите на основе соли LiTDI с добавками FEC и VC для литий-ионных аккумуляторов. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 15758–15766 (2016).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 71.

    Chevrier, V. L. et al. Разработка и тестирование предварительно литиированных полных ячеек с высоким содержанием кремния. J. Electrochem. Soc. 165 , A1129 – A1136 (2018).

    CAS Статья Google ученый

  • 72.

    Liu, X. et al. Конформная нанооболочка предварительной литиации на LiCoO 2 , позволяющая использовать литий-ионные аккумуляторы высокой энергии. Nano Lett. 20 , 4558–4565 (2020).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 73.

    Kwon, T.-w, Choi, J. W. & Coskun, A. Новая эра супрамолекулярных полимерных связующих в кремниевых анодах. Chem. Soc. Ред. 47 , 2145–2164 (2018).

    CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 74.

    Kwon, T.-w, Choi, J. W. & Coskun, A. Перспективы супрамолекулярной химии в аккумуляторных батареях с высокой плотностью энергии. Джоуль 3 , 662–682 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 75.

    Qian, G. et al. Монокристаллические катодные материалы слоисто-оксидных аккумуляторов, богатые никелем: синтез, электрохимия и внутригранулярное разрушение. Energy Storage Mater. 27 , 140–149 (2020).

    Артикул Google ученый

  • 76.

    Yim, C.-h, Niketic, S., Salem, N., Naboka, O. & Abu-Lebdeh, Y. На пути к повышению практической плотности энергии литий-ионных батарей: оптимизация и оценка кремний: графитовые композиты в полных ячейках. J. Electrochem. Soc. 164 , A6294 – A6302 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 77.

    Андре Д., Хайн Х., Лампа П., Маглиа Ф. и Стиашны Б. Будущие анодные материалы с высокой плотностью энергии с точки зрения автомобильного применения. J. Mater. Chem. А 5 , 17174–17198 (2017).

    CAS Статья Google ученый

  • 78.

    Betz, J. et al. Теоретическая и практическая энергия: призыв к большей прозрачности в расчетах энергии различных систем аккумуляторных батарей. Adv.Energy Mater. 9 , 1–18 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 79.

    Freunberger, S.A. Истинные показатели производительности в батареях, не связанных с интеркаляцией. Нат. Энергия 2 , 1–4 (2017).

    Артикул Google ученый

  • 80.

    Чае, К., Но, Х.-Дж., Ли, Дж. К., Скросати, Б. и Сан, Ю.-К. Литий-ионный аккумулятор высокой энергии с кремниевым анодом и слоистым композитным катодом с наноструктурой. Adv. Функц. Матер. 24 , 3036–3042 (2014).

    CAS Статья Google ученый

  • 81.

    Lee, J.-I., Lee, E.-H., Park, J.-H., Park, S. & Lee, S.-Y. Литий-ионные аккумуляторы сверхвысокой плотности энергии на основе анода большой емкости и высоковольтного катода с оболочкой из электропроводящих наночастиц. Adv. Energy Mater. 4 , 1301542 (2014).

    Артикул CAS Google ученый

  • 82.

    Mazouzi, D. et al. Очень высокая поверхностная емкость наблюдается при использовании отрицательных кремниевых электродов, встроенных в медную пену, в качестве трехмерных токоприемников. Adv. Energy Mater. 4 , 1301718 (2014).

    Артикул CAS Google ученый

  • 83.

    Kim, J.-M. и другие. Литий-ионные аккумуляторы на основе наноматов: платформа с новой архитектурой ячеек, обеспечивающая сверхвысокую плотность энергии и механическую гибкость. Adv. Energy Mater. 7 , 1701099 (2017).

    Артикул CAS Google ученый

  • 84.

    Liu, T. et al. Трехфункциональная электродная добавка для высокого содержания активного материала и объемной плотности литий-ионного электрода. Adv. Energy Mater. 9 , 1803390 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 85.

    Zhang, L. et al. Силиконовый анод со структурой желточной оболочки с превосходной проводимостью и высокой плотностью отводов для полностью литий-ионных батарей. Angew. Chem. Int. Эд. 58 , 8824–8828 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 86.

    Li, P., Hwang, J.-Y. И вс, Ю.-К. Нано / микроструктурированный кремний-графитовый композитный анод для литий-ионных аккумуляторов с высокой плотностью энергии. ACS Nano 13 , 2624–2633 (2019).

    CAS PubMed Google ученый

  • 87.

    Обровац, М.Н., Кристенсен, Л., Ле, Д. Б. и Дан, Дж. Р. Конструкция сплавов для анодов литий-ионных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 154 , A849 – A849 (2007).

    CAS Статья Google ученый

  • 88.

    Chae, S., Kim, N., Ma, J., Cho, J. & Ko, M. Однозначное сравнение отрицательных электродов со смесью графита с использованием графита с кремниевым нанослоем и промышленным контрольные материалы для высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторов. Adv. Energy Mater. 7 , 1700071 (2017).

    Артикул CAS Google ученый

  • 89.

    Huang, Q. et al. Высокоэластичный гелевый полимерный электролит обеспечивает надежную структуру электродов для анодов на основе кремния. Нат. Commun. 10 , 5586 (2019).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 90.

    Jia, H. et al. Высококачественные кремниевые аноды с использованием негорючих локализованных электролитов с высокой концентрацией. Adv. Energy Mater. 9 , 1

    4 (2019).

    Артикул CAS Google ученый

  • 91.

    Jia, H. et al. Иерархические пористые кремниевые структуры с необычайной механической прочностью в качестве анодов высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Нат. Commun. 11 , 1474 (2020).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 92.

    Лю Н., Хо К., МакДауэлл М. Т., Чжао Дж. И Цуй Ю. Рисовая шелуха как устойчивый источник наноструктурированного кремния для анодов литий-ионных аккумуляторов с высокими эксплуатационными характеристиками. Sci. Отчет 3 , 1919 (2013).

    ADS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 93.

    Manthiram, A. Размышления о химии катода литий-ионных аккумуляторов. Нат. Commun. 11 , 1550 (2020).

    ADS CAS PubMed PubMed Central Статья Google ученый

  • 94.

    Iii, D. L. W., Li, J. & Daniel, C. Перспективы снижения стоимости обработки литий-ионных батарей. J. Источники энергии 275 , 234–242 (2015).

    Артикул CAS Google ученый

  • 95.

    Ан, С. Дж., Ли, Дж., Ду, З., Дэниел, С. и Вуд, Д. Л. Быстрое циклическое формирование литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 342 , 846–852 (2017).

    ADS CAS Статья Google ученый

  • 96.

    Wu, H. & Cui, Y. Разработка наноструктурированных кремниевых анодов для литий-ионных батарей высокой энергии. Нано сегодня 7 , 414–429 (2012).

    CAS Статья Google ученый

  • 97.

    Лю Н. и др. Наноразмерный дизайн, вдохновленный гранатом, для анодов литиевых батарей с большой заменой объема. Нат. Nanotechnol. 9 , 187–192 (2014).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 98.

    Li, X. et al. Мезопористая силиконовая губка в качестве структуры, препятствующей распылению, для анодов высокоэффективных литий-ионных аккумуляторов. Нат. Commun. 5 , 4105 (2014).

    ADS CAS PubMed Статья PubMed Central Google ученый

  • 99.

    Чен, Х., Ли, Х., Ян, З., Ченг, Ф. и Чен, Дж. Конструкция конструкции и анализ механизма кремниевого анода для литий-ионных батарей. Sci. China Mater. 62 , 1515 (2019).

    CAS Статья Google ученый

  • 100.

    Чжао, X. & Лехто, В.П. Проблемы и перспективы использования наноразмерных кремниевых анодов в литий-ионных аккумуляторах. Нанотехнологии 32 , 042002 (2021).

    ADS PubMed Статья CAS PubMed Central Google ученый

  • От дизайна материалов к применению

    Zn-основанные AB (ZnAB), первая электрохимическая батарея, восходящая к гальванической батарее, изобретенной А. Вольта в конце 19 века. С тех пор из-за очень хорошей электрохимической обратимости цинка были разработаны десятки батарей на основе цинка.В настоящее время одна треть мирового рынка аккумуляторов состоит из аккумуляторов на основе цинка, что подчеркивает их важность как источника питания для широкого спектра применений. На основе катода и электролита ZnAB можно разделить на щелочные цинковые батареи (AZAB; такие как Zn-Ni, щелочной Zn-MnO 2 , Zn-Ag и Zn-воздух), почти нейтральные Zn-ионные батареи. батареи (NZIB; такие как Zn-MnO 2 и Zn-V 2 O 5 ZIB и электролитическая батарея Zn-Mn) и проточные окислительно-восстановительные батареи на основе цинка (такие как Zn-Br, Zn-V, Zn-Ce и Zn-I).В последние годы некоторые прорывы были достигнуты в водных батареях на основе цинка (см. Рис. 4A). Данные о зависимости удельной емкости от рабочего напряжения для различных типов батарей показаны на фиг. 4B в зависимости от массы катода.
    Щелочные АКБ на основе цинка Щелочные батареи на основе цинка, включая Zn-Ni / Co, Zn-MnO 2 , Zn-Ag 2 O и Zn-воздушные батареи, которые зависят от обратимой окислительно-восстановительной реакции Zn / ZnO с окислительно-восстановительным потенциалом -1,35 В по сравнению с SHE, представляют собой старую и зрелую технологию производства аккумуляторов, но в последнее время они привлекают к себе большое внимание.Это в основном вызвано слабой стабильностью, возникающей из-за неизбежного образования дендрита Zn, изменения формы, коррозии и пассивации. Для решения вышеуказанных проблем используются различные стратегии ( 23 ), включая легирование другими металлами (например, Bi, Sn и In) для подавления коррозии, гибридизации или модификации поверхности с помощью добавок [таких как BaO, Bi 2 O 3 и In (OH) 3 и Ca (OH) 2 ], чтобы подавить эволюцию H 2 , геометрию и конструкцию структуры (например, Zn-волокна, стержни, стержни и листы различной толщины и длины). для смягчения изменения формы и образования дендритов цинка, а также добавок к электролитам (таких как KF, K 2 HPO 4 , K 2 CO 3 , полиэтиленгликоль и насыщенный ZnO) для уменьшения растворения Zn и ингибирования дендрита Zn были использованы.В 2017 году Ролисон и его коллеги ( 52 ) исследовали 3D-губки из цинка в качестве анодных материалов при высокой DoD (DoD Zn ). Как показано на рис. 4C, благодаря монолитной, пористой и непериодической архитектуре Zn-губок такой 3D Zn-анод обеспечивает высокое использование 91% DoD Zn и не содержит дендритов при повторных 50 000 циклов при Zn . Вдохновленные этим случаем, были разработаны различные долговечные аноды из цинка, основанные на стратегии построения трехмерного каркаса (например, нанопроволока из никеля, углеродная ткань, пена Cu и пена графен).Кроме того, квазитвердотельная конструкция не только наделяет батареи высокой гибкостью, но и стабилизирует Zn-анод за счет подавления коррозии и растворения Zn-анода. Для катодных материалов MnO 2 является нетоксичным и недорогим заземлителем. -обильный и емкий (617 мАч г -1 ) материал является многообещающим кандидатом для АЗАБ. В щелочных батареях Zn-Mn побочные продукты спинномозговой фазы Mn 3 O 4 (образованные Mn 2+ и материнским MnO 2 ) и ZnMn 2 O 4 [образованные MnOOH и Zn (OH) 4 2-] накапливаются после повторяющихся циклов при глубокой DoD, что приводит к уменьшению емкости и возможному выходу из строя батареи.В общем, легирование элементами Bi, Cu, Ni, Co и т. Д. Или объединение соответствующих оксидов с катодом и использование электролита LiOH является эффективным методом увеличения емкости и перезаряжаемости MnO 2 ( 23 ). В 2017 году Банерджи и его сотрудники ( 74 ) реализовали двухэлектронное использование (617 мАч г -1 ) MnO 2 с 6000 циклами жизни с использованием катода из би-бирнессита с интеркалированной медью. Как показано на рис. 4D, ключ к перезаряжаемости основан на окислительно-восстановительных потенциалах Cu для обратимого внедрения в слоистую структуру би-бирнессита во время процесса растворения и осаждения для стабилизации и улучшения характеристик переноса заряда.Свидетельствуя глубокое использование с высокой стабильностью, такие стратегии электрохимической настройки беспрецедентно решили основные проблемы использования катода MnO 2 в щелочных батареях. Катодные материалы на основе Ni / Co из-за их превосходной электрохимической обратимости и приемлемой теоретической емкости получили широкое распространение. используется для батарей Zn-Ni с конца 19 века. Среди различных АКБ Zn-Ni / Co батареи особенно выгодны из-за их уникальных достоинств более высокого рабочего напряжения (около 1.От 7 до 1,8 В; см. рис. 4B), впечатляющую теоретическую плотность энергии (~ 372 Вт · ч, -1 ), высокую мощность и низкую стоимость. Однако из-за низкого срока службы цинкового анода по прошествии более 100 лет Zn-Ni батареи продавались компанией PowerGenix (теперь называемой ZincFive Inc.) до 2003 года. В общем, коммерческие Zn-Ni батареи, изготовленные из β-фазы Ni. (OH) 2 катод обеспечивает плотность энергии от 70 до 100 Втч кг -1 , пиковую плотность мощности 2000 Вт кг -1 и срок службы около 500 циклов.Общие электрохимические характеристики далеко не удовлетворительны для постоянно растущего спроса на накопители энергии. Помимо плохой стабильности цинкового анода, исследователи склонны объяснять такие плохие электрохимические характеристики реактивной удельной емкостью, необратимостью и низкой электроактивностью катода на основе Ni / Co. К счастью, некоторые достижения в разработке катодных материалов на основе Ni / Co с наноархитектурой в последние годы вселили надежды. В 2014 году Дай и его сотрудники ( 75 ) представили сверхбыструю Zn-Ni-батарею высокой емкости на основе ультратонкого катода с нанопластинчатым слоем из двойного гидроксида / углеродных нанотрубок (LDH / CNT) со слоем NiAlCo, в котором стабилизировалось совместное легирование Al и Co. α-Ni (OH) 2 .Благодаря высокой емкости (354 мА · ч · г −1 ), высокой скорости (278 мА · ч · г −1 при 66,7 А · г −1 ) и хорошей стабильности (94% сохранения емкости после 2000 циклов) Катод NiAlCo LDH / CNT, собранная Zn-Ni батарея обеспечивает удельную энергию 274 Вт · ч · кг −1 и удельную мощность 16,6 кВт · кг −1 вместе с хорошей стабильностью при циклировании (сохранение емкости 85% после 500 циклов). ). На данный момент вдохновленные этой работой, различные материалы на основе Ni и Co, такие как NiAlCo-LDH / CNT ( 75 ), Ni 3 S 2 ( 76 ), Co 3 O 4 ( 77 ) и NiCo 2 O 4 ( 78 ), были тщательно исследованы для Zn-Ni аккумуляторов.Помимо оптимизации состава, рациональный дизайн наноархитектуры (например, наночастиц, нанопроволок, наностержней и нанолистов) может обеспечить уникальные преимущества в механических и электрических свойствах, таких как более высокая площадь поверхности и более короткие пути для переноса ионов и электронов, а также преодоление трудностей. присущие сыпучим материалам проблемы, такие как плохая электропроводность и большое объемное расширение. Кроме того, модификация поверхности, такая как покрытие поверхности PANI и легирование поверхности фосфатными ионами, может дополнительно повысить электрическую проводимость электродов ( 76 , 78 ).Однако следует отметить, что разработанные усовершенствованные автономные катоды все еще далеки от практического применения, хотя они достигли замечательной гравиметрической емкости, высокой скорости и длительного срока службы. Их емкость обычно ниже, чем 1,0 мАч см −2 , что намного ниже емкости промышленного уровня ∼35 мАч см −2 ( 79 ). Поэтому дальнейшее развитие материалов на основе Ni и Co для Ni-Zn или Co-Zn аккумуляторов, которые одновременно обладают высокой гравиметрической емкостью, высокими скоростными характеристиками и длительным сроком службы при большой массовой нагрузке, остается труднодостижимым.
    Нейтральные ZIB NZIB, в которых в качестве электролита используется нейтральная или слабокислая Zn 2+ -содержащая водная среда, в последние годы привлекают все большее внимание мировой общественности из-за их потенциала для крупномасштабного хранения электроэнергии. Еще в 1986 г. Ямамото и др. Впервые исследовали перезаряжаемую батарею Zn-MnO 2 с катодом MnO 2 и анодом из Zn в электролите 2 M ZnSO 4 . ( 80 ), но механизм реакции был неясен.До 2012 года Канг и его сотрудники ( 81 ) обнаружили обратимое интеркалирование Zn 2+ в α-MnO 2 и предложили концепцию объединения NZIB с цинковым анодом и мягким ZnSO 4 или Zn. (NO 3 ) 2 водный электролит. С тех пор интенсивные усилия были посвящены NZIB с целью раскрытия механизма реакции и разработки современных электродных материалов. В отличие от AZAB, накопление заряда в аноде зависит от обратимого гальванического покрытия / удаления Zn / Zn 2+ с окислительно-восстановительным потенциалом -0.763 В против ОНА. Хотя сильная коррозия и растворение Zn устранены, самые большие проблемы заключаются в подавлении образования дендрита цинка. До сих пор были исследованы различные меры, включая модификацию поверхности, структурную оптимизацию ( 37 ) и оптимизацию электролита ( 47 ) , чтобы исключить образование дендрита цинка. Например, высокоскоростной гибкий квазитвердотельный ZIB, сконструированный из анода с массивом Zn, поддерживаемого графеновой пеной, и гелевого электролита может обеспечить долговечность в 2000 циклов при 89% начальной емкости ( 37 ).Более того, недавно Арчер и его коллеги ( 82 ) указали, что графен с низким рассогласованием кристаллической решетки для Zn эффективен при осаждении Zn с заблокированной кристаллографической ориентацией, что обеспечивает исключительную обратимость Zn Другой проблемой, препятствующей применению NZIB, является отсутствие прочных материалов-хозяев катода для быстрого и обратимого хранения Zn 2+ из-за высокой плотности заряда и большого гидратированного ионного радиуса Zn 2+ .До сих пор, хотя были предложены различные катодные материалы, такие как оксиды марганца, V на основе, PBA и органические материалы ( 14 ), разработка катодных материалов для ZIB все еще находится на начальной стадии. Это в основном объясняется следующими четырьмя аспектами: (i) механизм реакции все еще остается спорным, (ii) быстрое снижение производительности, (iii) неудовлетворительная удельная производительность и (iv) низкая производительность по скорости. Соединения на основе V, особенно оксиды ванадия, являются привлекательными материалами-хозяевами для хранения Zn 2+ .Из-за присущих им свойств множественных валентных состояний ванадия и большой структуры открытого каркаса материалы на основе V обладают достоинствами высокой емкости (даже до 400 мАч g −1 ), быстрой динамикой и низкой стоимостью. Что касается механизма реакции, его обычно рассматривают как введение / извлечение Zn 2+ в исходные материалы во время соответствующего процесса разрядки / заряда. Недавно, при наблюдении сульфата гидроксида цинка [Zn 4 (SO 4 ) (OH) 6 · nH 2 O, ZHS] в системах Zn-V, H + также рассматривается как носитель заряда для участия в электрохимической реакции ( 83 ).На основе одновременного процесса введения / извлечения H + и Zn 2+ , батарея Zn / NaV 3 O 8 · 1,5H 2 O предложена Ченом и его коллегами ( 51 ) обеспечивает превосходную обратимую емкость (380 мАч g −1 ) и высокую долговечность (сохранение 82% емкости после 1000 циклов). Помимо изучения механизма, необходимы дополнительные работы по усовершенствованным материалам для улучшения удельной емкости, скоростных характеристик и срока службы катода на основе V.До сих пор некоторые стратегии оптимизации, включая морфологический и структурный контроль (например, проектирование различных наноархитектур; предварительное введение Li, Na, K, Zn, Ca и т. Д., Ионов металлов; и корректировка структурной воды), интеграция с проводящими добавками, были предприняты попытки конструирования электродов без связующего и оптимизации электролитов ( 83 ). Десятки соединений на основе V, таких как V 2 O 5 · nH 2 O ( 84 ), Zn 0,25 V 2 O 5 · nH 2 O ( 85 ) и Zn 2 (OH) VO 4 ( 37 ).В общем, оксиды на основе V могут иметь сверхвысокую разрядную емкость, превышающую 400 мАч / г -1 , в то время как их рабочее напряжение относительно ниже, чем у материалов на основе Mn (рис. 4B). Например, батарея Zn / Zn 0,3 В 2 O 5 · 1,5H 2 O, изготовленная Wang et al. ( 86 ) обеспечивает среднее напряжение разряда 0,8 В и высокую удельную емкость 426 мАч g −1 при 0,2 A g −1 вместе с беспрецедентной стабильностью при циклических нагрузках (поддерживает 214 мАч g — 1 после 20000 циклов при 10 A g −1 ).PBA, как и системы LiAB, NaAB и KAB, также могут использоваться в качестве катодных материалов для NZIB. В 2015 году Лю и его коллеги впервые предложили NZIB на основе PBA, построенный на ZnHCF ( 87 ), с относительно высоким рабочим напряжением ~ 1,7 В, разрядной емкостью ~ 65,4 мА · ч г -1 и удельная энергия 100 Вт · ч кг −1 . С тех пор различные другие NZIB на основе PBA, такие как CuHCF-Zn (56 мАч g -1 , 1,73 В), FeHCF-Zn (120 мАч g -1 , 1,1 В), NiHCF-Zn (56 мАч г −1 , 1.2 В) и MnHCF-Zn (137 мАч г -1 , 1,7 В) ( 14 ). Однако обратите внимание, что из-за низкой емкости плотность энергии NZIB на основе PBA все еще неконкурентоспособна. Помимо неорганических материалов, упомянутых выше, некоторые органические, такие как ПАНИ (191 мАч г -1 , 1,0 В) ( 88 ) и каликс [4] хинон (335 мАч г -1 , 1,0 В) ( 89 ). До сих пор разработка органических катодных материалов для NZIB все еще находится на начальной стадии.Благодаря широкому выбору функциональных групп и молекулярной массы остается огромный потенциал для оптимизации электрохимических характеристик органических электродов. Оксиды марганца с достоинствами обильных кристаллографических полиморфов (α, β, γ, δ, λ, ε и тодорокит) типов), высокая теоретическая емкость (308 мА · ч г −1 ), низкая стоимость и обилие полезных ископаемых рассматривались как многообещающие кандидаты в катод для NZIB. В целом, при соответствующем исследовании различных полиморфов MnO 2 для NZIB существуют в основном четырехпотоковые концепции, как показано на рис.4E о механизме накопления энергии: (i) введение / извлечение Zn 2+ , (ii) введение / извлечение H + , сопровождаемое осаждением ZHS, (iii) совместное введение / извлечение как H + , так и Zn 2+ на различных этапах заряда / разряда, и (iv) электролиз / электроосаждение MnO 2 / Mn 2+ , которые систематически обобщались в отчетах ( 14 , 41 ). Механизм остается спорным, первые три механизма предполагают, что сильное растворение Mn 2+ в процессе разряда отвечает за быстрое падение емкости.До сих пор использовались некоторые эффективные стратегии, включая предварительное добавление соли Mn в электролит ( 50 ), покрытие поверхности [например, легированный азотом углерод ( 90 ) и PEDOT ( 91 )] и включение тесно связанных ионов [например, K 0,8 Mn 8 O 16 ( 92 )], были использованы для подавления растворения Mn 2+ и повышения устойчивости NZIB к циклированию. В частности, устойчивость батареи Zn-MnO 2 к циклическому режиму может быть значительно улучшена за счет предварительного добавления Mn 2+ , что обеспечивает срок службы в 10 000 циклов без очевидного снижения емкости ( 93 ).Следует отметить, что такая превосходная циклическая стабильность объясняется не только стабилизированным MnO 2 за счет подавления растворения Mn 2+ , но и дополнительной емкостью, обеспечиваемой повторно нанесенным MnO 2 в процессе загрузки ( 94 ). Кроме того, большое изменение объема и структурный коллапс, вызванные повторным введением гидратированных ионов Zn 2+ , также приводят к быстрому ослаблению емкости. Таким образом, были исследованы различные усилия, такие как морфологический контроль пористой структуры ( 90 ), связывание с графеном и УНТ ( 95 ) и стабилизация структуры катионным легированием и интеркаляцией PANI ( 96 ).Например, нанослой MnO 2 , интеркалированный PANI, может обеспечивать стабильную разрядную емкость около 125 мАч / г −1 в течение 5000 циклов ( 96 ). Хотя был достигнут большой прогресс, как видно из рис. 4A, современные щелочные батареи на основе цинка и нейтральные или слабокислые батареи из цинка 2+ показали ограниченное выходное напряжение ( -1 ). В наших последних исследованиях мы обнаружили скрытый высоковольтный процесс электролиза MnO 2 в обычном ZIB и предложил ранее неизвестную электролитическую систему Zn-Mn (см.рис.4F) через активную протонную и электронную динамику ( 41 ). Четырехступенчатый процесс электролиза MnO 2 был впервые проанализирован расчетами по теории функционала плотности. Эта Zn-Mn электролитическая система имеет выходное напряжение до 1,95 В, внушительную гравиметрическую емкость около 570 мА · ч · г -1 и плотность ~ 409 Вт · ч · кг -1 на основе как анодных, так и катодных активных материалов. Опытный образец проточной окислительно-восстановительной батареи был также построен в нашей электролитической батарее Zn-Mn.Таким образом, выходное напряжение (~ 2 В), энергоэффективность (88%) и стоимость электролита [от 3 до 5 долларов США (кВт · ч) −1 ] превосходят характеристики других интегрированных систем с окислительно-восстановительными парами (рис. 4G). ), такие как Zn-Fe, Zn-Br 2 , Zn-Ce и все ванадиевые проточные батареи ( 41 ). Ожидается, что с дальнейшими судебными разработками, такими как использование более селективного электролита, повышение эффективности Zn и эффективная конструкция проточной батареи, эта конструкция Zn-Mn электролитической проточной батареи будет применима для практического хранения энергии и, в частности, для крупномасштабного сетевого хранения энергии.

    Негорючий электролит повышает безопасность аккумуляторов

    Безопасность аккумуляторов определяется множеством факторов со сложным взаимодействием, но обычно всегда обратно пропорциональна их плотности энергии / мощности. Предыдущие попытки сделать такое устройство накопления энергии одновременно энергичным (измеряется в Вт / кг) и мощным (измеряется в Вт / кг), включают плотную упаковку высокореактивного окислителя (катодный материал), восстановителя (анодный материал) и потенциального топлива. (электролит) в крошечное замкнутое пространство.Электрохимия в этих устройствах протекает только по заданному пути в присутствии защитных межфазных фаз, известных как межфазная фаза твердого электролита (SEI), и генерируется в результате специального химического разложения компонентов электролита. Любое отклонение от этой метастабильности приведет к катастрофическому «побегу» (т. Е. Прямым химическим реакциям между окислителями, восстановителями и топливом). После появления литий-ионных батарей (LIB) в начале 1990-х и их быстрого доминирования на рынке аккумуляторных батарей, производители как элементов, так и оригинального оборудования возлагали все более высокие ожидания в отношении удельной энергии / удельной мощности в отношении этой молодой химии батарей. за счет вышеуказанной хрупкой метастабильности.В последнее десятилетие инциденты, связанные с безопасностью LIB, часто появлялись в заголовках новостей, например, возгорание ноутбуков или мобильных телефонов, несчастные случаи со смертельным исходом на электромобилях и заземление флота Boeing 787 Dreamliner. В центре этих инцидентов стояли неводные электролиты, которые состоят из летучих и легковоспламеняющихся сложных эфиров органических карбонатов и токсичных солей лития. Wong et al. (1) сделали значительный шаг к устранению этой ключевой опасности для безопасности LIB, заменив эти горючие растворители перфторполиэфирами (PFPE), и концептуально доказали, что электролит может поддерживать химический состав ионов лития.

    Существуют разновидности апротонных растворителей, которые могут растворять соли лития, но немногие из них квалифицируются как растворители электролита, потому что должен выполняться ряд строгих требований (ионная проводимость, электрохимическая стабильность или метастабильность на обоих электродах, смачиваемость сепаратором, химическая и электрохимическая инертность по отношению к другим частям ячейки и т. д.) (2, 3). Расширяя свой предыдущий успех по смешиванию фторированных (PFPE) и нефторированных полиэфиров, Wong et al. (1) идентифицировал такой класс растворителей на основе функционализированных негорючих ПФПЭ, который удовлетворяет большинству требований к электролиту.Растворители с различной молекулярной массой могут растворять бис (трифлорметан) сульфонамид лития (LiTFSI), безвредную альтернативу токсичной соли лития, используемой в современной литий-ионной промышленности. В отличие от растворителей на основе карбонатов, таких как диметилкарбонат, высокофторированные растворители по своей природе негорючие (рис. 1). Неожиданным преимуществом электролитов на основе PFPE является сверхвысокое число переноса Li + , которое намного ниже 0,5 в современных электролитах на основе ионов лития из-за сильной координации Li + нуклеофильными карбонаты (рис.2 А ). Напротив, близкое к единице t + было обнаружено в электролитах Вонга и др., Что указывает на то, что растворение соли должно происходить в основном за счет анионной сольватации, таким образом высвобождая Li + в качестве проводящего вещества (рис. 2 B ). ). Как указали Вонг и др., Эта беспрецедентно высокая подвижность Li + была результатом значительного снижения нуклеофильности карбонильных групп из-за присутствия фтора в молекулах. Помещенный в ионно-литиевый прибор, более высокое передаточное число Li + может уменьшить сопротивление поляризации, частично компенсируя более низкую ионную проводимость (2.2 × 10 −5 См / см). Вышеуказанные электролиты были продемонстрированы с использованием химического состава катода на основе LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 со стабильными циклическими характеристиками, что позволяет предположить, что система негорючего электролита может позволить литий-ионным устройствам с улучшенными характеристиками безопасность.

    Рис. 1.

    Схематическое сравнение электролитов на основе карбоната и PFPE. Первые, используемые в современных литий-ионных аккумуляторах, являются горючими веществами и характеризуются низким числом перехода Li + .Последний, разработанный Wong et al. (1), негорючий и способствует транспортировке Li + .

    Рис. 2.

    ( A ) В обычных неводных электролитах Li + сильно сольватирован и его миграция замедляется за счет координации молекул карбоната, что приводит к низкому t + . ( B ) В электролитах на основе высокофторированных растворителей вместо этого сольватируется анион TFSI, таким образом высвобождая Li + в качестве проводящего вещества, что приводит к почти единице t + .

    Несмотря на свое фундаментальное значение, система электролитов, предложенная Wong et al. (1) все еще нуждается в серьезных улучшениях, чтобы соответствовать практическим приложениям. Помимо соображений стоимости, которые всегда сопровождают фторированные органические растворители, ионная проводимость (∼10 −5 См / см) системы далека от идеального диапазона 10 −3 См / см, предложенного Гуденафом и Кимом (4). , что наложило бы ограничения на кинетику химического состава клеток и, в конечном итоге, на плотность мощности. Это ограничение отражено в максимальной ставке C / 8, используемой в статье, что не соответствует цели C / 3, установленной Министерством энергетики.Способность этих фторированных растворителей образовывать защитный SEI на графитовых углеродных электродах еще не достигнута. Работа Wong et al. представляет собой обнадеживающий шаг в направлении создания более безопасной батареи. необходимо доказать, поскольку в статье продемонстрированы только катодные полуэлементы, в которых металлический литий использовался в качестве суррогатного анода. Это критическая предпосылка для электролитов LIB, прежде чем графит может быть заменен другими, более энергичными кандидатами в качестве анодных материалов. Что наиболее важно, негорючесть не всегда означает более высокую устойчивость к злоупотреблениям в электрохимической среде.По данным Shigematsu et al. В (5) первое касается горения в атмосфере, а второе — электрохимической реактивности в окружающей среде элемента. Этот вывод был дополнительно подтвержден Wang et al. (6), которые продемонстрировали, что даже по своей природе негорючая ионная жидкость все еще может приводить к потенциальному тепловому пробегу в присутствии заряженных электродных материалов; поэтому, хотя негорючие электролиты действительно помогли повысить тепловую безопасность устройств в случае разрыва ячейки с внешними источниками воспламенения, их влияние на общую безопасность LIB в экстремальных условиях эксплуатации необходимо исследовать в элементах большого формата.Работа Wong et al. (1) представляет собой обнадеживающий прогресс в направлении создания более безопасных аккумуляторов, несмотря на это, и приносит пользу, возможно, не только ионно-литиевым батареям, но и другим химическим соединениям, не входящим в состав литий-ионных аккумуляторов.

    Сноски

    • Вклад авторов: L.H. and K.X. написал газету.

    • Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

    • См. Сопутствующую статью на странице 3327.

    Влияние структуры пор электродов и раствора

    % PDF-1.7 % 1 0 объект > эндобдж 2 0 obj > поток 2019-09-06T11: 25: 20-07: 002019-09-06T11: 25: 20-07: 002019-09-06T11: 25: 20-07: 00Appligent AppendPDF Pro 5.5uuid: 21dc163f-ac69-11b2-0a00- 782dad000000uuid: 21dc4e04-ac69-11b2-0a00-80efcefffe7fapplication / pdf

  • Исследование смачивания электролитом литий-ионных батарей: влияние структуры пор электродов и раствора
  • Prince 12.5 (www.princexml.com) AppendPDF Pro 5.5 Ядро Linux 2.6 64-битная 2 октября 2014 Библиотека 10.1.0 конечный поток эндобдж 5 0 obj > эндобдж 3 0 obj > эндобдж 8 0 объект > эндобдж 9 0 объект > эндобдж 10 0 obj > эндобдж 11 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 38 0 объект > эндобдж 39 0 объект > эндобдж 40 0 объект > эндобдж 41 0 объект > эндобдж 62 0 объект > эндобдж 63 0 объект > эндобдж 64 0 объект > эндобдж 65 0 объект > эндобдж 66 0 объект > эндобдж 75 0 объект > поток xrp.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *