Порядок приготовления электролита: Как приготовить электролит.

Приготовление электролита для аккумуляторов своими руками

В настоящее время выбор аккумуляторных батарей огромен — в продаже можно найти уже готовые к использованию источники питания, а также сухозаряженные батареи, которые требуют осуществить приготовление электролита и его заливку до начала эксплуатации. Дальнейшее обслуживание аккумуляторов многие часто осуществляют в сервисах. По разным причинам может возникнуть необходимость самостоятельно приготовить раствор. Чтобы это мероприятие увенчалось успехом, следует знать, как сделать электролит в домашних условиях.

Содержание:

• 1 Что такое электролит?
• 2 Концентрация серной кислоты в АКБ
• 3 Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов
  • 3.1 Щелочные АКБ
  • 3.2 Кислотные АКБ
• 4 Другие виды АКБ: можно ли приготовить электролит для них самостоятельно?
  • 4.1 Кадмиевоникелевые и железоникелевые аккумуляторы
• 5 Как правильно приготовить электролит в домашних условиях: техника безопасности
  • 5. 1  Оборудование
  • 5.2  Последовательность процесса: делаем электролит для кислотно-свинцового источника питания
• 6 Способ развести электролит для щелочного источника питания

Что такое электролит?

Электролит — электропроводящий раствор, содержащий в своём составе дистиллированную воду и серную кислоту, едкий калий или натрий в зависимости от типа источника питания.

Концентрация серной кислоты в АКБ

Этот показатель кислотности напрямую зависит от необходимой плотности электролита. Изначально средняя концентрация этого раствора в автомобильном аккумуляторе — около 40% в зависимости от температуры и климата, в которых используется источник питания. Во время эксплуатации концентрация кислоты падает до 10–20%, что сказывается на работоспособности АКБ.

Вместе с тем стоит понимать, что аккумуляторная серная составляющая — наичистейшая жидкость, которая на 93% состоит непосредственно из кислоты остальные 7% — примеси. На территории России производство этого химиката строго регламентировано — продукция должна соответствовать требованиям ГОСТ.

Отличия электролитов для разных типов аккумуляторов

Несмотря на то что принцип работы раствора одинаков для разных источников питания, следует знать о некоторых различиях составов. В зависимости от состава принято выделять щелочной и кислотный электролиты.

Щелочные АКБ

Этот вид источников питания характеризуется наличием гидроокиси никеля, окиси бария и графита. Электролит в этом виде аккумуляторов представляет собой 20% раствор едкого калия. Традиционно используется добавка моногидрата лития, которая позволяет продлить срок эксплуатации АКБ.

Щелочные источники питания отличаются отсутствием взаимодействия калийного раствора с веществами, образуемыми во время работы аккумулятора, что способствует аксимальному уменьшению расхода.

Кислотные АКБ

Этот вид источников питания является одним из самых традиционных, поэтому и раствор в них знаком многим — смесь дистиллированной воды и серного раствора. Концентрат электролита для свинцово-кислотных аккумуляторов дешёво стоит и характеризуется способностью проводить ток большой величины. Плотность жидкости должна соответствовать климатическим показателям.

Таблица 1. Рекомендуемая плотность электролита

Другие виды АКБ: можно ли приготовить электролит для них самостоятельно?

Отдельно хотелось бы обратить внимание на современные свинцово-кислотные источники питания — гелевые и AGM. Они также могут быть заправлены собственноручно приготовленным раствором, который в них находится в специфической форме — в виде геля или внутри сепараторов. Для заправки гелевых аккумуляторов понадобится ещё один химический компонент — силикагель, который загустит кислотный раствор.

Кадмиевоникелевые и железоникелевые аккумуляторы

В отличие от свинцовых источников питания, кадмиево- и железоникелевые заливаются щелочным растовром, который является смесью дистиллированной воды и едкого калия или натрия. Гидроксид лития, входящий в состав этого раствора для определённых температурных режимов, позволяет увеличить срок службы АКБ.

Таблица 2. Состав и плотность электролита для кадмиево- и железоникелевых и аккумуляторов.

Железоникелевые источники питания рекомендуется эксплуатировать в тех же условиях, что и кадмиево-никелевые. Однако стоит отметить, что они более восприимчивы к низким температурам. Поэтому их следует использовать до минус 20 градусов.

Как правильно приготовить электролит в домашних условиях: техника безопасности

Приготовление раствора — работа с кислотами и щелочами, поэтому соблюдение мер предосторожности необходимо для самых опытных людей. Перед началом действия подготовьте средства защиты:

• резиновые перчатки
• одежду и фартук, устойчивый химическим веществам;
• защитные очки;
• нашатырный спирт, кальцинированную соду или борный раствор, чтобы нейтрализовать кислоту и щёлочь.

 Оборудование

Для приготовления аккумуляторного электролита помимо самого источника питания потребуются следующие предметы:

• ёмкость и палочка, устойчивые к воздействию кислот и щелочей;
• дистиллированная вода;
• инструменты для измерения уровня, плотности и температуры раствора;
• аккумуляторная серная жидкость — для кислотной АКБ, твёрдые или жидкие щелочи, литий — для соответствующих видов АКБ, силикагель — для гелевых аккумуляторов.

 Последовательность процесса: делаем электролит для кислотно-свинцового источника питания

Перед началом работ ознакомьтесь с информацией, приведённой в таблице 3. Она позволит выбрать необходимый объем жидкостей. В аккумуляторах залито от 2,6 до 3,7 литра кислотного раствора. Мы рекомендуем разводить примерно 4л электролита.

Таблица 3. Пропорции воды и серной кислоты.

• В ёмкость, устойчивую к едким веществам, налейте нужный объем воды.
• Разбавлять воду кислотой следует постепенно.
• По окончании процесса вливания замеряйте плотность получившегося электролита с помощью ареометра.
• Дайте составу отстояться около 12 часов.

Таблица 4. Плотность электролита для разных климатов.

Концентрация кислотного раствора должна соотноситься с минимальной температурой, при которой эксплуатируется аккумулятор. Если жидкость получилась слишком концентрированной, её необходимо разбавить дистиллированной водой.

Смотрите видео, как измерить плотность электролита.

Внимание! Вливать воду в кислоту нельзя! В результате этой химической реакции может возникнуть закипание состава, что приведёт к его расплескиванию и возможности получить кислотные ожоги!

Обращаем ваше внимание, что во время смешивания компонентов выделяется тепло. В подготовленный аккумулятор следует заливать остывший раствор.

Способ развести электролит для щелочного источника питания

Плотность и количество электролита в таких аккумуляторах указана в инструкции по эксплуатации источника питания или на сайте компании-производителя.

• Влейте в посуду дистиллированную воду.
• Добавьте щелочь.
• Смешайте раствор, герметично его закройте и дайте настояться в течение 6 часов.
• По истечении времени слейте образовавшийся светлый раствор — электролит готов.

При появлении осадка следует его перемешивать. Если к концу отстаивания он остаётся, слейте электролит так, чтобы осадок не попал в аккумулятор — это приведёт к уменьшению срока его эксплуатации.

Внимание! Во время работ температура щелочного раствора не должна превышать 25 градусов по Цельсию. Если жидкость чрезмерно нагревается, охладите её.

После приведения раствора к комнатной температуре и его заливке в аккумулятор, источник питания необходимо полностью зарядить током, составляющим 10% от ёмкости АКБ (60Ач — 6А).

Как видите, приготовление раствора электролита не такое сложное дело. Главное, следует чётко определиться с необходимым количеством ингредиентов и помнить о безопасности. Вы пробовали развести электролит своими руками? Поделитесь опытом с нашими читателями в комментариях.

Приготовление электролита | Аккумуляторные батареи

Подробности

Категория: Оборудование

• эксплуатация
• ремонт
• хранение энергии

Содержание материала

• Аккумуляторные батареи
• Электрические характеристики аккумуляторных батарей
• Принцип действия аккумулятора
• Свинцово-кислотные аккумуляторы
• Пластины аккумуляторов
• Сепараторы для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сосуды для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Сборка для свинцово-кислотных аккумуляторов
• Железо–никелевые аккумуляторы
• Никель-кадмиевые аккумуляторы
• Серебряно-цинковые аккумуляторы
• Электролит для свинцовых аккумуляторов
• Свойства щелочных электролитов
• Приготовление электролита
• Источники повреждений аккумуляторных батарей
• Заряд аккумуляторных батарей
• Зарядные устройства
• Ремонт аккумуляторных батарей
• Оборудование мастерской по ремонту аккумуляторных батарей
• Ремонт
• Сборка аккумуляторных батарей
• Охрана труда и техника безопасности
• Особенности эксплуатации аккумуляторных батарей на электростанциях и подстанциях
• Основные сведения по монтажу
• Порядок эксплуатации аккумуляторных батарей
• Техническое обслуживание аккумуляторных батарей

Страница 14 из 26

4. 3. Приготовление электролита для свинцовых аккумуляторов

Электролит для свинцовых аккумуляторов приготовляется путем разбавления чистой серной кислоты чистой водой. Кислота продается обычно концентрированной, удельного веса от 1,835 до 1,840. При разбавлении концентрированной кислоты раствор сильно нагревается. Во избежание опасности для лица, производящего смешивание, всегда необходимо наливать кислоту в воду, но не наоборот.

Хотя количество теплоты, развиваемой в обоих случаях, одно и то же, однако удельные теплоты воды и концентрированной кислоты совершенно различны. Струя воды, попадая в концентрированную кислоту, освобождает большое количество теплоты, которая благодаря низкой удельной теплоте кислоты вызывает сильное местное повышение температуры. Кислота, приливаемая к воде, не может вызвать столь же большого повышения температуры в силу того, что удельная теплота воды очень высока. Необходимо непрерывно перемешивать раствор все время, пока кислота подливается в воду, для того, чтобы помешать более тяжелой кислоте опуститься на дно сосуда, не смешавшись с водой.
Для смешивания и хранения небольших количеств электролита наиболее подходят сосуды фарфоровые, гончарные или стеклянные; но так как они легко дают трещины, то им следует предпочесть чаны, выложенные свинцом, особенно для более значительных количеств.

Никакие другие металлические сосуды, кроме свинцовых, непригодны.
После разбавления кислоты, до заливки ее в батарею, необходимо подождать, пока она остынет, для того чтобы избежать повреждений пластин и сепараторов.

Охлаждение можно ускорить, пользуясь струей сжатого воздуха, но воздух при этом должен быть чистым.
Избежать сильного повышения температуры при смешивании кислоты с водой можно, применяя вместо воды лед, приготовленный из дистиллированной воды. Понижение температуры происходит вследствие того, что скрытая теплота плавления льда приблизительно равна количеству теплоты, освобождающемуся при растворении серной кислоты. Лед, свободный от воды, можно прибавлять к кислоте непосредственно. Избыток поглощенной теплоты показывает, что раствор должен получить температуру ниже нуля, что и наблюдалось в действительности.

Чтобы облегчить приготовление электролитов любой требуемой концентрации, на рис. 4.1 приведены необходимые пропорции кислоты и воды. Аккумуляторные заводы обычно сообщают сведения о том, какой крепости  кислоту следует применять для каждой данной батареи.

Рис. 4.1. Приготовление электролита любого удельного веса из концентрированной кислоты удельного веса 1,835.

1- содержание серной кислоты, %; 2 – требующаяся добавка воды по объему; 3 – то же по весу.

Для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов в качестве электролита служит раствор в дистиллированной воде едкого калия (КОН) или едкого натрия (NaOH).

В зависимости от температуры окружающего воздуха в аккумуляторах (табл. 4.1) применяется раствор соответствующей плотности (концентрации) основного компонента электролита в чистом виде или с добавкой едкого лития (LiOH).
Кадмиевоникелевые аккумуляторы рассчитаны на работу на холоде при температуре до – 40°С, причем при температурах +35. ..–   19°С с составным электролитом, а при более низких температурах, например, – 20…– 40°С с электролитом без добавки едкого лития.

При температурах – 20…– 40°С при отсутствии чистого едкого калия допускается как исключение применять составной электролит из едкого калия и едкого лития повышенной плотности, при этом емкость аккумулятора снижается на 10 – 15%. При отсутствии составного электролита из едкого калия и едкого лития при температуре – 19…+35°С можно воспользоваться составным электролитом из едкого натрия повышенной плотности 1,17 – 1,19 г/см³ с добавкой на 1 л раствора 20 г едкого лития, но при этом следует учесть, не гарантируется.

Таблица 4.1.
Рекомендуемые состав и плотность электролита для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов при различной температуре окружающего воздуха

Не гарантируется также долговечность аккумуляторов при работе их с электролитом из раствора чистого едкого калия плотностью 1,19 – 1,21 г/см³, т. е. без добавки едкого лития при температуре –19… + 10°С. При работе при температуре + 10…+50°С с рекомендуемым составным электролитом плотностью 1,1–1,12 г/см³ (табл. 5.1) емкость аккумуляторов также снижается по сравнению с номинальной, а долговечность не гарантируется.

Железоникелевые аккумуляторы рассчитаны на работу в тех же условиях и с тем же электролитом, что и кадмиевоникелевые, но они более чувствительны к низким температурам, поэтому могут применяться при температурах не ниже –20° С.
В процессе эксплуатации температурные условия в зависимости от времени года резко изменяются, поэтому для более эффективного использования емкости аккумуляторов их следует заливать электролитом, по составу и плотности соответствующим этим условиям.

Кроме того, необходимо систематически контролировать количество электролита, т. е. следить за уровнем последнего и поддерживать его в установленных пределах.
В аккумуляторах, находящихся в эксплуатации, уровень электролита постепенно снижается вследствие испарения, поэтому его необходимо периодически измерять и при необходимости дополнять до нормы дистиллированной водой. Не реже чем через 10 циклов нужно проверять плотность электролита и также доводить ее до нормы добавлением раствора плотностью 1,41 г/см³ или дистиллированной воды.
Уровень электролита в аккумуляторах должен постоянно находиться выше края пластин не менее чем на 5 мм и не более чем на 12 мм.

Снижение уровня электролита ниже верхнего края пластин или сетки, а также повышение плотности электролита при положительных температурах окружающего воздуха снижают емкость и долговечность последних. Уровень электролита необходимо проверять и доводить до указанной нормы перед каждым зарядом. Он проверяется с помощью стеклянной трубки диаметром 5 – 6 мм с метками на высоте 5 и 12 мм от конца. Для установления уровня электролита в аккумуляторе надо конец трубки с метками ввести через заливное отверстие до упора в пластины или сетку, после чего другой конец трубки закрыть пальцем. Вынув трубку из аккумулятора по высоте столбика электролита в ней, определим уровень электролита над верхним краем пластин или сетки в аккумуляторе. Для снижения уровня электролита в аккумуляторе можно пользоваться пипеткой или резиновой грушей со стеклянным или пластмассовым наконечником длиной около 100 мм. Доливку электролита или дистиллированной воды в аккумуляторы можно производить с помощью пипетки, резиновой груши или кружки через стеклянную воронку, размеры которых подбирают в зависимости от вместимости аккумуляторов. Проверка плотности электролита производится при помощи сифонного ареометра.
Проверку плотности электролита необходимо производить по возможности перед каждым зарядом, в каждом аккумуляторе, хотя и допускается выборочный контроль в 2  – 3 аккумуляторах батареи. В крайнем случае проверка должна проводиться не реже чем через 10 циклов во всех аккумуляторах батареи.

Таким образом, электролит необходим не только для первой заливки аккумуляторов при формировке, но и для замены, поддержания плотности и уровня электролита в действующих аккумуляторах, поэтому его требуется приготовлять и всегда иметь запас.
Для приготовления электролита поставляются следующие исходные материалы:

а)         едкий калий аккумуляторный марки А (твердый) или марки В (жидкий) и едкий литий аккумуляторный;
б)         составная щелочь сорта А – готовая смесь едкого калия и едкого лития в  отношении едкий литий/едкий калий = 0,04. ..0,045;

в)         едкий натрий аккумуляторный (сода каустическая) сорта А и едкий литий аккумуляторный;
г)         составная щелочь сорта Б – готовая смесь едкого натрия и едкого лития в соотношении едкий литий/едкий натрий = 0,028…0,032.

Перед приготовлением электролита необходимо удостовериться, что имеющиеся в наличии химические ‘компоненты соответствуют приведенным выше требованиям и ГОСТам. Хранить эти материалы необходимо в герметически закрытой таре. Данные материалы могут поставляться как в жидком, так и в твердом состоянии в виде гранул, чешуек, кусков или слитка.
Приготовление электролита следует начинать с определения потребности в нем согласно норме расхода на один аккумулятор при первой заливке, указанной в табл. 4.2.

Определив требуемое количество электролита, приготовим примерно 3/4 этого объема свежей дистиллированной воды. При отсутствии последней допускается применение дождевой воды, собранной с чистой поверхности, или воды, полученной при таянии снега, а также конденсата.

Таблица 4.2
Ориентировочная норма расхода электролита на один аккумулятор при первой заливке

Примечание. При приготовлении электролита желательно норму увеличить на 10 – 15 % для создания резерва на отход и другие непредвиденные случаи.

В крайнем случае можно использовать любую сырую чистую питьевую воду  (кроме минеральной).
Затем, пользуясь данными табл. 5.3, определяем необходимое количество химических компонентов: едкого калия или едкого натрия, а также едкого лития для добавки. Расход дистиллированной воды на 1 кг твердой и на 1 л жидкой щелочи для приготовления электролита необходимой плотности приведен в табл. 4.3.

Таблица 4.3
Расход дистиллированной воды, необходимой для приготовления электролита для кадмиевоникелевых и железоникелевых аккумуляторов

Для определения массы твердых щелочей, необходимой по норме, приведенной в табл. 19, достаточно разделить:

на три требуемое количество воды, если необходимо приготовить калиевый или составной калиево-литиевый раствор плотностью 1,19 – 1,21 г/см³;
на два, если необходимо приготовить калиевый электролит для работы при температуре

– 20. ..– 40° С или составной калиево-литиевый плотностью 1,25 –1,27 г/см³;
на пять, если необходимо приготовить натриевый или составной натриево-литиевый электролит плотностью 1,17 – 1,19 г/см³.
Если составная калиево-литиевая или натриево-литиевая щелочь отсутствуют, а имеется едкий калий, едкий натрий и едкий литий, то расчет потребности в твердых щелочах производится по тому же принципу, как указано выше. Следует иметь в виду, что в частном, полученном в результате деления, учитывается и масса едкого лития.

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Оборудование
• org/ListItem»> Неисправности электрооборудования и способы их устранения

Еще по теме:

• Предремонтные испытания электрических машин
• Взрывозащищенная контрольно-измерительная и аппаратура автоматики
• Ремонт электрооборудования на судах
• Интеграция системы передачи и хранения ремонтных заявок с системой их режимной проработки
• Строительство, реконструкция и ремонт дымовых труб

Важные факторы для надежного и воспроизводимого приготовления неводных растворов электролитов для литиевых батарей

Литиевые (Li) батареи, технология, которая положила начало революции в области накопления энергии и получила Нобелевскую премию по химии 2019 г., претерпели быстрое развитие в течение последние десятилетия ^1,2 . Основываясь на успехе ионно-литиевых аккумуляторов (LIB) и постоянно растущем спросе на аккумуляторы с улучшенными характеристиками (например, с высокой плотностью энергии/мощности, возможностью быстрой зарядки, длительным циклическим/календарным сроком службы и низкой стоимостью), были проведены интенсивные исследования. посвящен изучению новых химических элементов аккумуляторов и материалов ³ . В последние годы электролит, который является сокращением от электролитного раствора в области аккумуляторов и в просторечии относится ко всем компонентам электролитного раствора, все чаще признается важным в качестве электродных материалов ⁴ . В то время как материалы электродов определяют выход энергии, межфазные реакции между электродами и электролитами чрезвычайно чувствительны к электролиту ^5,6,7 .

Во многих случаях межфазная фаза твердого электролита (SEI) или межфазная фаза катодного электролита (CEI), полученная в результате химического и электрохимического разложения электролита, имеет кинетику, ограничивающую скорость, которая контролирует скорость массового потока внутри элемента батареи. и определяет обратимость катода/анода по изменению побочных реакций ^6,8 . Чтобы использовать весь потенциал передовых электродных материалов, электролит и связанные с ним SEI/CEI должны быть адаптированы к конкретным приложениям, таким как улучшение анодной стабильности электролита для высоковольтных катодов ⁹ , повышение стабильности лития для литий-металлических аккумуляторов (LMBs). ) ¹⁰ , подавление растворимости полисульфида для серных катодов ¹¹ и т. д. Таким образом, множество публикаций по электролитам было объединено в область накопления энергии ^10,12 . Однако подробное описание компонентов электролита и/или строгое изложение процесса приготовления электролита по-прежнему часто отсутствуют, например, отсутствие информации о поставщике, чистоте, примесях, сухости исходных химикатов, порядке смешивания растворов, внешнем виде. свежеприготовленного электролита, материала контейнера, температуры и атмосферы, используемых для хранения электролита, и других определенных мер предосторожности для некоторых конкретных электролитных систем. Эти ограничения поднимают барьер на пути к воспроизведению одних интересных результатов другими. Кроме того, ложная или вводящая в заблуждение информация может быть результатом непреднамеренных неточностей в процессе приготовления электролита. Поэтому описания приготовления электролитов, упрощенные до такой степени, что основная информация затемняется, не подходят для реальных приложений и публикаций.

Недавно несколько журналов ( Joule , ACS Energy Letters и Journal of Power Sources ) инициировали стандартные контрольные списки для точных отчетов о химическом составе батарей, чтобы свести к минимуму потенциальное искажение и неправильное понимание характеристик батарей ^13,14,15 . Эти контрольные списки имеют схожие критерии в отчетах, включая тип и конфигурацию элемента, тип электрода, нагрузку на электродную емкость (количество лития/толщина для LMB), отношение емкости анод/катод (N/P) и количество электролита (электролит/емкость [E/ отношение С]).

Для обеспечения надежной публикации результатов электролита и воспроизводимой подготовки электролита в этой статье обобщаются несколько важных факторов, влияющих на качество электролита, и предлагаются соответствующие меры контроля для подготовки электролита и стандартизированная отчетность.

Контроль влажности

Содержание влаги является одним из наиболее важных факторов, влияющих на качество электролита, даже следы воды в электролите могут привести к значительным колебаниям производительности аккумуляторов ^{16,17,18,19,20} . Влага вызывает нежелательные химические и электрохимические побочные реакции в аккумуляторе (как показано на рис. 1a) и ускоряет распад элемента за счет разрушения катода, анода и самого электролита. Например, гидролиз LiPF ₆ является одной из самых больших проблем, поскольку он приводит к образованию фторида лития (LiF), фосфорилфторида (POF ₃ ) и фтористого водорода (HF) (уравнение 1) ^{18,21. ,22,23,24,25} .

$${{{{{{\rm{LiPF}}}}}}}}_{6}+{{{{{{\rm{H}}}}}}}}_{2}{{{ {{\rm{O}}}}}}\to {{{{{\rm{LiF}}}}}}+{{{{{{\rm{POF}}}}}}}}_{3 }+2{{{{{\rm{HF}}}}}}$$

(1)

Рис. 1: Влияние содержания воды на электролиты.

a Схематическое описание влияния воды на электролиты. b Изменение внутреннего сопротивления (∆ R ) литий-ионных аккумуляторов до и после зарядки водосодержащих (WC) и безводных (WF) аккумуляторов. c Изменение напряжения (∆ В ) литий-ионных аккумуляторов для батарей WC и WF после старения в течение 168 часов при высоком напряжении 4,2 В. d Начальная емкость и характеристики циклов (100 циклов и 300 циклов, 0,5°C зарядка/разрядка 0,5 C) аккумуляторов содержали разные дозировки воды. Воспроизведено с разрешения из ссылки ¹⁷ , авторское право (Springer Nature, 2014).

Полноразмерное изображение

Хотя LiF, образующийся при гидролизе LiPF ₆ , играет положительную роль в SEI в нескольких исследованиях ²⁶ , HF обычно играет подавляющую отрицательную роль из-за его высокой коррозионной природы, которая инициирует переходные растворение металла (TM) из материала катода, что приводит к деградации катода ²⁵ . Кроме того, ионы ТМ могли мигрировать от катода к аноду через электролит и отравлять анод. 9{-}+1/2\,{{{{{{\rm{H}}}}}}}_{2}$$

(2)

Эти продукты, а также остаток H ₂ O может повлиять на производительность во время хранения и эксплуатации батареи. На рис. 1б–д ¹⁷ . Электролит, содержащий воду, приводит к повышенному внутреннему сопротивлению, уменьшению начальной емкости, быстрому спаду напряжения при хранении и быстрой деградации при циклировании по сравнению с безводными электролитами ¹⁷ . Следовательно, для продления срока службы батарей требуется строгая спецификация содержания H ₂ O. В настоящее время в аккумуляторной промышленности обычно используется эмпирический и строгий контроль содержания воды H ₂ O < 20 частей на миллион или даже 10 частей на миллион.

Чтобы обеспечить надежную публикацию препарата электролита в академической сфере, исследователям рекомендуется указывать содержание воды в электролите. Для новых подходов к электролиту рекомендуется H ₂ O ≤ 20 частей на миллион, чтобы свести к минимуму колебания электролита, вызванные содержанием воды. Безводные химикаты для аккумуляторных батарей (включая проводящие соли, растворители и добавки) необходимы для приготовления электролита, а предварительная сушка становится важной для содержащих воду химикатов. Любые контейнеры или материалы, которые будут контактировать с химическими веществами электролита (например, бумага для взвешивания, наконечники пипеток, мешалки и т. д.) в процессе приготовления, должны быть высушены перед использованием, чтобы избежать попадания воды в электролит. Для исследования влияния концентрации воды в электролитах или стратегий смягчения характеристик воды в электролитах ²⁹ , ограничений по содержанию воды нет, если указано содержание воды. Для достижения этой цели необходимо определение содержания воды. Метод титрования Карла Фишера является высокоточным для обнаружения следовых количеств воды и рекомендуется для определения содержания воды и составления отчетов ³⁰ . Кроме того, для публикации также предлагается связанное содержание HF, которое можно определить с помощью ¹⁹ F ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или зонда, селективного к ионам F. ³¹ .

Контроль чистоты

Помимо воды, присутствие следов примесей (остатки в процессе производства соли и растворителя) также может сильно повлиять на работу батареи ^32,33,34 . Этот вопрос имеет большое значение для ученых и инженеров в этой области. Хотя в диверсифицированных электролитных системах существует огромное количество потенциальных примесей и связанных с ними побочных реакций, наиболее неблагоприятные реакции в основном относятся к следующим категориям. (1) Реакции с солями: протонные примеси, такие как спирты и кислоты, которые часто являются остатками при производстве электролитных растворителей, реагируют с LiPF 9.0041 6 и приводят к образованию HF (подобно реакции между LiPF ₆ и водой) и сильно влияют на качество электролита ³² . (2) Электрохимические реакции на электродах – восстановление/окисление происходит, когда неизвестная примесь имеет плохую восстановительную/окислительную стабильность на аноде/катоде, что приводит к образованию газа и образованию SEI/CEI ³⁴ . Как упоминалось ранее, производительность батареи очень чувствительна к качеству SEI и CEI из-за межфазных электрохимических реакций батарей 9.0003 6 . Во многих публикациях добавки SEI/CEI, даже при низких концентрациях 1%, 0,5% и 0,1%, могут значительно изменить работу ячейки ^35,36 . Следовательно, примесь ведет себя как добавка SEI или CEI и может значительно изменить химию, структуру и кинетику SEI/CEI. Остатки ионов металлов в электролите также являются примером этих примесей, которые могут восстанавливаться на стороне анода и отравлять SEI. (3) Химические реакции с электродами: коррозия электродов начинается, когда примесь вступает в реакцию с компонентом электрода. Коррозия лития под действием примесей (таких как органические кислоты, спирты, альдегиды, кетоны, амины и нитрилы), особенно в LMB, в которых в качестве анода используется металлический литий ³⁷ может вызывать большие опасения из-за высокой реакционной способности металлического Li ³⁸ . Как следствие, такие примеси могут значительно изменить обратимость катода/анода.

Чтобы свести к минимуму возможность получения невоспроизводимых результатов разными исследователями, при приготовлении электролита решающую роль играет контроль чистоты химических веществ. В публикациях требуется чистота химических веществ (вместе с информацией о поставщике/поставщике), также важны идентификация примесей и химическая очистка. Аналитические методы, такие как 9Для определения примеси в большинстве химических веществ, используемых в электролитах ³⁹ . Обычные методы, включая перегонку, кристаллизацию, экстракцию, хроматографию, электрофорез и др., могут применяться для дальнейшей очистки в зависимости от физико-химических свойств реагента и примесей ⁴⁰ . Откровенно говоря, нецелесообразно проводить фиксированную линию чистоты из-за сложности химического состава батареи и потенциального разнообразия примесей. Однако, чтобы привлечь внимание исследователей к важности химической чистоты и свести к минимуму различия между исследовательскими подходами, эмпирически рекомендуется степень чистоты батареи или чистота выше 99% (чем выше, тем лучше).

Выбор контейнера

Выбор контейнера также важен для приготовления электролита. В исследовании Winter, M. et al. контейнеры, изготовленные из разных материалов, по-разному влияют на термическое разложение электролита ⁴¹ . Стеклянный контейнер ускоряет разложение LiPF ₆ , что приводит к большему количеству неионных (диметилфторфосфат [DMFP] и диэтилфторфосфат [DEFP], рис. 2a) и ионных (метилфторфосфат [MFP], этилфторфосфат [EFP] и этилен фосфат [ЭП], рис. 2б) накопление органического фосфата в классическом электролите 1 M LiPF ₆ в этиленкарбонате (ЭК)/этилметилкарбонате (ЭМК) (50/50 мас.%). Только 0,43 M LiPF ₆ остается после 5 дней выдержки при 85 °C в стеклянной таре ⁴¹ . Основной причиной этого являются реакции между продуктом гидролиза LiPF ₆ HF и стеклянными материалами (например, бура, SiO ₂ ), в результате которых образуется вода, которая может еще больше ускорить разложение LiPF ₆ ⁴¹ . Чтобы избежать этого, контейнер должен быть инертным ко всем химическим веществам, которые в нем хранятся, а такие материалы, как полипропилен (ПП), полиэтилен (ПЭ) или алюминий, могут подходить для контейнеров с электролитом ⁴¹ . Также стоит отметить, что контейнеры должны быть герметичными, чтобы избежать любого загрязнения из окружающей атмосферы, а светонепроницаемые контейнеры подходят для тех электролитов, которые содержат светочувствительные соединения.

Рис. 2: Выбор емкости и меры предосторожности при приготовлении электролита.

Анализ образования органических фосфатов (диметилфторфосфата [DMFP], диэтилфторфосфата [DEFP], метилфторфосфата [MFP], этилфторфосфата [EFP] и этиленфосфата [EP]) посредством ( a ) ГХ-МС и ( b ) IC-ESI-MS в 10 мл алюминиевых и стеклянных флаконах после старения при 85 °C в течение 5 дней (значения ГХ-МС образцов электролита, хранящихся в стеклянных флаконах, разделены из-за лучшей ясности, обеспечивают с использованием коэффициента 10). Воспроизведено с разрешения из ссылки ⁴¹ , авторское право (Королевское химическое общество, 2015 г.). c Схема приготовления электролита. d Пять распространенных смесей, которые нежелательны. e Максимальные температуры, обнаруженные во время приготовления 1 мл электролита в круглых бутылях WHEATON® LDPE объемом 7 мл при температуре окружающей среды 20 °C. Схематическое изображение ( f ) экзотермического и ( g ) эндотермического образования раствора. ч Энтальпии перехода NaI из воды в смеси вода-сорастворитель при 298.15 К. Воспроизведено с разрешения по ссылке ⁴⁵ , авторское право (Springer Nature, 2012).

Увеличить

Электролит и контроль температуры при приготовлении

В химии неводный электролит представляет собой раствор особого типа, в котором проводящая соль(и) (и функциональные добавки) растворены в органическом растворителе (с) ^5,35 . При растворении эти соль(и) и добавка(и) равномерно диспергируются в растворителе(ах), образуя гомогенную смесь электролитов, как показано на рис. 2c. Поскольку в процесс смешивания вовлечены эффекты химической полярности, в некоторых случаях образуются неидеальные смеси помимо раствора, как показано на рис.  2d, включая: (1) нерастворенный остаток проводящей соли (солей)/добавки (добавок), (2) эмульсия, (3) суспензия или (4) фазовое разделение исходных материалов и (5) осаждение/перекристаллизация соли в перенасыщенном растворе после выдержки. Неосторожность при проверке состояния раствора может привести к неудачной подготовке электролита.

Также важно уделять пристальное внимание тепловым эффектам в процессе смешивания. Например, на рис. 2e показаны максимальные температуры, обнаруженные во время приготовления 1 мл электролита для четырех электролитов с одной солью (LiPF ₆ или LiFSI) и одним растворителем (DMC или DME) в круглой бутылке WHEATON® LDPE объемом 7 мл. Измерение температуры начинали в начале процесса смешивания (при температуре окружающей среды 20 °C) и заканчивали после полного растворения соли. Очень разные максимальные температуры были обнаружены путем изменения растворителей, солей и концентраций солей. Максимальная температура 23 °С была зафиксирована при приготовлении 1 М LiPF 9. 0041 6 в DMC, изменение до 27 °C с 1 M LiPF ₆ в DME, 28 °C в 1 M LiFSI в DME и 47 °C в 4 M LiFSI в DME. Это повышение температуры вызвано теплом, выделяющимся при сольватации.

Как показано на рис. 2f и g, сольватация может быть либо эндотермической, либо экзотермической, при которой тепло первоначально поглощается во время разрыва связей в исходной соли(ях) (электростатическое притяжение между двумя ионами) и растворителе(ях) (межмолекулярное притяжение между молекулами растворителя) и высвобождается при образовании новых притягивающих связей ион-растворитель ⁴² . Суммарная теплота сольватации представляет собой разницу между относительным теплом, необходимым для разрыва связи, и теплотой, выделяемой при реформировании ⁴² . В нескольких исследованиях сообщалось о результатах калориметрических исследований при приготовлении электролита для литиевых аккумуляторов. Однако существует долгая история изучения термохимии смешения растворов, особенно водных растворов ^43,44,45 . На рис. 2h в качестве примера показано влияние растворителя на сольватацию NaI. Различные растворители приводят к разным энтальпиям сольватации NaI. В дополнение к общему теплу от сольватации на самую высокую температуру во время приготовления электролита также могут влиять многие другие факторы, такие как скорость растворения, количество электролита, материал и размер/форма контейнера, которые влияют на рассеивание тепла.

Высокие температуры в процессе приготовления электролита могут влиять на растворимость солей, что приводит к перенасыщению электролитов, что вызывает осаждение солей, когда температура падает до комнатной ⁴⁶ . Повышенные температуры также могут ускорить испарение и разложение электролита ⁴¹ . Поэтому важно следить за температурой во время приготовления электролита, особенно при приготовлении большого количества электролита, для которого рассеивание тепла происходит относительно медленно. Для процесса смешивания, при котором выделяется значительное количество тепла, процесс сольватации можно разделить на несколько этапов путем постепенного добавления соли в растворитель до полного растворения соли при контролируемой температуре.

Склад электролита

Склад электролита является продолжением подготовки электролита. Окружающая среда, включая влажность, свет, тип контейнера и температуру, имеет решающее значение для хранения электролита. Как обсуждалось в предыдущих разделах, неправильная тара, высокое содержание воды и свет могут ускорить порчу электролита. Результаты на рис. 3а, б показывают быструю деградацию электролита при повышенных температурах. Большое количество LiPF ₆ и продуктов разложения растворителя накапливается при температурах 60 и 80 °C по сравнению с 20 и 40 °C ⁴¹ . Таким образом, для обеспечения надежной работы батареи важно хранить электролиты в благоприятной для электролита среде с регулируемой влажностью (например, в перчаточном ящике или в сухом помещении) при умеренных температурах (без замерзания и перегрева) и использовать светонепроницаемые контейнеры для светочувствительных образцов.

Рис. 3: Хранение электролитов при различных температурах.

Анализ образования органических фосфатов (диметилфторфосфата [DMFP], диэтилфторфосфата [DEFP], метилфторфосфата [MFP], этилфторфосфата [EFP] и этиленфосфата [EP]) с помощью ( a ) GC-MS и ( b ) IC-ESI-MS в 10-мл алюминиевых флаконах после старения при различных температурах в течение 21 дня. Воспроизведено с разрешения по ссылке ⁴¹ , авторское право (Royal Society of Chemistry, 2015).

Изображение с полным размером

В то время как окружающая среда является внешним фактором, влияющим на стабильность электролита при хранении, химическая стабильность компонентов электролита также играет внутреннюю роль. Например, фторэтиленкарбонат (ФЭК), широко используемый растворитель/добавка для обычных электролитов, может значительно ухудшить стабильность при хранении LiPF 9.0041 6 карбонатный электролит из-за взаимодействия между LiPF ₆ и FEC, которые ускоряют накопление HF и запускают полимеризацию электролита ⁴⁷ . Рекомендуется проверять качество электролита перед использованием, особенно электролитов, которые хранились в течение длительного времени. В состаренном электролите продукты разложения соли, растворителя и добавок становятся дополнительными примесями по сравнению с исходным электролитом ^22,31 . Проверка электролита должна включать, помимо прочего, идентификацию содержания воды, определение концентрации кислоты и проверку чистоты с использованием методов анализа, описанных в предыдущих разделах.

Перспективы

LIB останутся ключевой технологией в долгосрочной перспективе из-за их вездесущности в бытовой электронике, электромобилях и электрических сетях. В связи с рыночным спросом на превосходную производительность для различных приложений, к существующим ЛИА предъявляются все более строгие требования, и появляются различные исследовательские электрохимические системы помимо ЛИА, такие как LMB, натриевые батареи, калиевые батареи и цинковые батареи. Инновации имеют решающее значение для разработки передовых электролитов, чтобы поддерживать эти желаемые технологические траектории.

Как упоминалось ранее, небольшие изменения в электролите могут привести к значительному изменению электрохимических характеристик из-за присущей поверхностно-электрохимической природе процессов зарядки/разрядки батареи. Таким образом, в дополнение к контрольным спискам, выпущенным для сборки элементов и отчетности ^13,14,15 , для сообщества крайне важно согласовать набор критериев, которые также могут быть реализованы при подготовке электролита. В таблице 1 предлагается контрольный список экспериментальных деталей подготовки электролита для отчетности. Простая публикация «инновационного» электролита без предоставления информации о контроле качества может затруднить воспроизведение результатов другими и создать проблемы, которые препятствуют промышленному масштабированию для практических применений. Этот контрольный список может быть полезен и важен при внедрении новых концепций электролита в батареи, которые могут эффективно повысить надежность и воспроизводимость электролита в реальных приложениях.

Таблица 1 Рекомендуемый контрольный список в отчетах по подготовке электролита.

Полноразмерный стол

Анализ электролитической подготовки | Struers.com

Struers — Обеспечение уверенности

/
Знание
/
Электролитическая подготовка

Быстрый и эффективный метод.

Электролитическая подготовка — это быстрый и эффективный метод металлографической подготовки, обеспечивающий отсутствие деформации поверхности, в то время как механическая шлифовка и полировка оставляет на поверхности тонкий слой деформации.

С помощью оборудования для электролитической полировки образец настраивается как анод в подходящем электролите, и материал удаляется путем контролируемого растворения поверхности образца. За электролитической полировкой может следовать процесс электролитического травления, чтобы выявить контрасты в микроструктуре образца.

• О

• Как

• Поиск неисправностей

• Контакт

Как проводить электролитическую подготовку

Для проведения электролитической подготовки необходимо выбрать правильный метод. Оборудование Struers содержит десять стандартных методов для различных материалов. Если эти стандартные методы не подходят для материала, правильный электролит можно выбрать из списка «Выбор электролита». Выбрав правильный электролит для своих целей, необходимо определить напряжение полировки. Это делается с помощью функции сканирования, встроенной в оборудование для электролитической подготовки.

Правильные настройки приложения

После размещения образца на полировальном столе сканируется заданный диапазон напряжения для определения кривой плотности тока. Эта кривая используется для определения правильного напряжения полировки для процесса полировки или разбавления. Другими определяемыми параметрами являются время полировки и скорость потока. После определения правильных настроек приложения их можно сохранить в базе данных и вызвать для последующих задач полировки.

Безопасность важна.

Ключевым словом при работе с электролитами является безопасность, и все пользователи должны быть знакомы с соответствующими процедурами безопасности.

Как сделать электролитическую подготовку

Некоторые материалы можно полировать/травить с использованием более чем одного электролита.
Правильный выбор зависит от состава материала и того, что вы хотите видеть.

Поиск и устранение неисправностей

Проблема

Поверхность неполированная или полированная лишь частично

Показать больше

Причина:
Недостаточная плотность тока
Решение:
Отрегулируйте напряжение.

Причина:
Электролит слишком старый.
Решение:
Замените электролит.

Причина:
Недостаточное количество электролита.
Решение:
Добавьте электролит.

Неполированные пятна

Показать больше

Причина:
Пузырьки газа
Решение: 
— Отрегулируйте скорость потока.
— Проверьте температуру электролита.
— Уменьшите напряжение.

Травление полированной поверхности

Показать больше

Причина:
Химическая атака границ зерен после переключения тока.
Решение:
— Удалите образец сразу после отключения тока.
— Выберите менее коррозионный электролит.

Фазы рельефа

Показать больше

Причина:
Полировочная пленка не подходит.
Решение:
— Увеличьте напряжение.
— Улучшить механическую подготовку образца.

Причина:
Время полировки слишком велико.
Решение:
Сократите время полировки.

Питтинг

Показать больше

Причина:
Время полировки слишком велико.
Решение:
— Улучшить механическую подготовку.
— Уменьшить время.

Причина:
Напряжение слишком высокое.
Решение:
Понизьте напряжение.

Причина:
Недостаточный анодный слой.
Решение:
— Уменьшите скорость потока.
— Используйте другой электролит.

Атака на краю образца.

Показать больше

Причина:
Пленка слишком вязкая или слишком тонкая.
Решение:
— Уменьшите напряжение.
— Увеличьте скорость потока.

Центр образца сильно поврежден или совсем не отполирован.

Показать больше

Причина:
Полировка пленки не проводилась в центре образца.
Решение:
— Увеличьте напряжение.
— Уменьшите скорость потока.
— Добавьте еще электролита.

Отложения на поверхности

Показать больше

Причина:
Нерастворимые продукты реакции.
Решение:
— Замените электролит или попробуйте другой.
— Увеличьте напряжение.

Волнистая поверхность или остаточная деформация

Показать больше

Причина:
Время полировки слишком короткое.
Решение:
Увеличьте время.

Причина:
Скорость потока слишком высока или слишком мала.
Решение:
Измените скорость потока.

Причина:
Шероховатая поверхность после шлифовки.
Решение:
Улучшить подготовку перед электролитической полировкой.

Причина:
Электролит слишком старый.
Решение:
Замените электролит.

Причина:
Выборочная полировка из-за возможных различий в поверхности (гетерогенный материал).
Решение:
Используйте другой электролит с другими параметрами полировки или механический препарат.

Ищете расходные материалы?

Закажите расходные материалы непосредственно в нашем интернет-магазине.

Перейти к расходным материалам в интернет-магазине

Хелле Михаэльсен

Global Business Solution & Application Manager
Struers Aps.
Баллеруп, Дания

Контакт

Биргитте Нильсен

Металлограф,
Специалист по применению
Struers Aps.
Баллеруп, Дания

Контакт

Мария Линдегрен

Кандидат наук. в обработке металлов давлением,
Специалист по применению
Struers Aps.
Баллеруп, Дания

Контакт

Олафур Олафссон

кандидат технических наук, инженер-механик, 9 лет0309 Специалист по применению
Struers Aps.
Баллеруп, Дания

Контакт

Фарук Музафер

Специалист по применению
Struers ApS
Ballerup, Дания

Контакт

Мэтью Кодуэлл

Руководитель лаборатории
Struers Ltd.
Rotherham, UK

Контакт

Хольгер Шнарр

Степень доктора технических наук и степень инженера в области материаловедения,
Специалист по применению
Struers GmbH
Willich, Германия

Контакт

Ульрих Сетцер

Инженер-материаловед, степень технического ассистента по металлографии и материаловедению,
Специалист по применению
Struers GmbH
Willich, Германия

Контакт

Римский герундий

Степень технического ассистента по металлографии и материаловедению,
Специалист по применению
Struers GmbH
Willich, Германия

Контакт

Кэролайн Муссу

Руководитель лаборатории
Struers SAS
Шампиньи-сюр-Марн, Франция

Контакт

Кристиан Вегерски

Специалист по применению
Struers GmbH
Willich, Германия

Контакт

Марко Карузо

Металлограф,
Специалист по применению
Struers S. A.S.
Арезе, Италия

Контакт

Генри Удомон

Менеджер приложений
Struers Inc.
Кливленд, Огайо, США

Контакт

Келси Торболи

Инженер по применению
Struers Inc.
Кливленд, Огайо, США

Контакт

Брайан Джонс

Инженер по применению
Struers Inc.
Кливленд, Огайо, США

Контакт

Сюпин Цзян

к.т.н., магистр наук. в области материаловедения и инженерии,
Менеджер по применению и лаборатории
Struers Ltd.
Шанхай, Китай

Контакт

Райан Яо

Специалист по применению
Struers Ltd
Шанхай, Китай

Контакт

Киничи Исикава

г-жа К. Кандидат промышленных наук,
Специалист по применению
Struers K.K.
Токио, Япония

Контакт

Юя Хаякава

Магистр наук в области материаловедения и инженерии,
Специалист по применению
Struers K.