Як працює електроліт?
Роль електроліту
Електроліт служить каталізатором, що робить акумулятор провідним, сприяючи руху іонів від катода до анода під час заряджання та навпаки під час розряджання. Іони — це електрично заряджені атоми, які втратили або отримали електрони. Електроліт акумулятора складається з розчинних солей, кислот або інших основ у рідкому, гелеподібному та сухому форматах. Також застосовуються полімерні електроліти у твердотільних системах, тверда кераміка та розплавлені солі, наприклад у натрій-сірчаних акумуляторах.
Свинцево-кислотний електроліт
Свинцево-кислотні акумулятори використовують сірчану кислоту. Під час заряджання кислота стає щільнішою, оскільки оксид свинцю (PbO2) утворюється на позитивній пластині, а потім перетворюється майже на воду при повному розряді. Питома вага сірчаної кислоти вимірюється ареометром. Свинцево-кислотні акумулятори бувають затопленими та герметичними, також відомими як свинцево-кислотні акумулятори з клапанним регулюванням (VRLA) або такі, що не потребують обслуговування.
Сірчана кислота безбарвна з легким жовто-зеленим відтінком, розчинна у воді та має високу корозійну дію. Зміна кольору на коричневий відтінок може бути спричинена іржею від анодної корозії або потраплянням води в акумуляторну батарею.
Свинцево-кислотні акумулятори бувають з різною питомою вагою (ПВ). Акумулятори глибокого циклу використовують щільний електроліт з питомою вагою до 1,330 для досягнення високої питомої енергії, стартерні акумулятори мають середню питому вагу близько 1,265, а стаціонарні акумулятори мають низьку питому вагу приблизно 1,225 для помірної корозії та сприяють довговічності.
Сірчана кислота має широкий спектр застосування, а також міститься в засобах для прочищення зливів та різних мийних засобах. Вона також використовується в переробці корисних копалин, виробництві добрив, переробці нафти, переробці стічних вод та хімічному синтезі.
⚠️ УВАГА: Сірчана кислота викликає серйозні опіки шкіри та може призвести до постійної сліпоти при потраплянні в очі. Ковтання є смертельно небезпечним.
Нікель-кадмієві акумулятори (NiCd)
Електроліт у NiCd – це лужний електроліт (гідроксид калію). Більшість NiCd акумуляторів мають циліндричну форму, в якій кілька шарів позитивних і негативних матеріалів намотані в желеподібний рулон. Затоплений варіант NiCd використовується як судновий акумулятор у комерційних літаках та в системах ДБЖ, що працюють у жаркому та холодному кліматі, що потребують частого циклу розрядки/зарядки. NiCd дорожчий за свинцево-кислотний, але служить довше.
Акумулятори NiCd
Надійні нікель-кадмієві акумулятори для резервного живлення та побудови великих енергетичних систем
EBH10 / KHP10 1,2В 10Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий
Надійна робота при високих розрядних струмах. Стійкість до перезаряду, глибокого розряду та ударів
Купити
SEBM20 / KMP20 1,2В 20Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий
Герметичний корпус з клапаном — обслуговування 1 раз на 3–5 років. Надійна конструкція з довговічністю до 20+ років
Купити
EBM700 / KMP700 1,2В 700Аг – NiCd акумулятор нікель-кадмієвий
Серія акумуляторів EBM/KMP оптимізована роботу при розрядах від 30 хвилин до 2 годин, але може виконувати задачі при більш тривалих розрядах
КупитиНікель-металгідридні акумулятори (NiMH)
NiMH використовує той самий або подібний електроліт, що й NiCd, зазвичай це гідроксид калію. NiMH електроди є унікальними та складаються з нікелю, кобальту, марганцю, алюмінію та рідкоземельних металів, які також використовуються в літій-іонних акумуляторах. NiMH доступний лише в герметичному виконанні.
Гідроксид калію — це неорганічна сполука з формулою KOH, яку зазвичай називають їдким поташем. Електроліт безбарвний і має багато промислових застосувань, наприклад, є інгредієнтом більшості м’яких і рідких мил. KOH шкідливий у разі неправильного вживання.
Літій-іонні акумулятори
Літій-іонні акумулятори використовують рідкий, гелевий або сухий полімерний електроліт. Рідкий варіант являє собою легкозаймистий органічний, а не водний тип, розчин солей літію з органічними розчинниками, подібними до етиленкарбонату. Змішування розчинів з різними карбонатами забезпечує вищу провідність і розширює діапазон температур. Інші солі можуть бути додані для зменшення газоутворення та покращення циклічного використання високих температур.
Акумулятори LiFePO4
Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.
LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)
Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.
Купити
LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг
Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження
Купити
LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah
Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy
КупитиЛітій-іонні акумулятори з гелеподібними електролітами отримують багато добавок для підвищення провідності, так само як і літій-полімерні акумулятори. Справжній сухий полімер стає провідним лише за підвищених температур, і цей акумулятор більше не використовується в комерційних цілях. Також додаються добавки для досягнення довговічності та унікальних характеристик. Рецепт засекречений, і кожен виробник має свій власний секретний інгредієнт.
Електроліт має бути стабільним, але це не стосується літій-іонних акумуляторів. На аноді утворюється пасиваційна плівка, яка називається твердоелектролітним інтерфейсом (SEI) . Цей шар відділяє анод від катода, але дозволяє іонам проходити крізь нього, подібно до сепаратора. По суті, шар SEI повинен утворитися, щоб акумулятор міг працювати. Плівка стабілізує систему та забезпечує тривалий термін служби літій-іонного акумулятора, але це призводить до зниження ємності. Окислення електроліту також відбувається на катоді, що постійно знижує ємність.
Щоб запобігти надмірному стисканню плівок, добавки змішують з електролітом, який витрачається під час формування шару SEI. Під час проведення судово-медичної експертизи важко, якщо неможливо, відстежити їхню присутність. Це тримає запатентовані добавки в комерційній таємниці, як їхній склад, так і використану кількість.
Відомою добавкою є вініленкарбонат (VC). Ця хімічна речовина покращує термін служби літій-іонних акумуляторів, особливо за високих температур, і підтримує низький внутрішній опір з часом використання та старіння. VC також підтримує стабільну плівку SEI на аноді без негативних побічних ефектів окислення електроліту на катоді (Aurbach et al.). Кажуть, що академічні та дослідницькі спільноти відстають від виробників елементів у знаннях та виборі добавок, звідси і великий секрет.
Для більшості комерційних літій-іонних акумуляторів шар SEI руйнується за температури елемента 75–90°C (167–194°F). Тип елемента та стан заряду (SoC) впливають на пробій за підвищеної температури. Може виникнути самонагрівання, яке може призвести до теплового розгону, якщо його не охолодити належним чином. Лабораторні випробування, проведені на елементах 18650, показали, що така теплова подія може розвиватися протягом двох днів.
Займистість літій-іонного електроліту є ще однією проблемою, і проводяться експерименти для отримання негорючих або відновлених горючих електролітів за допомогою добавок або розробки неорганічних іонних рідин. Також проводяться дослідження щодо роботи літій-іонних акумуляторів за низьких температур. На момент написання статті жоден з цих електролітів не має широкого комерційного використання.
Висихання або повільне перетворення рідкого електроліту на тверду форму – це ще одна подія старіння, яка знижує продуктивність літій-іонних акумуляторів. «Коли рідина зникає, акумулятори розряджаються», – каже Джефф Дан, спеціаліст з літій-іонних акумуляторів і професор фізики. Рідкість електроліту – це ще один показник стану, який стосується всіх хімічних складів акумуляторів.
