Как работает электролит?

Роль электролита

Электролит служит катализатором, который делает аккумулятор проводящим, способствуя движению ионов от катода к аноду во время зарядки и наоборот во время разрядки. Ионы — это электрически заряженные атомы, которые потеряли или приобрели электроны. Электролит аккумулятора состоит из растворимых солей, кислот или других оснований в жидком, гелеобразном и сухом форматах. Также применяются полимерные электролиты в твердотельных системах, твердая керамика и расплавленные соли, например, в натрий-серных аккумуляторах.

Свинцово-кислотный электролит

Свинцово-кислотные аккумуляторы используют серную кислоту. Во время зарядки кислота становится плотнее, так как оксид свинца (PbO2) образуется на положительной пластине, а затем превращается почти в воду при полном разряде. Удельный вес серной кислоты измеряется ареометром. Свинцово-кислотные аккумуляторы бывают залитыми и герметичными, также известными как свинцово-кислотные аккумуляторы с клапанным регулированием (VRLA) или необслуживаемые.

Серная кислота бесцветна с легким желто-зеленым оттенком, растворима в воде и обладает высокой коррозионной активностью. Изменение цвета на коричневый оттенок может быть вызвано ржавчиной от анодной коррозии или попаданием воды в аккумуляторную батарею.

Свинцово-кислотные аккумуляторы бывают с разным удельным весом (УВ). Аккумуляторы глубокого цикла используют плотный электролит с удельным весом до 1,330 для достижения высокой удельной энергии, стартерные аккумуляторы имеют средний удельный вес около 1,265, а стационарные аккумуляторы имеют низкий удельный вес примерно 1,225 для умеренной коррозии и способствуют долговечности.

Серная кислота имеет широкий спектр применения, а также содержится в средствах для прочистки сливов и различных моющих средствах. Она также используется в переработке полезных ископаемых, производстве удобрений, переработке нефти, обработке сточных вод и химическом синтезе.

⚠️ ВНИМАНИЕ: Серная кислота вызывает серьезные ожоги кожи и может привести к постоянной слепоте при попадании в глаза. Проглатывание смертельно опасно.

Никель-кадмиевые аккумуляторы (NiCd)

Электролит в NiCd – это щелочной электролит (гидроксид калия). Большинство NiCd аккумуляторов имеют цилиндрическую форму, в которой несколько слоев положительных и отрицательных материалов намотаны в желеобразный рулон. Залитый вариант NiCd используется как судовой аккумулятор в коммерческих самолетах и в системах ИБП, работающих в жарком и холодном климате, требующих частого цикла разрядки/зарядки. NiCd дороже свинцово-кислотного, но служит дольше.

Аккумуляторы NiCd

Надежные никель-кадмиевые аккумуляторы для резервного питания и построения крупных энергетических систем

EBH10 / KHP10 1,2В 10Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Надежная работа при высоких разрядных токах. Устойчивость к перезаряду, глубокому разряду и ударам

Купить

SEBM20 / KMP20 1,2В 20Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Герметичный корпус с клапаном — обслуживание 1 раз в 3–5 лет. Надежная конструкция с сроком службы более 20 лет

Купить

EBM700 / KMP700 1,2В 700Ач – NiCd аккумулятор никель-кадмиевый

Серия аккумуляторов EBM/KMP оптимизирована для работы при разрядах от 30 минут до 2 часов, но может применяться и при более длительных нагрузках

Купить

Посмотреть больше

Никель-металлгидридные аккумуляторы (NiMH)

NiMH использует тот же или подобный электролит, что и NiCd, обычно это гидроксид калия. Электроды NiMH уникальны и состоят из никеля, кобальта, марганца, алюминия и редкоземельных металлов, которые также используются в литий-ионных аккумуляторах. NiMH доступен только в герметичном исполнении.

Гидроксид калия — это неорганическое соединение с формулой KOH, которое обычно называют едким кали. Электролит бесцветен и имеет много промышленных применений, например, является ингредиентом большинства мягких и жидких мыл. KOH вреден при неправильном использовании.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-ионные аккумуляторы используют жидкий, гелевый или сухой полимерный электролит. Жидкий вариант представляет собой легковоспламеняющийся органический, а не водный тип, раствор солей лития с органическими растворителями, подобными этиленкарбонату. Смешивание растворов с различными карбонатами обеспечивает более высокую проводимость и расширяет диапазон температур. Другие соли могут быть добавлены для уменьшения газообразования и улучшения циклического использования при высоких температурах.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Литий-ионные аккумуляторы с гелеобразными электролитами получают много добавок для повышения проводимости, так же как и литий-полимерные аккумуляторы. Настоящий сухой полимер становится проводящим только при повышенных температурах, и этот аккумулятор больше не используется в коммерческих целях. Также добавляются присадки для достижения долговечности и уникальных характеристик. Рецепт засекречен, и каждый производитель имеет свой собственный секретный ингредиент.

Электролит должен быть стабильным, но это не относится к литий-ионным аккумуляторам. На аноде образуется пассивирующая пленка, называемая твердоэлектролитной интерфазой (SEI). Этот слой отделяет анод от катода, но позволяет ионам проходить сквозь него, подобно сепаратору. По сути, слой SEI должен образоваться, чтобы аккумулятор мог работать. Пленка стабилизирует систему и обеспечивает длительный срок службы литий-ионного аккумулятора, но это приводит к снижению емкости. Окисление электролита также происходит на катоде, что постоянно снижает емкость.

Чтобы предотвратить чрезмерное утолщение пленок, в электролит смешивают присадки, которые расходуются во время формирования слоя SEI. При проведении судебно-медицинской экспертизы трудно, если не невозможно, отследить их присутствие. Это держит запатентованные присадки в коммерческой тайне, как их состав, так и использованное количество.

Известной присадкой является виниленкарбонат (VC). Это химическое вещество улучшает срок службы литий-ионных аккумуляторов, особенно при высоких температурах, и поддерживает низкое внутреннее сопротивление со временем использования и старения. VC также поддерживает стабильную пленку SEI на аноде без негативных побочных эффектов окисления электролита на катоде (Aurbach et al.). Говорят, что академические и исследовательские сообщества отстают от производителей элементов в знаниях и выборе присадок, отсюда и большой секрет.

Для большинства коммерческих литий-ионных аккумуляторов слой SEI разрушается при температуре элемента 75–90°C (167–194°F). Тип элемента и состояние заряда (SoC) влияют на пробой при повышенной температуре. Может возникнуть самонагрев, который может привести к тепловому разгону, если его не охладить должным образом. Лабораторные испытания, проведенные на элементах 18650, показали, что такое тепловое событие может развиваться в течение двух дней.

Воспламеняемость литий-ионного электролита является еще одной проблемой, и проводятся эксперименты для получения негорючих или с уменьшенной горючестью электролитов с помощью присадок или разработки неорганических ионных жидкостей. Также проводятся исследования по работе литий-ионных аккумуляторов при низких температурах. На момент написания статьи ни один из этих электролитов не имеет широкого коммерческого использования.

Высыхание или медленное превращение жидкого электролита в твердую форму – это еще одно событие старения, которое снижает производительность литий-ионных аккумуляторов. «Когда жидкость исчезает, аккумуляторы разряжаются», – говорит Джефф Дан, специалист по литий-ионным аккумуляторам и профессор физики. Редкость электролита – это еще один показатель состояния, который касается всех химических составов аккумуляторов.