В аккумуляторе электролит мутный: Черный или мутный электролит в аккумуляторе. Что делать? Разберем основные причины

27.11.2021 от MrF

Литий-железо-фосфатный аккумулятор

Литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) или LFP - это особый тип литий-ионных батарей с катодом на более низком напряжении и номинальным напряжением 3.2 В при 3,6 В / 3,7 В для других литий-ионных батарей. Эта характеристика снижает характеристики энергии и удельной мощности, и это не подходящие технологии для портативных или электромобилей. Однако эта технология нашла свое применение на электрических автобусах и сетевых или автономных солнечных устройствах, где вес и объем менее важны. Неплохая цикличность от 3000 до 5000 делает DOD 80% основным преимуществом, тогда как обязательная электронная BMS и работа при отрицательной температуре - слабые стороны.Позиционирование затрат необходимо тщательно сравнивать с некоторыми свинцовыми батареями, и знание эффективных условий эксплуатации является обязательным условием выбора.

Последние разработки в области аккумуляторов

(только что добавлены интересные ссылки, которые будут проработаны позже)

Ледяной медведь

Ice Bear - это система хранения энергии для условий воздуха. Да, это вроде как ледяной аккумулятор! Он накапливает энергию в ночное время и управляет переменным током в течение дня, тем самым переводя потребление энергии с часов пик на часы непиковой нагрузки.

Блок Ice Bear накапливает энергию, он работает со встроенным высокоэффективным конденсаторным блоком переменного тока в ночное время, когда температура низкая, а тепловой КПД высокий.

В течение дня происходит обратное. Когда блок Ice Bear разряжает свою накопленную энергию, он компенсирует работу энергоемкого коммерческого конденсаторного блока переменного тока в периоды, когда температура высока, а эффективность блока переменного тока находится на самом низком уровне.

Производители утверждают, что это ". ... первое в отрасли решение по хранению энергии без потерь »и обещают, что« система Ice Bear снижает общее чистое потребление энергии для большинства зданий практически при любых рабочих условиях и установках ».

литий-воздушный

Также известные как литий-кислородные батареи, обещают высокую эффективность и очень легкие. Исследования в этой области интересны главным образом для производителей ноутбуков и сектора электромобилей. В Массачусетском технологическом институте ведутся исследования, но до коммерциализации может потребоваться время.Новые батареи обещают быть легче, меньше, дешевле и эффективнее существующих систем. Также рассматривается возможность быстрой «дозаправки» аккумулятора.

Каждый тип батареи имеет конструкцию и характеристики, подходящие для конкретных приложений. Опять же, ни один тип батареи не идеален для применения в фотоэлектрических (PV) системах. Разработчик должен учитывать преимущества и недостатки различных батарей в соответствии с требованиями конкретного приложения. Некоторые из соображений включают срок службы, характеристики глубокого цикла, устойчивость к высоким температурам и перезарядке, техническое обслуживание и многие другие. В следующей таблице приведены некоторые ключевые характеристики различных типов батарей. ^[4]

Тип батареи	Стоимость	Производительность глубокого цикла	Техническое обслуживание	Преимущества	Недостатки
Свинцово-кислотный
Свинец-сурьма	низкий	хорошо	высокий	низкая стоимость, широкая доступность, хорошие рабочие характеристики при глубоком цикле и высоких температурах, может пополнять электролит	высокая потеря воды и техническое обслуживание
Свинец-кальций Открытое вентиляционное отверстие	низкий	бедный	средний	низкая стоимость, широкая доступность, низкие потери воды, возможность пополнения электролита	низкая производительность при глубоком цикле, непереносимость высоких температур и перезарядки
Свинцово-кальциевый клапан	низкий	бедный	низкий	низкая стоимость, широкая доступность, низкие потери воды	плохая работа при глубоком цикле, непереносимость высоких температур и перезаряда, не может пополнять электролит
Свинец, гибрид сурьмы и кальция	средний	хорошо	средний	средняя стоимость, низкая потеря воды	ограниченная доступность, возможность расслоения
Свинцово-кислотный
Гелевый	средний	ярмарка	низкий	средней стоимости, незначительное обслуживание или его отсутствие, менее подвержен замерзанию, устанавливается в любом положении	удовлетворительная производительность при глубоком цикле, непереносимость перезарядки и высоких температур, ограниченная доступность
Абсорбирующий стеклянный мат	средний	ярмарка	низкий	средней стоимости, незначительное обслуживание или его отсутствие, менее подвержен замерзанию, устанавливается в любом положении	удовлетворительная производительность при глубоком цикле, непереносимость перезарядки и высоких температур, ограниченная доступность
Никель-кадмиевый
Герметичная спеченная плита	высокий	хорошо	нет	широкая доступность, отличные характеристики при низких и высоких температурах, не требует обслуживания	доступен только в небольшой емкости, имеет высокую стоимость, страдает эффектом «памяти»
Затопляемая карманная пластина	высокий	хорошо	средний	отличные характеристики при глубоком цикле и низких и высоких температурах, устойчивость к перезарядке	ограниченная доступность, высокая стоимость, требуется добавление воды

Батареи - это компонент фотоэлектрической системы с самым низким сроком службы.

Эффекты старения - это результирующие изменения в поведении батареи. Эти изменения можно наблюдать как потерю емкости и увеличение внутреннего сопротивления, что в конечном итоге означает сокращение срока службы батареи.

Эффекты старения классифицируются по: циклическим процессам (последствия зарядки и разрядки аккумулятора, например, увеличение внутреннего сопротивления) и календарным процессам (происходит, даже когда аккумулятор не используется, например, саморазряд)

Ниже описаны типичные проблемы батарей.

Сульфатион

Если свинцово-кислотный аккумулятор оставить в глубоко разряженном состоянии в течение длительного периода времени, он станет «сульфатированным». Часть серы в кислоте соединяется со свинцом из пластин с образованием сульфата свинца. Если периодически не доливать воду в аккумулятор, часть пластин будет подвергаться воздействию воздуха, и этот процесс будет ускоряться.

Сульфат свинца покрывает пластины, поэтому электролит не может контактировать с ними. Даже добавление новой воды не устранит необратимую потерю емкости аккумулятора.

Древесина

Treeing - это короткое замыкание между положительной и отрицательной пластинами, вызванное несовпадением пластин и разделителей. Проблема обычно возникает из-за производственного брака, хотя еще одна причина - грубое обращение.

Моссинг

Моссинг - это скопление материала на элементах батареи. Циркулирующий электролит переносит мелкие частицы в верхнюю часть батареи, где они захватываются верхними частями элементов. Мохование вызывает короткое замыкание между отрицательными и положительными пластинами.Сильный мх вызывает короткое замыкание между пластинами элемента и лентой над ними.

Во избежание замораживания аккумулятор не следует подвергать длительной перезарядке или небрежному обращению.

Батареи содержат токсичные материалы, такие как свинец, кадмий, кислоты и пластмассы, которые могут нанести вред людям, животным и окружающей среде. Поэтому их нельзя выбрасывать на свалки или сжигать, а следует обращаться с ними как с опасными отходами.

Во многих странах переработка батарей для повторного использования материалов является обычной практикой.

-> Посетите раздел «Утилизация фотоэлектрических батарей», чтобы обсудить проблему и поделиться своим опытом.

Большая часть информации на этой вики-странице по батареям для солнечных систем взята из: Polar Power Inc

1. ↑ Разработано во время заседания Группы по возобновляемым источникам энергии (RE GM) GIZ EnDev ET, июнь 2017 г.
2. ↑ По материалам: Presentation Fraunhoffer ISE, G.Bopp, InterSolar Munich 2017; Исследование продукта
3. ↑ Джеймс П. Данлоп, Флоридский центр солнечной энергии для национальных лабораторий Сандиа: Батареи и контроль заряда в автономных фотоэлектрических системах.Основы и применение, 1997 г.
4. ↑ Джеймс П. Данлоп, Флоридский центр солнечной энергии для национальных лабораторий Сандиа: Батареи и контроль заряда в автономных фотоэлектрических системах. Основы и применение, 1997 г.

Новый дизайн проточных батарей

Установка для испытания ячейки проточной окислительно-восстановительной батареи ванадия. MEA устанавливается на штативе над перистальтическим насосом. Емкости заполняются ванадиевым электролитом (до начала процесса зарядки).Предоставлено: авторы исследования.

В 2020 году Китай планирует запустить крупнейший в мире аккумуляторный комплекс мощностью 800 МВт * ч (примерно такое количество энергии в год потребляет домохозяйство с 200 квартирами). Этот комплекс основан не на обычных литий-ионных или свинцово-кислотных аккумуляторах, а на проточной окислительно-восстановительной батарее, в которой электричество накапливается в виде химической энергии растворов - электролитов. Батарея состоит из двух резервуаров, в которых хранятся электролиты, и мембранно-электродного узла (MEA) - растворы подаются в MEA насосами, где они подвергаются электрохимическим реакциям, которые обеспечивают зарядку и разрядку аккумулятора.

Благодаря такой настройке проточные окислительно-восстановительные батареи, в отличие от многих других устройств накопления энергии, позволяют независимо масштабировать мощность и емкость батареи, которые определяются размером MEA и объемом электролита, соответственно. Кроме того, проточные окислительно-восстановительные батареи демонстрируют минимальный саморазряд в течение продолжительных периодов времени, а их электролиты не разлагаются даже после десятков тысяч рабочих циклов, что делает их многообещающими кандидатами для хранения большого количества энергии в интеллектуальных электрических сетях.Например, они могут накапливать избыточную электроэнергию, вырабатываемую фотоэлектрическими солнечными элементами в дневное время, и генерировать резервную электроэнергию ночью или в пасмурную погоду.

«Аккумуляторы Flow активно интегрируются в электрические сети Китая, Германии и других стран, с одной стороны, а с другой - продолжают развиваться и дорабатываться в лабораториях», - комментирует один из авторов работы. научный сотрудник Центра компетенций НТИ ИПХФ РАН Дмитрий Конев. «Мы предложили совершенно новый дизайн MEA, который облегчит исследовательский процесс и значительно снизит порог входа для новых исследовательских групп в эту область.В будущем это поможет достичь значительного прогресса и выведет распределенные энергоресурсы из нишевого позиционирования на очень высокий уровень коммерциализации, в том числе в России ».

Лазерная резка проточных пластин из графитовой фольги. Предоставлено: авторы исследования.

Сэндвич с лазерной начинкой

MEA - это сердце проточной батареи. Он выглядит как сэндвич из разных листовых материалов, разделенный на две симметричные части, снабженные собственным электролитом.Когда аккумулятор подключен к источнику питания, один электролит окисляется, а другой восстанавливается, и поэтому аккумулятор заряжается. После этого источник питания можно отключить и заменить потребителем энергии - электролиты пойдут на обратные процессы и батарея начнет разряжаться.

Важной частью MEA являются пластины поля потока, многослойные слои, через которые электролит перекачивается к электродам, где электролиты окисляются или восстанавливаются.Производительность батареи, то есть мощность и КПД, сильно зависит от того, насколько хорошо организованы поля потока. Поэтому исследователи часто выбирают разные типы полей для оптимизации работы батареи, но это очень трудоемкая задача: поля потока фрезеруются в плотных графитовых пластинах, что занимает много времени. Российские исследователи предложили иной подход.

«Мы формируем поля потока, используя несколько тонких слоев гибких графитовых материалов: необходимые узоры в них вырезаются лазером, а затем эти слои накладываются друг на друга, чтобы получить требуемое поле», - говорит первый автор работы. Роман Пичугов, научный сотрудник Менделеевского университета. «Процедура создания полей потока занимает всего несколько минут, что намного меньше, чем при традиционном измельчении графита. Кроме того, используются более дешевые материалы, и, как следствие, появляется больше возможностей для изменения и выбора полей потока».

Схематическое изображение разработанного МЭБ проточной окислительно-восстановительной батареи. Предоставлено: авторы исследования.

Из ячейки в стопку

Аккумуляторы

Flow могут работать с разными типами электролитов. Наиболее распространенные (в том числе те, которые установлены в Китае и внедряются в других странах) используют ванадиевые электролиты, а именно растворы солей ванадия.Это электролит, на котором российские ученые проверяли конструкцию своих элементов. Они разобрали различные типы полей течения, варьировали расход электролита и получили результаты, качественно совпадающие с лучшими мировыми исследованиями, а на количественном уровне даже немного превосходящие их: мощность испытанных МЭБ незначительно превышала мощность аналогичных ячеек. на графите.

Таким образом, новая конструкция MEA значительно упрощает лабораторные испытания и в будущем может быть использована в реальных системах хранения энергии для распределенных электрических сетей.Российские ученые совместно с ООО «ИнЭнерджи» разрабатывают и испытывают проточную ванадиевую батарею, состоящую из 10 таких ячеек общей мощностью 20 Вт. Сама конструкция ячейки и стопка из 10 ячеек защищены патентами, последний из которых принадлежит компании ADARM, созданной сотрудниками MUCTR. Кроме того, на основе предложенной конструкции MEA ученые разрабатывают другие типы проточных батарей с использованием других электролитов.

---

Ученые создали модель ванадиевой батареи

---

Больше информации: Роман Пичугов и др., Вариация поля потока электролита: ячейка для тестирования и оптимизации сборки мембранных электродов для проточных батарей с окислительно-восстановительным потенциалом ванадия, ChemPlusChem (2020). DOI: 10.1002 / cplu.202000519

Предоставлено Менделеевский университет

Цитата: Новый дизайн проточных батарей (2020, 18 августа) получено 15 ноября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-08-battery.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

границ | Экспериментальная оценка характеристик сверхразветвленного полимерного электролита для литий-воздушных аккумуляторов

Введение

Недавнее внедрение экологически чистых электромобилей (EV), подключаемых к сети гибридных электромобилей (PHEV) или гибридных электромобилей (HEV) в транспортном секторе путем замены традиционных транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания было направлено на сокращение загрязнения окружающей среды, вызванного выбросами выбросов парниковых газов за счет сжигания ископаемого топлива (Reddy, 2002; Pistoia, 2005; Anderma, 2011; USCAR, 2018).Для надежной работы EV, PHEV или HEV необходима стабильная система электроснабжения (Scrosati et al., 2011; Tan et al., 2017). В настоящее время электромобили, PHEV и HEV оснащены перезаряжаемым литий-ионным аккумулятором для обеспечения стабильного питания и хранения энергии (Reddy, 2002; Pistoia, 2005; Tan et al. , 2017; USCAR, 2018). С постоянным улучшением производительности в течение последних нескольких десятилетий теоретические пределы плотности энергии для литий-ионных батарей почти достигли своего пика (Reddy, 2002; Pistoia, 2005; Tan et al., 2017).

Чтобы заменить литий-ионный аккумулятор на систему накопления энергии и питания высокой плотности, многочисленные исследователи исследовали различные электрохимические системы накопления энергии и питания (Whittingham, 2004; Zheng et al., 2008; Beattie et al., 2009). ; Girishkumar et al., 2010; Zhang et al., 2010; Chen et al., 2015). Среди различных источников энергии с высокой плотностью мощности, исследованных до сих пор, литий-воздушная батарея, обычно именуемая Li-O ₂ , стала одним из наиболее многообещающих кандидатов (Whittingham, 2004; Zhang et al., 2010; Chen et al., 2015). Проницаемый для кислорода воздушный катод, эффективный электролит для ионной проводимости через него и анод из металлического лития являются тремя основными компонентами литий-воздушной батареи (Beattie et al. , 2009; Zhang and Zhou, 2013; Chen et al., 2015). ; Das, Abhijit, 2016; Tan et al., 2017). Теоретическая плотность энергии обычной литий-ионной батареи может быть почти в 10 раз ниже, чем у литий-воздушной батареи из-за использования чистого металлического лития на аноде и чистого кислорода на катоде (Pistoia, 2005; Zhang and Zhou , 2013; Chen et al., 2015; Tan et al., 2017). Литий является очень легким металлом и имеет высокую теоретическую удельную энергию 13 кВтч / кг среди всех других металлов-кандидатов, как видно из таблицы 1. Кислород на катоде бесплатно подается из атмосферного воздуха и, следовательно, литий-ионный аккумулятор Воздушная батарея будет иметь очень легкий вес, и может быть достигнуто значительное снижение стоимости батареи (Beattie et al., 2009; Wang et al., 2010; Li et al., 2013; Zhang and Zhou, 2013; Elia and Hassoun, 2015). . Электрохимические реакции в воздушно-литиевом аккумуляторном элементе можно записать как (Reddy, 2002; Zheng et al., 2008; Гиришкумар и др. , 2010):

. Анод: Li⇋Li ++ e- (1) Катод: 2Li ++ 2e- + O2⇋Li2O2 (2)

Механизм электрохимической реакции, как показано в уравнениях (1) - (2), в элементе воздушно-литиевой батареи выглядит очень простым, но все же существует множество проблем, которые необходимо решить для улучшения характеристик воздушно-литиевой батареи, таких как ( i) очень низкая проводимость наиболее обычных электролитов по отношению к паре Li / O ₂ , (ii) высокая поляризация элемента вызывает низкую энергоэффективность элемента, (iii) воздействие примесей и влаги на материалы с воздушным катодом, и (iv) очень сильная поляризация. короткий срок службы батареи (Li et al., 2013; Дас и др., 2016; Асади и др., 2018). Следовательно, для эффективной работы литий-воздушной батареи требуются электролит с высокой проводимостью и материалы с воздушным катодом с высокими характеристиками для повышения стабильности реакций разряд-заряд Li / O ₂ . Для уменьшения или устранения дендритов, рисков воспламенения, теплового разгона, образования короткого замыкания и других проблем безопасности необходимо использовать высокоэнергетический металлический литий, электролит с высокой протонной проводимостью и эффективные воздушные катодные материалы для безопасного литиево-воздушного аккумуляторного элемента. (Ван и др., 2010; Макклоски и др., 2011; Юнг и др., 2012; Ли и др., 2013; Чжан и Чжоу, 2013; Элиа и Хассун, 2015; Дас и Абхиджит, 2016; Дас и др., 2016; Wu et al., 2018; Zhanga et al., 2019).

В этом исследовании, объединив высокопроводящие полимерные материалы в термически и механически стабильную прочную химическую структуру, мы синтезировали высокоэффективный гиперразветвленный полимерный электролит, следуя пошаговым процедурам, описанным в следующих разделах ниже.Кроме того, был изготовлен высокоэффективный воздушный катод с эффективной проницаемой для кислорода мембраной для использования в элементе перезаряжаемой воздушно-литиевой батареи. Реальный перезаряжаемый литий-воздушный аккумуляторный элемент был изготовлен с использованием синтезированного электролита HBP, высокоэффективного кислородопроницаемого воздушного катода и чистого металлического лития на аноде. Изготовленные литий-воздушные аккумуляторные элементы были экспериментально протестированы в различных реальных условиях эксплуатации аккумуляторных батарей. Подробное описание процедур синтеза различных электролитов HBP, приготовления материалов с воздушным катодом и экспериментальные результаты работы литий-воздушной батареи представлены в следующих друг за другом разделах.

Приготовление электролита из сверхразветвленного полимера (HBP)

Пошаговые процедуры синтеза для получения исходного HBP1 – HBP5 и приготовления конечного электролита из гиперразветвленного полимера (HBP) с HBP5 описаны ниже.

Приготовление HBP1 с концевыми группами Si-H

Под N ₂ в колбу загружали тетракис (диметилсилокси) силан (16,4 г, 50 ммоль), толуол (30 мл), тетра (этиленгликоль) диакрилат (10 г, 33 ммоль), содержащий некоторое количество фенотиазина ( 0.15 г) и платинохлористоводородной кислоты [0,3 мл, 5 мг / мл в тетрагидрофуране (ТГФ)]. Для придания смеси молочного цвета смесь нагревали до 100 ° C и перемешивали в течение 12 часов. Полученную молочную смесь охлаждали до комнатной температуры и разбавляли 20 мл изопропилового спирта (IPA). Затем осадок удаляли центрифугированием и фильтрацией. Летучие вещества удаляли из фильтрата с помощью роторного испарителя и перегонки Kugelrohr при 120 ° C. Конечный продукт был получен в виде слегка вязкой прозрачной жидкости. Реакция синтеза HBP1 показана на рисунке 1.

Рис. 1. Синтез HBP1 с концевыми группами Si-H.

Приготовление 100% карбонатной группы HBP2

Сначала мы получили (аллилокси) метилэтиленкарбонат. Для этого в одногорлую круглодонную колбу объемом 200 мл, снабженную ловушкой Дина-Старка и конденсатором, добавляли 3-аллилокси-1,2-пропандиол (25 г, 189 ммоль), диметилкарбонат (55 г , 611 ммоль) и K ₂ CO ₃ (4 г, 28,9 ммоль). Колбу нагревали до 95 ° C и раствор перемешивали в течение 24 часов, при этом отгоняли CH ₃ OH.Продукт фильтровали и перегоняли. Дистиллят, имеющий точку кипения 125 ° C, собирали при пониженном давлении 5 мм рт.ст.

В колбу загружали под N ₂ HBP1 (10 г), избыток (аллилокси) метилэтиленкарбоната (10 г) и 1 каплю катализатора Карстедта. Полученная мутная смесь становилась гомогенной и прозрачной через 5 мин, и ей давали возможность перемешиваться еще 5 ч, чтобы реакции успокоились. Непрореагировавший (аллилокси) метилэтиленкарбонат удаляли перегонкой Kugelrohr при 125 ° C.

Приготовление 75% карбонатной группы HBP3

Под N ₂ в колбу загружали HBP2 (10 г), (аллилокси) метилэтиленкарбонат (6,5 г, 46 ммоль) и 1 каплю катализатора Карстедта. Полученная непрозрачная смесь становилась гомогенной и прозрачной через 5 минут, и ей позволяли перемешиваться еще 5 часов. Спектр FTIR (здесь не показан) показал, что интенсивность пика Si-H по сравнению с пиком C-H уменьшилась до 25% от интенсивности пика HBP1.

Приготовление HBP4 с концевыми группами Si-H

Под N ₂ в колбу загружали HBP3 (10 г) и тетракис (диметилсилокси) силан (20.5 г, 62 ммоль), полиэтиленгликольдивиниловый эфир (10 г, 42 ммоль) и две капли катализатора Карстедта в ксилоле. Смесь перемешивали при комнатной температуре в течение 30 минут, затем нагревали до 50 ° C и перемешивали в течение 12 часов. Полученную слегка вязкую прозрачную жидкость охлаждали до комнатной температуры.

Приготовление карбонатной группы HBP5

Под N ₂ в колбу загружали HBP4 (10 г) и винилэтиленкарбонат (2,5 мл, 26 ммоль). Полученной смеси позволяли перемешиваться при комнатной температуре в течение 30 минут, а затем нагревали до 50 ° C и перемешивали в течение 12 часов.Затем в колбе получают HBP5 с концевыми карбонатными группами.

Доработка электролита HBP

Пропиленкарбонат (ПК) сушили над молекулярными ситами 4Å. Безводный этиленкарбонат (ЕС) был приобретен у Aldrich и использован в том виде, в каком он был получен. Бистрифторметансульфонимид лития (LiTFSI) был приобретен у Aldrich и высушен при 80 ° C в атмосфере азота в течение 2 дней. Диметиловый эфир триэтиленгликоля (TEGDME) и диметоксиэтан (DME) перегоняли над натрием. Диметоксиэтан (ДМЭ) отгоняли от гидрида натрия.Ионная жидкость бис- (трифторметилсульфонил) имид 1-бутил-1-метилпирролидиния (P ₁₄ TFSI) была приобретена у Aldrich и высушена в вакууме при 90 ° C в течение 24 часов. 1: 1 EC / DME, 1,0 M растворы LiTFSI в 1: 1 EC / PC (массовое соотношение) и TEGDME были приготовлены внутри перчаточного бокса с использованием мерных колб. Конечный электролит HBP в растворах LiTFSI получали добавлением HBP5 (5 мл) к раствору LiTFSI (1,435 г, 5 ммоль) THF с последующим удалением растворителя в вакууме. Наконец, были приготовлены несколько различных электролитов на основе HBP, как описано выше, включая HBP с 1.0 M LiTFSI в ПК, HBP с 1,0 M LiTFSI в 1: 1 EC: PC, HBP с 1,0 M LiTFSI в 1: 1 EC: DME, HBP с 1,0 M LiTFSI в TEGDME, HBP с 0,35 M LiTFSI в P ₁₄ TFSI. Приготовленный электролит HBP с HBP5 в растворах LiTFSI исследовали и измеряли удельную проводимость электролита HBP в различных растворах. Измеренные значения проводимости представлены в таблице 2. Из таблицы 2 видно, что HBP с 1,0 M LiTFSI в 1: 1 EC: DME имеет самую высокую проводимость, а HBP с 0,35 M LiTFSI в P ₁₄ TFSI показывает самая низкая проводимость.Электролит HBP с различными растворами, имеющими разную проводимость, был использован для изготовления реального литий-воздушного аккумуляторного элемента, и в этом исследовании оценивалась эффективность аккумуляторного элемента.

Таблица 2. Приготовленный электролит на основе HBP и измеренные удельные электропроводности.

Подготовка катодной пасты

Определенные количества углерода и катализатора (если использовались) смешивали с использованием планетарного миксера Kurabo Mazerustar в качестве общей процедуры. Затем к этой смеси добавляли деионизированную воду (5–10 мл) и полученную суспензию встряхивали в течение 30 мин, затем добавляли связующий материал (суспензию ПТФЭ) и затем встряхивали еще 2 часа.Полученную пасту переносили во флакон, и она была готова для изготовления катода.

Методы изготовления и физические свойства воздушного катода

Для изготовления воздушного катода реального литий-воздушного аккумуляторного элемента из вспененного никеля вырубали диски из вспененного никеля диаметром ⁷ / _{и использовали их для изготовления катодов. В этом исследовании были оценены три различных метода изготовления воздушного катода, как описано ниже.}

Метод нанесения и прессования

В этой процедуре приготовленная катодная паста была нанесена и равномерно распределена на диске из никелевой пены, чтобы покрыть всю площадь поверхности.Затем, используя опорные пластины из нержавеющей стали, покрытый катодной пастой диск помещали между двумя листами алюминиевой фольги, покрытой ПТФЭ. Затем весь блок был прижат с силой 1000 фунтов, чтобы получить хороший контакт между алюминиевой фольгой и диском с покрытием. Полученный таким образом воздушный катод путем нанесения и прессования сушили на воздухе в течение 2 ч, а затем в печи при 115 ° C в течение 2 дней. Затем высушенный воздушный катод переносили в перчаточный бокс в атмосфере аргона для использования в аккумуляторном элементе.

Метод смешивания и обработки ультразвуком

Метод смешивания и обработки ультразвуком был использован в качестве альтернативного процесса изготовления катода, который описывается ниже.Катодная паста, приготовленная ранее, была разбавлена ​​определенным количеством деионизированной воды для образования суспензии, и в нее были опущены два диска из никелевой пены с последующей обработкой ультразвуком в течение 3 часов с использованием ультразвукового аппарата Branson 1200. После обработки ультразвуком диски вынимали из суспензии и сушили на воздухе, а затем в печи при 115 ° C, прежде чем их поместили в перчаточный ящик для использования в аккумуляторной батарее.

Метод ультразвуковой обработки

Был оценен третий процесс подготовки катода, при котором использовалась ультразвуковая обработка катодной пасты (KJ: Co ₃ O ₄ : PTFE 80:10:10, 1 г) и деионизированной воды (4 мл) для равномерного смешивания. материал.Обработку ультразвуком (Vibra Cell, Sonics and Materials, Inc.) проводили как непрерывный процесс в течение примерно 1 ч с контейнером для образца, помещенным в водяную баню. Сначала катоды изготавливались из пасты методом «наложения и прессования», а затем с использованием процесса ультразвуковой обработки. Следовательно, этот процесс можно назвать «ультразвуковой обработкой и прессованием».

Изготовление литий-воздушной аккумуляторной батареи с использованием синтезированного электролита HBP

Подготовка литиевого анода и сепаратора

Литиевая металлическая фольга (Li-foil) была приобретена у Aldrich. Поверхность лития очищали ножом и разглаживали между двумя листами бумаги для взвешивания. После очистки пробивали и использовали в качестве анода ⁷ / _{16 литиевых дисков диаметром} дюймов. В качестве сепаратора фильтровальную бумагу из стекловолокна Whatman GF / F перфорировали до дисков диаметром ½ дюйма и сушили в печи при 115 ° C в течение 2 дней перед переносом в перчаточный ящик.

Подготовка оборудования аккумуляторной батареи

Стержень из нержавеющей стали (диаметр ½ дюйма, длина 3 дюйма) был снабжен обжимным кольцом Swagelok из ПТФЭ и вставлен в штуцер из перфторалкокси (PFA) ½ дюйма.Внутри соединения между штоком и прокладкой из нержавеющей стали была помещена пружина из нержавеющей стали (диаметр 1/2 дюйма, толщина 0,01 дюйма). Трубка из нержавеющей стали (диаметром ½ дюйма, длиной 3 дюйма) была снабжена кольцом из ПТФЭ и вставлена ​​в другой конец соединения.

Литий-воздушная аккумуляторная батарея

в сборе

Несколько элементов литий-воздушной батареи были собраны в перчаточном боксе в атмосфере аргона. Шток и пружина были загружены в штуцер. Диск из литиевой фольги диаметром ⁷ / ₁₆ дюймов был помещен на распорку и сжат пластиковым шпателем для улучшения адгезии.Когда прокладка контактировала с пружиной, а литиевая фольга была обращена наружу, прокладка и литиевая фольга были загружены в соединение. Сепаратор диаметром ½ дюйма, заполненный электролитом НВР, помещали поверх литиевой фольги. Воздушный катод из углеродного композитного материала был помещен наверху сепаратора, за ним следовала трубка из нержавеющей стали. Соединение затягивалось вручную, а на другой конец трубки из нержавеющей стали помещалась резиновая пробка, прежде чем ячейка была извлечена из перчаточного ящика.

Экспериментальная оценка производительности литий-воздушной аккумуляторной батареи

Собранные элементы литий-воздушной батареи прошли экспериментальные испытания в различных условиях эксплуатации.

ARBIN 2000BT испытательная машина / оборудование аккумуляторных батарей с возможностью одновременного 12-канального тестирования аккумуляторных элементов / блоков. Духовка Fisher Scientific Isotemp использовалась для контроля температуры / влажности во время тестирования аккумуляторных элементов, а компьютер с установленным программным обеспечением MITS Pro компании ARBIN использовался для автоматического сбора экспериментальных данных. Экспериментальные данные были нанесены на график для различных условий и процессов, влияющих на производительность аккумуляторных элементов, как описано в разделе результатов и обсуждений ниже.

Результаты и обсуждения

Характеристика электролита HBP

Приготовленный электролит HPB охарактеризован с помощью FTIR и TGA анализа, чтобы убедиться, что в основной цепи HBP образуется ожидаемый термически стабильный гиперразветвленный полимер. FTIR-спектр HBP5 с концевыми карбонатными группами показан на рисунке 2. Из рисунка 2 мы можем видеть, что во время реакции образовался гиперразветвленный полимер, что можно четко увидеть по различным пикам компонентов электролита HBP по мере увеличения волнового числа.Спектр FTIR, представленный на Фигуре 2, показал, что интенсивность пика концевой группы Si-H по сравнению с интенсивностью участка C-H уменьшилась с образованием конечного HBP5. Со временем концевые группы Si-H могут гидролизоваться и стать гидрофильными, что сделает мембрану более гидрофильной. Было замечено, что во время реакции HBP с концевыми группами Si-H и фторуглерода с концевыми винильными группами 80% концевых групп Si-H превращались в концевые фторуглеродные группы, а оставшиеся концевые группы Si-H (20%) превращались в концевые триметоксисилановые группы. группы для сшивания HBP5 под действием влаги, как это видно на Фигуре 2.

Рис. 2. FTIR-спектр HBP5 с концевыми карбонатными группами (чистый).

На рис. 3 представлен ТГА-профиль гиперразветвленного полимера HBP5. Профили TGA представляют тепловое поведение и характеристики потерь / усиления материалов при термическом напряжении. Из рисунка 3 видно, что гиперразветвленный полимер HBP5 имеет термическую стабильность до 180 ° C с потерей массы электролита HBP5 <5%. Это указывает на то, что приготовленный электролит НВР сможет поддерживать хорошую ионную проводимость, а также будет термически стабильным при высокой температуре, до 200 ° C.Электропроводность приготовленных различных электролитов HBP измеряли в перчаточном боксе в атмосфере аргона с помощью кондуктометра.

Рис. 3. ТГА-профиль гиперразветвленного полимера HBP5.

В таблице 2 представлены результаты измерений электропроводности различных электролитов. Из таблицы 2 видно, что электролит на основе ионной жидкости является наименее проводящим из-за его относительно высокой вязкости и низкой растворимости литиевой соли. HBP с растворителями EC: DME имеет самую высокую проводимость, а HBP с PC - средним диапазоном проводимости.Измеренная проводимость различных электролитов, представленная в таблице 2, значительно улучшена / сопоставима с проводимостью, указанной в Minakshi et al. (2011), Verma et al. (2014) и Такада (2018). После определения характеристик электролитов HBP, литий-воздушные аккумуляторные элементы были собраны в перчаточном боксе в атмосфере аргона, и несколько литий-воздушных аккумуляторных элементов были изготовлены с подготовленными катодами, металлическим литиевым анодом и электролитами HBP, как указано в таблице 3. Изготовлено Ячейки были протестированы при различных свойствах ячеек и условиях эксплуатации ячеек, как обсуждается в следующих разделах.

Таблица 3. Литий-воздушные аккумуляторные элементы, изготовленные с использованием подготовленных катодов и подготовленных электролитов на основе HBP5, и измеренная емкость элемента.

Влияние источника углерода на емкость ячейки

Продукты разряда литий-воздушных аккумуляторов осаждаются на поверхности углеродного материала, так как они не растворяются в органических электролитах. Известно, что количество продукта разряда, которое может поглотить катод, напрямую зависит от емкости аккумуляторного элемента.Следовательно, емкость аккумуляторного элемента в значительной степени зависит от площади поверхности и объема пор углеродного материала. В этом исследовании мы исследовали Ketjen black 600JD (кДж) и C65 в качестве источника углерода, и некоторые из их свойств перечислены в таблице 4. КДж считается большой площадью поверхности (1,400 м ² / г) и большим объемом пор. (2,47 см ³ / г) источник углерода, в то время как C65 рассматривается как источник углерода с низкой площадью поверхности (62 м ² / г) и низким объемом пор (0,32 см ³ / г), как видно из таблицы 4.Размер пор для обоих источников углерода почти одинаков / сопоставим, как видно из таблицы 4.

Таблица 4. Измеренная площадь поверхности и объем пор углеродов KJ и C65.

Литий-воздушные аккумуляторные элементы

с использованием двух различных углеродных катодов были подготовлены и экспериментально протестированы для изучения влияния источника углерода на характеристики аккумуляторных элементов. На рис. 4 представлены профили разряда аккумуляторных элементов с катодом на основе KJ и с катодом на основе C65, имеющим одинаковый уровень углеродной нагрузки.Из рисунка 4 видно, что аккумуляторный элемент на базе C65 показывает одновременно вогнутую и выпуклую форму кривой разряда «U» вместо плоской. Физическое объяснение этого типа профиля разряда требует дальнейшего исследования характеристик углерода C65, особенно сопротивления при контакте с материалами батареи. С другой стороны, аккумуляторная батарея на основе KJ, как и ожидалось, демонстрирует плоский профиль линии разряда. Он показал, что катоды на основе KJ могут иметь значительно большую емкость, чем у катодов на основе C65.

Рис. 4. Профили разряда воздушно-литиевого аккумуляторного элемента (элемент № 51C в таблице 3) при токе разряда 0,1 мА (т. Е. 50 мА / г) с катодом на основе кДж и воздушно-литиевым аккумуляторным элементом (элемент № 59C в Таблица 3) с катодом на основе C65, имеющим такой же уровень углеродной нагрузки.

Влияние электролитов HBP на характеристики аккумуляторных элементов

Несколько элементов литий-воздушной аккумуляторной батареи были изготовлены с катодом того же типа, но с другим составом электролитов НВР, чтобы выяснить влияние электролитов НВР на характеристики аккумуляторных элементов.На рис. 5 представлены изготовленные профили разряда ячеек литий-воздушной аккумуляторной батареи для различных электролитов на основе HBP. Из рисунка 5 видно, что элементы с HBP с 1,0 M LiTFSI в ПК в качестве электролита показали очень низкую или небольшую емкость (синяя линия, замаскированная сплошным квадратом) и, следовательно, не работали должным образом. Кроме того, напряжение холостого хода (OCV), создаваемое электролитом, HBP с 1,0 M LiTFSI в ПК, было очень низким - всего 2,7 В. Характеристики материала ПК могут быть причиной плохих характеристик этого типа электролита HBP.Однако из рисунка 5 видно, что аккумуляторная ячейка с HBP и 1,0 M LiTFSI в электролите EC: PC 1: 1 показала (черная линия замаскирована сплошным кружком) плоские кривые разряда и гораздо лучшую производительность. Батарейный элемент с HBP с 1,0 M LiTFSI в соотношении EC: DME 1: 1 (черная линия, замаскированный сплошным прямоугольником) показал очень низкую емкость, как видно из рисунка 5, из-за летучей природы DME, поскольку на нем не использовались мембраны. эта ячейка. Из рисунка 5 также видно, что электролит HBP с 1.0 M LiTFSI в TEGDME (красная линия, замаскированная открытым ромбиком) показал гораздо лучшие характеристики среди всех электролитов на основе HBP. Эксплуатационные характеристики аккумуляторного элемента с электролитом на основе простого эфира (черная линия, замаскированная сплошным кружком) были сопоставимы с характеристиками электролита на основе карбоната (красная линия, замаскированная открытым ромбиком), как видно из рисунка 5.

Рис. 5. Профили разряда изготовленных ячеек литий-воздушной батареи при токе разряда 0,1 мА (эквивалент 50 мА / г) с различными электролитами: HBP с 1.0 M LiTFSI в 1: 1 EC: PC (ячейка № 51B), HBP с 1,0 M LiTFSI в ПК (ячейка № 51E), HBP с 1,0 M LiTFSI в 1: 1 EC: DME (ячейка № 59E) и HBP с 1,0 M LiTFSI в TEGDME (ячейка № 64C). Все катоды этих ячеек изготовлены на основе кДж и имеют одинаковую рецептуру.

Влияние катодного процесса на емкость аккумуляторной батареи

В этом исследовании были опробованы три различных катодных процесса, чтобы найти лучший. Обработка ультразвуком и ультразвуковая обработка использовались для лучшего перемешивания материала и для лучшего проникновения пасты в поры пены никеля.На рисунке 6 представлены профили разряда аккумуляторных элементов с различными катодными процессами. Из рисунка 6 видно, что аккумуляторный элемент, изготовленный с помощью катодного процесса «смешивания и обработки ультразвуком» (синяя линия, залитый сплошным ромбиком), показал гораздо более низкие разрядные характеристики, а также меньшую емкость (см. Таблицу 3), чем характеристики аккумуляторного элемента. с катодной обработкой путем «наложения и нажатия» (черная линия замаскирована сплошным кружком).

Рисунок 6. Профили разряда аккумуляторных элементов при 0.Разрядный ток 1 мА (т.е. 50 мА / г) с различными катодными процессами: «наложение и нажатие» (ячейка № 51B), «смешивание и обработка ультразвуком» (ячейка № 64A) и «обработка ультразвуком и прессование» (ячейка № 78C).

Возможная причина такой низкой производительности процесса «смешивания и обработки ультразвуком» может быть связана с ослабленным электрическим контактом между углеродом и металлом, поскольку прессование не применялось. Для дальнейшего улучшения характеристик аккумуляторных элементов мы сделали еще одну попытку лучше перемешать пасту на катоде, используя метод «обработки ультразвуком».Из рисунка 6 видно, что элемент батареи с катодной обработкой «ультразвуком», показанный черной линией, замаскированной сплошным прямоугольником, был способен почти равномерно разряжаться более чем в два раза по сравнению с двумя другими катодными процессами. Это означает, что разрядная емкость аккумуляторного элемента значительно улучшилась при использовании катодного процесса «ультразвуковой обработки» по сравнению с двумя другими катодными процессами - нанесением и прессованием, а также смешиванием и обработкой ультразвуком. Повышение эффективности разряда и емкости аккумуляторных элементов произошло благодаря тому, что процесс ультразвуковой обработки помогает катализатору более равномерно диспергироваться на поверхности углеродного материала аккумуляторного элемента.Равномерное распределение катализатора способствует эффективному протеканию электрокинетической реакции аккумуляторного элемента и, следовательно, повышению разрядных характеристик аккумуляторного элемента.

Влияние тока разряда на производительность элемента

Ток разряда аккумуляторной батареи существенно влияет на ее емкость. Чтобы оценить влияние тока разряда на характеристики элемента и емкость элемента, мы протестировали изготовленный элемент воздушно-литиевой аккумуляторной батареи с различными значениями тока разряда. На рисунке 7 представлены характеристики аккумуляторных элементов при разном токе разряда.Из рисунка 7 видно, что характеристики элемента являются лучшими при токе разряда 0,1 мА (т.е. 50 мА / г). Кроме того, когда ток разряда увеличивается с 0,1 до 0,2 мА и 0,5 мА, характеристики элемента значительно снижаются, как видно из рисунка 7. Более того, из таблицы 3 можно найти, что при токе разряда 0,1 мА (ячейка № 78C) После этого разрядная емкость аккумуляторного элемента составила 2620 мАч / гС. При увеличении тока разряда аккумуляторного элемента до 0,2 мА емкость аккумуляторного элемента уменьшилась до 1261 мАч / гС (элемент № 78D).Дальнейшее увеличение тока разряда аккумуляторного элемента до 0,5 мА привело к уменьшению емкости аккумуляторного элемента до 397 мАч / gC (элемент № 78E). Результаты, представленные на Рисунке 7, Таблице 3, показывают, что элемент литий-воздушной батареи будет иметь лучшую производительность и емкость при низком токе разряда элемента, таком как разряд элемента при 0,1 мА (т. Е. 50 мА / г).

Рис. 7. Профили разряда одной партии ячеек Li-air при разных уровнях тока разряда: 0,1 мА (элемент № 78C), 0,2 мА (элемент № 78D) и 0.5 мА (ячейка 78E).

Оптимизация материалов аккумуляторных элементов и оценка производительности

Принимая во внимание влияние катодных процессов, характеристик электролита и типа источника углерода на характеристики элемента литий-воздушной аккумуляторной батареи, был разработан оптимизированный процесс изготовления элемента аккумуляторной батареи, и три элемента литий-воздушной батареи были изготовлены с использованием оптимизированного катодного материала, источник углерода и электролит HBP внутри перчаточного ящика. Оптимизированные характеристики аккумуляторных элементов были экспериментально оценены в реальных условиях эксплуатации, и была проверена воспроизводимость изготовления аккумуляторных элементов с использованием тех же материалов электролита, анода и катода.На рисунке 8 представлены экспериментальные результаты трех.

Рис. 8. Первые профили разряда трех оптимизированных аккумуляторных элементов, которые были приготовлены из одной партии оптимизированного катода, электролита HBP и анодного материала при токе разряда 0,1 мА.

оптимизированных элементов литий-воздушной аккумуляторной батареи при токе разряда 0,1 мА (т. Е. 50 мА / г). Из рисунка 8 видно, что все три оптимизированных аккумуляторных элемента были способны разряжаться более 55 часов, то есть заряд оставался в аккумуляторном элементе более двух дней при более чем 2.5 V. Результаты, представленные на Рисунке 8, хорошо согласуются с результатами, представленными Wang et al. (2019). Из рисунка 8 видно, что отличная воспроизводимость характеристик трех оптимизированных аккумуляторных элементов наблюдается до 55 часов работы от аккумулятора. Из рисунка 8 также было замечено, что ячейка 2 и ячейка 3 могли продолжать разряд до 65 часов при напряжении 2,5 В или выше, чем ячейка 1. В нем указано, что оптимизированный процесс изготовления аккумуляторных элементов может быть использован для массового производства литий-воздушных аккумуляторов в течение определенного количества часов работы от аккумуляторов перед помещением аккумуляторного элемента в зарядную док-станцию.

Оптимизированные катодные и анодные материалы были дополнительно очищены после процесса ультразвуковой обработки, описанного выше, и электролит HBP был дополнительно промыт 1,0 M LiTFSI. Усовершенствованные оптимизированные литий-полимерные аккумуляторные материалы были использованы для изготовления литий-воздушной аккумуляторной батареи с использованием аппаратного обеспечения аккумуляторной батареи и в соответствии с процедурой сборки аккумуляторного элемента, описанной выше. На рисунке 9 представлены результаты экспериментальных циклов разряд-заряд воздушно-литиевого аккумуляторного элемента с улучшенными оптимизированными материалами аккумулятора.Из рисунка 9 видно, что после доработки элемент литий-воздушной аккумуляторной батареи мог разряжаться в течение примерно 250 часов, то есть более 10 дней при первом разряде, а время последующего разряда сократилось. Результаты, представленные на Рисунке 9, показывают лучшую производительность литий-воздушной аккумуляторной батареи, чем результаты, представленные в Asadi et al. (2018) для разных циклов батареи. Сравнивая результаты, представленные на рисунках 8, 9, можно обнаружить, что время первой разрядки значительно увеличивается в воздушно-литиевом аккумуляторном элементе с улучшенными оптимизированными материалами аккумулятора.Время зарядки литий-воздушной аккумуляторной батареи также сокращается по мере увеличения цикла разрядки-зарядки аккумулятора. Это означает, что сопротивления материалов литиево-воздушных элементов аккумуляторной батареи могут увеличиваться после первой разрядки и накапливаться в дальнейшем внутри аккумуляторного элемента в последующих циклах, как это видно на Рисунке 9. Дальнейшие исследования необходимы для расшифровки характеристик внутреннего сопротивления литий-ионных аккумуляторов. -материалы воздушных аккумуляторов во время циклов разряд-заряд - в будущем исследовании.

Рисунок 9.Циклы разряд-заряд (13 циклов) с током 0,1 мА усовершенствованного оптимизированного литий-воздушного аккумуляторного элемента, который был приготовлен из усовершенствованного оптимизированного катода, электролита HBP и анодных материалов.

Выводы

Электролит на основе сверхразветвленного полимера был синтезирован, охарактеризован и экспериментально оценен его эффективность в реальном воздушно-литиевом аккумуляторном элементе с кислородопроницаемым воздушным катодом. Были исследованы подробные процедуры синтеза гиперразветвленного полимерного электролита, процессы приготовления кислородопроницаемого воздушного катода и изготовление реальных литий-воздушных аккумуляторных элементов.Реальные действующие литий-воздушные аккумуляторные элементы были изготовлены с использованием синтезированного электролита HBP, воздушного катода и металлического лития в качестве анода. Изготовленные литий-воздушные аккумуляторные элементы были экспериментально испытаны в сухом воздухе и оценили влияние различных условий и процессов. Батарейный элемент также был оценен экспериментально, чтобы оценить влияние различных токов разряда, 0,1–0,5 мА, на характеристики элемента батареи. Экспериментальные результаты работы аккумуляторных элементов показали, что на разрядные характеристики воздушно-литиевых аккумуляторных элементов значительно влияют различные условия и процессы.Принимая во внимание влияние различных условий и процессов, был разработан оптимизированный процесс изготовления аккумуляторных элементов и изготовлены три воздушно-литиевых аккумуляторных элемента с использованием одних и тех же оптимизированных материалов анода, катода и электролита для проверки воспроизводимости и производительности литий-воздушных аккумуляторных элементов. . Результаты экспериментов показали, что все три оптимизированных аккумуляторных элемента были способны разряжаться более 2 дней при напряжении элемента или более 2,5 В при токе разряда 0,1 мВ, то есть заряд литий-воздушного элемента аккумулятора оставался более 2 дней при более чем 2.5В. Кроме того, было также обнаружено, что два из аккумуляторных элементов (cell2 и cell3) из трех оптимизированных аккумуляторных элементов были способны продолжать разряжаться до 65 часов при напряжении 2,5 В. или выше. Это означало, что отличная воспроизводимость литий-воздушной батареи производительность элементов может быть достигнута с помощью оптимизированных материалов элементов аккумуляторной батареи. Результаты экспериментов с воздушно-литиевым аккумуляторным элементом с дальнейшим усовершенствованием оптимизированных материалов аккумуляторного элемента показали, что аккумуляторный элемент может разряжаться более 10 дней при 2 или более.0 В, и по мере увеличения цикла разряд-заряд время разряда воздушно-литиевой батареи сокращается из-за увеличения внутреннего сопротивления материалов аккумуляторных элементов. Выяснилось, что при использовании оптимизированного процесса изготовления аккумуляторных элементов и материалов массовое производство литий-воздушных аккумуляторов может быть достигнуто в течение определенного количества часов работы аккумуляторных элементов.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, использованные в этой статье, были получены в результате расследования и доступны по запросу.

Взносы авторов

SD и AS придумали идею и провели эксперименты. SD и AS совместно описывают синтез и характеризуют материалы батареи, а также проводят эксперименты. С.Д. проанализировал данные и написал рукопись. KB поддержал сбор экспериментальных данных.

Финансирование

Эта работа выполняется при финансовой поддержке Министерства энергетики США (DOE) - номер гранта DE-EE0003109.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Список литературы

Асади, М., Саяпур, Б., Аббаси, П., Нго, А. Т., Карис, К., Джокисаари, Дж. Р. и др. (2018). Литий-кислородная батарея с длительным сроком службы в воздушной атмосфере. Nature 555, 502–506. DOI: 10.1038 / природа25984

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Битти, С. Д., Манолеску, Д. М., и Блэр, С. Л. (2009). Литий-воздушные катоды большой емкости. J. Electrochem. Soc. 156, A44 – A47. DOI: 10.1149 / 1.3005989

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен, Л.Y., Guo, X. W., Han, J. H., Liu, P., Xu, X. D., Hirata, A., et al. (2015). Нанопористые гибридные материалы металл / оксид для литий-кислородных аккумуляторных батарей. J. Mater. Chem. А 3, 3620–3626. DOI: 10.1039 / C4TA05738D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дас, С. К., и Абхиджит, С. (2016). «Синтез и оценка характеристик твердого электролита и воздушного катода для перезаряжаемой воздушно-литиевой батареи», в Proceedings. 14-я Международная конференция по науке, технике и технологиям топливных элементов ASME.(Шарлотта, Северная Каролина: Батареи и накопители энергии), 1-7. DOI: 10.1115 / FUELCELL2016-59448

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дас, С. К., Цзяньфанг, К., Салма, Р., и Абхиджит, С. (2016). Синтез, характеристика и оценка рабочих характеристик усовершенствованного твердого электролита и воздушного катода для перезаряжаемых литий-воздушных батарей. J. Mater. Sci. Chem. Англ. 4, 74–89. DOI: 10.4236 / msce.2016.41012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гиришкумар, Г., Макклоски, Б., Лунц, А.С., Суонсон, С., и Уилке, В. (2010). Литий-воздушная батарея: перспективы и проблемы. J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193–2203. DOI: 10.1021 / jz1005384

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Юнг, Х. Г., Хассун, Дж., Парк, Дж. Б., Сан, Ю. К., и Скросати, Б. (2012). Улучшенная высокопроизводительная литий-воздушная батарея. Nat. Chem. 40, 579–585. DOI: 10.1038 / nchem.1376

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ф., Китаура Х. и Чжоу Х.(2013). Погоня за перезаряжаемыми твердотельными литий-воздушными батареями. J. Ener. Environ. Sci. 6, 2302–2311. DOI: 10.1039 / c3ee40702k

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Макклоски, Б. Д., Бетюн, Д. С., Шелби, Р. М., Гиришкумар, Г., и Лунц, А. К. (2011). Критическая роль растворителей в электрохимии неводных литий-кислородных аккумуляторов. J. Phys. Chem. Lett. 2, 1161–1166. DOI: 10.1021 / jz200352v

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Минакши, М., Притам, С., Шарма, Н., Блэкфорд, М., Ионеску, М. (2011). Извлечение лития-вставка из / в LiCoPo4 в водных батареях. Ind. Eng. Chem. Res. 50, 1899–1905. DOI: 10.1021 / ie102267x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пистойя, Г. (2005). Аккумуляторы для портативных устройств. Лондон: Эльзевир.

Google Scholar

Редди, Л. Д. (2002). Справочник батарей. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Макгроу Хилл.

Google Scholar

Скросати, Б., Хассун, Дж., И Сан, Ю. К. (2011). Литий-ионные аккумуляторы - взгляд в будущее. J. Ener. Envir. Sci. 4, 3287–3295. DOI: 10.1039 / c1ee01388b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Такада, К. (2018). Прогресс в области твердых электролитов в направлении создания твердотельных литиевых батарей. J. Power Sour. 394, 74–85. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.05.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тан, П., Цзян, Х. Р., Чжу, X. Б., Ан, Л., Юнг, К. Ю., Ву, М.C., et al. (2017). Достижения и проблемы в литий-воздушных батареях. J. Appl. Энергия. 204, 780–806. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2017.07.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Верма М. Л., Минакши М. и Сингх Н. К. (2014). Синтез и характеристика твердого полимерного электролита на основе активированного угля для твердотельного конденсатора. Электрохим. Acta. 137, 497–509. DOI: 10.1016 / j.electacta.2014.06.039

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, К., Се, З., и Чжоу, З. (2019). Литий-воздушные батареи: проблемы сосуществуют с возможностями. APL Mater. 7, 040701–040712. DOI: 10,1063 / 1,50

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Д., Сяо Дж., Сюй В. и Чжан Дж. Г. (2010). Литий-воздушные батареи карманного типа большой емкости. J. Electrochem. Soc. 157, A760 – A764. DOI: 10,1149 / 1,3414828

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, B., Wang, S., Lochala, J., Desrochers, D., Liu, B., Zhang, W., и другие. (2018). Роль межфазного слоя твердого электролита в предотвращении роста дендритов лития в твердотельных батареях. Ener. Environ. Sci. 11, 1803–1810. DOI: 10.1039 / C8EE00540K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, Дж. Г., Ван, Д., Сюй, В., Сяо, Дж., И Уиллифорд, Р. Э. (2010). Работа от литий-воздушных аккумуляторов в условиях окружающей среды. J. Источники энергии. 195, 4332–4337. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.01.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Жанга, Р.Х., Чжаоа, Т.С., Цзян, Х.Р., Ву, М.С., и Цзэн, Л. (2019). Композитные нанопроволоки V2O5-NiO: новый и высокоэффективный безуглеродный электрод для неводных литий-воздушных аккумуляторов, работающих в окружающем воздухе. J. Источники энергии. 400, 76–85. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2018.10.098

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Zheng, J.P., Liang, R.Y., Hendrickson, M., and Plichta, E.J. (2008). Теоретическая плотность энергии литий-воздушных аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 155, A432–437. DOI: 10.1149 / 1,2

1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Монокристалл литий-ионного проводящего оксида в качестве твердого электролита для передовых литиевых батарей

В последнее время активно проводятся исследования и разработки полностью твердотельных вторичных литий-ионных аккумуляторов (LIB) в качестве аккумуляторов следующего поколения, чтобы реализовать высокую плотность энергии, высокую плотность мощности и высокую безопасность ^1,2,3 . Полностью твердотельные LIB, использующие негорючие неорганические твердые электролиты, включая оксиды и сульфиды, превосходят по безопасности существующие LIB, использующие легковоспламеняющиеся органические жидкие электролиты.Кроме того, в неорганических твердых электролитах можно использовать материалы положительного электрода с высоким потенциалом, которые нельзя было использовать из-за разложения органического электролита. Также существует возможность использования металлического лития, у которого возникла проблема с коротким замыканием. Кроме того, неорганические твердые электролиты негорючие, как жидкие органические электролиты. Хотя эти представления широко поддерживаются, неорганические твердые электролиты еще не нашли практического применения, поскольку литий-ионная проводимость ниже, чем у органических жидких электролитов.По этой причине практические неорганические твердые электролиты в настоящее время активно развиваются при разработке твердотельных LIB. В неорганических твердых электролитах стекло и кристаллические сульфиды обладают высокой литий-ионной проводимостью ^4,5 , но они имеют риск образования сероводорода при воздействии воздуха. Кроме того, металлический литий нельзя было использовать в качестве анода из-за его реакционной способности с сульфидными твердыми электролитами. Напротив, оксидные твердые электролиты обладают превосходной безопасностью, но литий-ионная проводимость (10 ⁻⁴ См · см ⁻¹ ) на порядок ниже, чем сульфидная проводимость ^{6,7,8,9,10,11 , 12,13,14,15,16} .Мы начали разработку полностью твердотельных LIB с использованием оксидных твердых электролитов в целях безопасности. В оксидных электролитах хорошо известными каркасными структурами-хозяевами являются перовскитовый тип ⁶ , NASICON -тип ⁷ и гранатовый тип ^{8,9,10,11,12,13,14,15,16} . Мы сосредоточились на оксиде типа граната, который демонстрирует самую высокую общую литий-ионную проводимость среди оксидных электролитов. Кроме того, оксидный электролит типа граната имеет широкое окно электрохимического потенциала и действительно подходит для создания аккумуляторных систем с высокой плотностью энергии, использующих комбинацию катода класса 5 В и металлического литиевого анода.Среди оксидных соединений типа граната Li _{7 − x} La ₃ Zr _{2 − x} Nb _x O ₁₂ (LLZNb) ^8,9 и Li _{7 − x} La ₃ Zr _{2 − x} Ta _x O ₁₂ (LLZTa) ^10,11,12 , в котором часть циркониевого центра в Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ (LLZ) ^13,14,15 заменены ниобием и / или танталом, очень привлекательны, потому что они имеют самую высокую литий-ионную проводимость и широкое окно потенциалов.В последнее время появилось много сообщений о том, что LLZ твердого электролита гранатового типа, частично замещенного Ga и / или Sc и Al, имеет высокую ионную проводимость, составляющую 10 ^-3 порядка ^17,18,19 . Кроме того, сообщалось, что пространственная группа изменяется с обычного Ia-3d на I-43d в системе, в которой Ga замещен, в результате подробного анализа структуры монокристалла ²⁰ . Однако у оксидных электролитов гранатового типа есть серьезные проблемы с улучшением.Одним из них является дальнейшее улучшение указанной выше проводимости по ионам лития при комнатной температуре. Другой - внутренние короткие замыкания при зарядке ³ . В поликристаллическом оксидном электролите типа граната дендриты металлического лития легко прорастают через пустоты или примеси на границах зерен спеченного тела, что вызывает серьезные внутренние короткие замыкания в системе батарей ^9,10,12,21 . Чтобы решить эту проблему, необходимо улучшить спеченную плотность поликристаллического тела.В конечном итоге желательно использовать монокристаллическое тело, потому что относительная плотность монокристаллов составляет 100% (то есть нет пустот). Кроме того, поскольку в логическом монокристаллическом теле нет пустот или границ зерен, можно производить электролит только с объемной проводимостью. Однако только очень мелкие монокристаллы (размер LLZ менее 1 мм) были получены в литературе методом флюса или высокотемпературного нагрева, а электрохимические свойства массивных оксидных соединений типа граната еще не определены ^{14 , 15,16} .В общем, несколько крупных монокристаллов неорганических функциональных материалов размером в дюйм могут быть изготовлены с использованием технологии выращивания из расплава, такой как метод Чохральского (CZ) и метод плавающей зоны (FZ). Однако нет сообщений о высокотемпературной фазовой диаграмме LLZNb. Кроме того, следует принять дополнительные меры для предотвращения разложения структуры граната из-за улетучивания лития из расплава. Поэтому мы сначала попытались вырастить крупные монокристаллы LLZNb методом зонной плавки с использованием аппарата FZ.Кроме того, мы исследовали подробные химические, структурные и электрохимические свойства LLZNb на монокристаллических образцах. Наконец, мы продемонстрировали производительность полностью твердотельных литиевых батарей с использованием монокристаллического электролита.

Для получения монокристаллических стержней сантиметрового размера из Li _{7 − x} La ₃ Zr _{2 − x} Nb _x O ₁₂ (x = 0,2, 0,35, 0,45, 0,5, 0,6, 0.8) оптимизировали условия роста методом ФЗ.В последующих экспериментах по выращиванию кристаллов мы использовали питающие стержни с 20% избыточным содержанием лития. Даже в этих случаях нельзя было стабилизировать зону плавления, вероятно, из-за того, что слишком много лития улетучивалось при высоких температурах. Поэтому мы перемещали подающий стержень на более высокой скорости с более высокой скоростью вращения в потоке воздуха, чтобы стабилизировать зону плавления.

На рисунке 1 (а) показан типичный монокристаллический стержень из Li _6,5 La ₃ Zr _1,5 Nb _0,5 O ₁₂ (LLZNb05) диаметром около 8 мм и длиной 60 мм.Рисунок 1 (b) показывает типичную монокристаллическую пластину, отполированную на поверхности и внешней периферии после вырезания из монокристаллического стержня. Размер составляет около 6 мм в диаметре и 0,7 мм в толщину. Основная часть кристалла была бесцветной и прозрачной, а внешняя часть кристалла была мутной, но прозрачной. На рис. 2 представлена ​​дифракция рентгеновских лучей монокристаллической пластины на двухосном рентгеновском дифрактометре. Этот рисунок показывает, что направление роста кристаллов было <332>. Из уточнения структуры в последнем разделе ясно, что плоскость решетки {332} соответствует плоскости, которая пересекает путь диффузии ионов лития в каркасной структуре типа граната.На рис. 3 показано изображение поверхности монокристаллической пластины, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). На поверхности кристалла наблюдались только полировальные царапины; пустот и границ зерен не наблюдалось. Химический анализ с помощью ICP-AES с использованием приблизительно 50 мг кристаллов определил, что атомное соотношение Li: La: Zr: Nb составляет 6,5: 3: 1,5: 0,5.

Рисунок 1

( a ) Монокристаллический стержень LLZNb05 после выращивания и ( b ) полированная монокристаллическая пластина LLZNb05.

Рисунок 2

Дифракция рентгеновских лучей монокристаллической пластины на двухосном рентгеновском дифрактометре.

Рисунок 3

Фотография поверхности монокристаллической пластины, полученная с помощью растрового электронного микроскопа.

Хотя структура типа кубического граната хорошо известна как пространственная группа Ia-3d, следует отметить, что настоящие значения интенсивности дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах обнаруживают слабые отражения, которые не подчиняются правилу экстинкции Ia-3d. пространственная группа, как показано на рис.4. Что касается индексов, не соответствующих правилу поглощения, космическая группа была подтверждена путем исследования подробных данных об интенсивности с помощью четырехкружного дифрактометра, имеющего сцинтилляционный счетчик. На рис. 4 (a, b) показаны линейные развертки h00, в которых h сканируется от -8,5 до 8,5 с шагом 0,05, и линейные развертки hk 0, в которых h и k сканируются от -8,5 до 8,5 с h = k. Когда правило экстинкции Ia-3d составляет h = 4 n при h00, и оба h и k с h = k четны при hk0, наблюдается интенсивность. Как видно из Дополнительного Рис.S3 видно, что интенсивность наблюдается при h = 2 n при h 00 и h + k = 2 n при hk 0 (пик отмечен звездочками на дополнительном рис. S3). Кроме того, эти отражения наблюдались также при дифракции нейтронов на монокристалле. Учитывая пространственную группу, которая удовлетворяет всем наблюдаемым отражениям, для настоящего монокристаллического образца следует выбрать пространственную группу I2 ₁ 3. Эта космическая группа ранее была описана в гранате типа Li ₅ La ₃ Ta ₂ O ₁₂ ¹⁶ .Очень интересно отметить, что монокристаллический образец Li ₅ La ₃ Ta ₂ O ₁₂ также был синтезирован при высокой температуре (1673 K). В последующем уточнении структуры мы выбрали пространственную группу Ia-3d из-за очень низкой интенсивности дополнительных отражений (1/1000 основных отражений).

Рисунок 4

( a ) сканирование строки h00, в котором h сканируется от -8,5 до 8,5 с шагом 0,05. ( b ) Сканирование строки hk0, в котором h и k сканируются от -8.От 5 до 8,5 с h = k. Отражения, отмеченные звездочкой, указывают на отражения, которые не подчиняются правилу вымирания космической группы Ia-3d.

Каркасная структура, состоящая из многогранников LaO ₈ и (Zr, Nb) O ₆ в LLZNb05, была уточнена с использованием данных рентгеновской дифракции на монокристалле с указанными координатами атомов граната ¹⁴ . Затем определяли литиевые позиции с использованием карты разностного синтеза Фурье с данными рентгеновской дифракции монокристалла и данных нейтронной дифракции.Карты разностного синтеза Фурье показаны на рис. 5. Разностные синтезы Фурье с использованием окончательных атомных параметров не выявили значимых остаточных пиков. Полученные значения надежности составили R = 4,25% и wR = 5,82% для данных дифракции рентгеновских лучей на монокристалле и R = 7,09% и wR = 7,94% для данных дифракции нейтронов на монокристалле. В этом уточнении трудно определить коэффициент заполнения Zr и Nb, даже если рентгеновские лучи и нейтроны используются дополнительно, поэтому кристаллическая структура была уточнена с использованием фиксированного значения, определенного ICP-AES.Параметр решетки кристалла LLZNb05 уточнен методом наименьших квадратов с использованием данных дифракции одиночных рентгеновских лучей (a = 12.9130 (8) Å). Окончательные координаты атомов и параметры смещения атомов, определенные по данным дифракции нейтронов на монокристалле, перечислены в таблице 1. Выбранные расстояния связи показаны в таблице 2. Расстояние между Li 1 и Li 2 составляло 1,42 (9) Å. Утонченная кристаллическая структура показана на рис. 6. Химический состав был определен как Li _6.45 La ₃ Zr _1.5 Nb _0,5 O ₁₂ путем уточнения структуры настоящего изобретения, которое хорошо согласуется с химическим составом, полученным с помощью ICP-AES. Атомы Li занимают две промежуточные позиции, построенные каркасной структурой. Атомы Li1 и Li2 расположены в искаженной тетраэдрической 96-часовой позиции и в искаженной октаэдрической 96-часовой позиции. В твердом электролите типа граната позиция Li занята в пространстве (La ₃ Zr _1,5 Nb _0,5 O ₁₂ ) ^−6.5 каркасная структура, которая состоит из сайта A, образованного (Zr, Nb) O6, и сайта C, образованного LaO8. 96-часовой сайт, образующий искаженный тетраэдр, занятый ионом Li, представляет собой сайт, где 24d-сайты, образующие тетраэдрические сайты, разделяются на четыре сайта. С другой стороны, 96-часовой сайт, образующий искаженный октаэдр, занятый ионом Li, представляет собой сайт, где 48 g-сайты, образующие октаэдрические сайты, разделяются на два сайта. Поскольку два типа позиций Li разделены вместе, расстояние между ионами Li короче, чем обычно, что, как считается, способствует улучшению литий-ионной проводимости.Изменения в расположении ионов лития показаны на рис. 7. Этот результат свидетельствует о том, что расположение ионов лития отличается от такового в указанной структуре типа граната. Фактически, два типа атомов лития в кристаллической структуре занимали тетраэдрические позиции 24d и искаженные октаэдрические позиции 96 h в пространственной группе Ia-3d в предыдущем отчете ^14,15 . На разную степень разупорядочения сайта Li может влиять разная температура синтеза. В результате расстояния Li-Li в настоящей структуре были короче, чем в предыдущих отчетах.Короткое расстояние Li-Li, разупорядочение позиций Li и частичное заполнение атомов Li были описаны как ключевая роль диффузии ионов лития в структуре типа граната.

Рисунок 5

( a , b ) Показывает трехмерные карты разностного синтеза Фурье и (La ₃ Zr _1,5 Nb _0,5 O ₁₂ ) ^6,5- каркасная структура в Li _6,5 La ₃ Zr _1,5 Nb _0,5 O ₁₂ .Сплошная рамка указывает на элементарную ячейку. ( a ) Показывает распределение электронной плотности для порогового значения 0,45 Å ^-3 на карте, подготовленной на основе данных измерения дифракции рентгеновских лучей. ( b ) Показывает распределение плотности ядерных длин рассеяния для порогового значения 0,3 мкм Å ^-3 на карте, подготовленной на основе данных измерения дифракции рентгеновских лучей.

Таблица 1 Координаты атомов и эквивалентные параметры изотропного смещения (Å ² ) для LLZNb05, определенные с использованием данных дифракции нейтронов на монокристалле. Таблица 2 Выбранные расстояния связи (Å) для LLZNb05, определенные с использованием данных дифракции нейтронов на монокристалле. Рисунок 6

Кристаллическая структура Li _6,5 La ₃ Zr _1,5 Nb _0,5 O ₁₂ (LLZNb05).

Рисунок 7

Изменение расположения ионов лития для каждой модели. ( a ) Модель кристаллической структуры, в которой ионы Li имеют полностью упорядоченное расположение. ( b ) Модель кристаллической структуры, в которой часть Li-ионов имеет неупорядоченное расположение.Эта модель представляет собой наиболее известную кристаллическую структуру. ( c ) Модель кристаллической структуры, в которой ионы Li имеют полностью разупорядоченное расположение. Эта модель представляет собой наиболее известную кристаллическую структуру. Это модель кристаллической структуры, показанная в этой статье.

На рис. 8 (а) представлен график Найквиста импеданса переменного тока образцов монокристаллической пластины LLZNb05 при 298 К в атмосфере газового потока N ₂ . Хвостовая часть графика Найквиста на низкочастотной стороне указывает на блокировку электродов для подвижных ионов Li.Графики Найквиста на высокочастотной стороне демонстрируют поведение одного полукруга. Следовательно, в настоящих экспериментах проводимость не могла быть разделена на объемные и межзеренные границы. Значение Z '(Ом) на конце круга составляло 330,68 Ом при 298 К. Следовательно, общая литий-ионная проводимость в LLZNb05 составляла 1,39 × 10 ⁻³ См · см ⁻¹ при 298 К. Это Значение сравнимо с объемным компонентом, измеренным с использованием спеченного образца LLZNb05, хотя общая проводимость спеченного образца, как сообщалось, составляла 8.0 × 10 ⁻⁴ См ⁻¹ при 303 K ⁸ . Этот факт указывает на то, что настоящий монокристаллический образец действительно демонстрирует только объемную составляющую проводимости и не имеет характеристик границ зерен, таких как поликристаллические материалы. На рисунке 8 (b) представлена ​​взаимосвязь между литий-ионной проводимостью при 298 К и содержанием замещенного Nb в интервале составов Li _{7 − x} La ₃ Zr _{2 − x} Nb _x O ₁₂ с x = 0.2, 0,35, 0,45, 0,5, 0,6 и 0,8. Из этого рисунка можно понять, что литий-ионная проводимость была максимальной при содержании Nb x = 0,5. На рисунке 8 (c) представлен график зависимости между проводимостью ионов лития и температурой образцов монокристаллических пластин LLZNb05 в диапазоне температур от 253 K до 313 K. Энергия активации была определена как 0,45 эВ из средней скорости изменение графика Аррениуса (Ln (σT) vs 1 / T). Даже в монокристаллических образцах с разным количеством замещения ниобием измеренная энергия активации находилась в диапазоне от 0.От 40 эВ до 0,45 эВ.

Рисунок 8

( a ) Импеданс переменного тока График Найквиста образца монокристаллической пластины LLZNb05 при 298 К в атмосфере N ₂ . ( b ) Связь между литий-ионной проводимостью при 298 K и содержанием замещенного Nb в диапазоне составов Li _{7 − x} La ₃ Zr _{2 − x} Nb _x O ₁₂ с x = 0,2, 0,35, 0,45, 0,5, 0,6 и 0,8. ( c ) Зависимость между проводимостью ионов лития и температурой образца монокристаллической пластины LLZNb05.

На рисунке 9 показано измерение поляризации постоянного тока образцов монокристаллической пластины LLZNb05 при 298 K с двумя золотыми блокирующими электродами. При использовании золотых блокирующих электродов ток сначала уменьшается со временем из-за поляризации, а затем становится почти постоянным. Из рис. 9 результат расчета электронной проводимости составил 7,1 · 10 ⁻⁶ См · см ⁻¹ . Следовательно, электронная проводимость очень мала, и скорость ее переноса оценивается как 0.55%. Данные эксперимента по короткому замыканию для симметричных ячеек Li / LLZNb05 / Li при 298 K, полученные путем измерения поляризации постоянного тока, показаны на рис. 10. Этот результат предполагает, что монокристаллическая пластина LLZNb05 функционирует как твердый электролит и разделитель без короткого замыкания. цепь до 0,5 мА см ^-2 , и реакция растворения и осаждения металлического лития обратимо повторяется. Это означает, что образовавшийся дендрит не проникал в твердый электролит, потому что монокристаллическая пластина была очень плотной.Как видно из рис. 10, короткого замыкания не наблюдается, но поведение напряжения нестабильно при 0,4 мА · см ^–2 и более. Этой нестабильной причиной может быть контакт на границе раздела из-за осаждения и десорбции лития. Кроме того, проводимость, оцененная по поляризации постоянного тока при 0,1 мА / см ^-2 , составила 1,0 · 10 ^-3 См · см ^-1 . Это значение ниже, чем общая проводимость 1,4 · 10 ⁻³ См · см ⁻¹ , полученная путем измерения импеданса переменного тока. На рисунке 11 показаны результаты измерения импеданса переменного тока симметричной ячейки Li / LLZNb05 / Li до и после измерения поляризации постоянного тока при 298 К.Полное сопротивление симметричной ячейки Li / LLZNb05 / Li увеличилось примерно на 600 Ом · см перед экспериментом по поляризации постоянного тока и примерно на 800 Ом · см после эксперимента по поляризации постоянного тока. Если симметричная ячейка замкнута накоротко, сопротивление будет небольшим, поэтому дуга импеданса переменного тока должна быть меньше.

Рис. 9

Измерение поляризации постоянного тока образца монокристаллической пластины LLZNb05 при 298 K с двумя золотыми блокирующими электродами.

Рисунок 10

Измерение поляризации постоянного тока на симметричных элементах Li / LLZNb05 / Li при 298 К.

Рисунок 11

Измерение импеданса по переменному току симметричной Li / LLZNb05 / Li ячейки до и после измерения поляризации постоянного тока при 298 К.

На рисунке 12 представлены циклические характеристики испытаний заряда и разряда для Li / LLZNb05 / LiCoO ₂ ячейка при напряжениях от 3,1 до 4,0 В при постоянной плотности тока 8,8 мкА · см ⁻² при 333 К. Кулоновская эффективность каждого цикла составляла 1-й 98,4%, 2-й 88,7, 3-й 92,0%, 4-й 93,5%, 5-й 94,1%, 6 место 95,3% соответственно.Считается, что емкость батареи мала, потому что верхний предел напряжения отсечки составляет 4,0 В. Хотя батарея того времени имеет много проблем, потому что она состоит только из активного материала для положительного электрода, мы думаем, что многие проблемы можно решить, если использовать сочетание твердого электролита и проводящего материала.

Рисунок 12

Характеристики циклического заряда-разряда для полностью твердотельной вторичной литиевой батареи Li / LLZNb05 / LiCoO ₂ при напряжении от 3.1 и 4,0 В (по сравнению с Li / Li ⁺ ) при плотности тока 8,8 мкА · см ⁻² при 353 К.

Патент США на электромобиль со встроенной аккумуляторной батареей Патент (Патент № 8,733,488, выданный в мае 27, 2014)

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к электромобилю, включающему в себя механизм для полной разрядки встроенного в него аккумуляторного блока.

2. Описание предшествующего уровня техники

Когда электромобиль погружается в воду и много воды течет во встроенный аккумуляторный блок, или когда из-за столкновения с транспортным средством аккумуляторный блок сломан и в нем протекает электролит, ток может протекать.В этом случае, когда вода или электролит остается внутри аккумуляторной батареи, существует опасность того, что оператор или подобное, перемещающее этот электромобиль, может получить электрический шок. Следовательно, аккумулятор должен быть полностью разряжен.

Когда аккумуляторный блок погружен в воду, сначала необходимо слить грязь или мутную воду, попавшую в него, а затем аккумуляторный блок снова наполнить водой и оставить до тех пор, пока аккумулятор полностью не разрядит электричество. А также, когда электролит протекает, после того, как электролит слит, вода заливается в аккумуляторную батарею, чтобы разрядить электричество в аккумуляторной батарее.В обоих случаях вода из аккумуляторной батареи сливается после разряда электричества.

Известен автомобильный аккумуляторный блок, имеющий механизм для слива вторгшейся воды. Этот аккумуляторный блок включает охлаждающее устройство для охлаждения аккумуляторных элементов. Охлаждающее устройство расположено по существу по центру транспортного средства в направлении его ширины и используется для циркуляции холодного воздуха внутри аккумуляторной батареи. В этом аккумуляторном блоке охлаждающее устройство включает слив для слива конденсированной воды.Для предотвращения обратного потока воды из слива на выходе слива предусмотрен обратный клапан.

Кроме того, принимая во внимание случай, когда аккумуляторная батарея разбирается для переработки, предоставляется аккумуляторная батарея, которая включает в своей соединительной части прорезь для направления инструмента. В этом аккумуляторном блоке несколько элементарных ячеек закрыты верхними и нижними элементами корпуса. Инструмент направляется вдоль прорези для прорезания крючка, зацепляющего верхний и нижний элементы корпуса друг с другом, благодаря чему единичные элементы могут быть извлечены из корпусов.

[Патентный документ 1] JP-A-2011-173447

[Патентный документ 2] JP-A-2011-1

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Когда аккумуляторный блок погружен в воду, количество грязи или мутной воды проникновение в него больше, чем у конденсированной воды, производимой охлаждающим устройством. Для слива грязи или мутной воды из аккумуляторного блока необходимо отверстие большего размера, чем слив, для слива конденсированной воды охлаждающего устройства. Следовательно, для обеспечения безопасности работы необходимо просверлить отверстие в аккумуляторном блоке.В этом случае, чтобы предотвратить утечку электролита из аккумуляторной батареи, элементы внутри аккумуляторной батареи должны быть защищены от повреждений. Внутри аккумуляторной батареи, помимо ячеек, также есть провода для датчиков. Следовательно, оператор, такой как пользователь или спасатель, не знакомый с внутренней структурой аккумуляторной батареи, не может решить, где будет просверливаться отверстие.

Также можно ожидать, что предварительно просверленное отверстие было закрыто болтом.Однако в редких случаях аккумуляторная батарея погружается в воду или ломается из-за столкновения с автомобилем. Но, скорее, когда болт выпадает из-за вибрации во время движения транспортного средства, внутренняя часть аккумуляторной батареи может быть заполнена водой из-за брызг дождевой воды или тому подобного. Или, когда просверленное отверстие закрывается болтом, существует вероятность того, что болт будет затянут слишком плотно, чтобы его можно было удалить.

И, в случае, когда батарейный источник питания погружен в воду, после того, как мутная вода внутри батарейного источника питания будет слита из нее или залита вода, наконец, вода должна быть удалена изнутри батарейного источника питания.Эта операция требует эффективной и надежной процедуры.

Таким образом, одним выгодным аспектом настоящего изобретения является создание электромобиля, включающего в себя механизм, способный эффективно выполнять операцию сверления и операцию слива электролита для удаления воды или электролита изнутри аккумуляторной батареи.

Согласно одному из преимуществ изобретения предлагается электромобиль, содержащий:

кузов транспортного средства, имеющий в нижней части знак, показывающий конкретное положение, в котором его нужно поднять; и

аккумуляторный блок, установленный на нижней части кузова транспортного средства и включающий нижнюю стенку, имеющую отметку, показывающую положение, в котором отверстие для слива жидкости, сообщающееся с внутренней частью аккумуляторного блока, должно быть просверлено,

, где отметка расположен в положении ниже, чем конкретное положение внутри кузова транспортного средства, в состоянии, когда кузов транспортного средства наклонен путем подъема домкратом в определенном положении.

Знак, показывающий конкретное положение, и метка, соответствующая знаку, может включать в себя индикатор, включающий, по меньшей мере, один из одинаковых идентификационных символов и идентификационных цветов.

Электромобиль может быть сконфигурирован так, что: индикатор, нанесенный на определенное положение, представляет собой число, показывающее порядок подъема домкратом в определенном положении, а индикатор, нанесенный на отметку, представляет собой число, показывающее порядок сверления отверстия для слива жидкости .

Конкретное положение и метка, соответствующая определенному положению, могут быть последовательными числами, показывающими процедуру подъема домкратом в определенном положении и бурения отверстия для слива жидкости.

Отметка может включать в себя знак сверления, показывающий диапазон, в котором разрешено пробурить отверстие для слива жидкости.

Знак сверления может быть выполнен углублением в нижней стенке аккумуляторной батареи.

Расточка может быть заполнена цветной мягкой синтетической смолой.

Расточка может быть заполнена фосфоресцирующей синтетической смолой.

Знак расточки может включать центральное отверстие, сконфигурированное для захвата кончика инструмента для просверливания отверстия для слива жидкости.

Электромобиль может быть сконфигурирован таким образом, что: метка включает в себя заклепку, установленную на центральном отверстии, так что, по меньшей мере, часть заклепки открыта, а индикатор включает в себя, по меньшей мере, один из идентификационных символов и идентификационных цветов, соответствующих конкретное положение находится в открытой части заклепки.

Электромобиль может быть сконфигурирован так, что: аккумуляторная батарея включает в себя множество аккумуляторных элементов и корпус, в котором хранятся аккумуляторные элементы с зазором по отношению к внешней периферии аккумуляторных элементов, а отверстие для слива жидкости просверлено, чтобы быть связались с разрешением.

Батарейный источник питания может включать в себя защитную стенку, расположенную между местом, где просверлено отверстие для слива жидкости, и элементами батареи.

Корпус может иметь нижнюю поверхность, постепенно спускающуюся к отверстию для слива жидкости.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС. 1 - вид в перспективе электромобиля согласно первому варианту осуществления изобретения.

РИС. 2 - вид снизу электромобиля, показанного на фиг. 1, в состоянии, когда снята нижняя крышка электромобиля.

РИС. 3 - вид в разрезе аккумуляторной батареи, показанной на фиг. 1, проходя через его отметку.

РИС. 4 - вид в разрезе модификации аккумуляторной батареи, показанной на фиг. 3.

РИС. 5 - типичный вид в перспективе другой модификации аккумуляторной батареи, показанной на фиг. 3.

РИС. 6 - вид сбоку электромобиля, показанного на фиг. 2, с увеличенным заданным положением его кузова.

РИС. 7 - увеличенный вид в перспективе метки аккумуляторной батареи электрического транспортного средства, показанного на фиг.2.

РИС. 8 - вид сбоку и вид в разрезе модификации конкретного положения, показанного на фиг. 6.

РИС. 9 - вид в разрезе и вид снизу модификации знака, показанного на фиг. 7.

РИС. 10 - вид в разрезе и вид снизу модификации нижней крышки, показанной на фиг. 3.

РИС. 11 - вид в разрезе и вид снизу модификации знака, показанного на фиг. 7.

РИС. 12 - вид в разрезе и вид снизу модификации знака, показанного на фиг.7.

РИС. 13 - вид первого примера операции сверления для проделывания отверстия в аккумуляторной батарее электрического транспортного средства, показанного на фиг. 1.

РИС. 14 - вид второго примера операции сверления для проделывания отверстия в аккумуляторной батарее электрического транспортного средства, показанного на фиг. 1.

РИС. 15 - вид третьего примера операции сверления для проделывания отверстия в аккумуляторной батарее электрического транспортного средства, показанного на фиг. 1.

РИС. 16 - вид операции растачивания, чтобы проделать отверстие в аккумуляторной батарее электрического транспортного средства согласно второму варианту осуществления изобретения.

РИС. 17 - вид операции растачивания, чтобы проделать отверстие в аккумуляторной батарее электрического транспортного средства согласно третьему варианту осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже приводится описание электромобиля 100 согласно первому варианту осуществления со ссылкой на фиг. 1-15. Электромобиль 100, показанный на фиг. 1 включает в себя кузов 10 транспортного средства и аккумуляторную батарею 20. Кузов 10 транспортного средства имеет в своей нижней части метки, соответствующие указанным положениям 11.Указанные положения 11 представляют собой положения для поддомкрачивания шин 30 при замене шин 30. Участки, на которых установлены указанные положения 11, расположены в виде четырех участков, которые существуют в нижней части кузова 10 транспортного средства рядом с кожухами 12 для соответствующих шин 30 и показаны перекрестной штриховкой на фиг. 1 и 2. Схема конкретных позиций 11 показана на фиг. 6.

Батарейный источник питания 20, как показано на фиг. 1 и 2, установлен по существу в центральной нижней части кузова 10 транспортного средства.Этот аккумуляторный блок 20, как показано на фиг. 3, включает в себя множество аккумуляторных элементов 21 и футляр 22 для хранения в нем этих аккумуляторных элементов 21. Элементы 21 батареи являются литий-ионными батареями, тогда как элементы 21 батареи связаны вместе, образуя модуль. Батарейный источник питания 20 включает в себя множество модулей.

Корпус 22 включает в себя: крышку 22A, в которой верхняя стенка 221 и боковая стенка 222 выполнены как единое целое; и лоток 22B, состоящий из нижней стенки 223 и кронштейнов 224 (ФИГ.2) вместе взятые. Крышка 22A и лоток 22B крепятся болтами с уплотнениями, такими как прокладки, установленными вдоль их внешних периферийных частей. Кронштейны 224, как показано на фиг. 2, соединены с боковым элементом 10A кузова 10 транспортного средства. Корпус 22 имеет зазор G по отношению к внешней периферии аккумуляторных элементов 21. Корпус 22 выполнен с целью обеспечения достаточной прочности и легкого веса. из, например, пластиков, армированных стекловолокном, или других пластиков, армированных волокном (FRP), с литой металлической пластиной.Кроме того, как показано на фиг. 3, нижняя крышка 40 установлена ​​на аккумуляторном блоке 20 снизу для защиты аккумуляторного блока 20.

Батарейный блок 20 включает в себя, помимо аккумуляторных элементов 21, систему электропитания, предусмотренную в корпусе 22 для подачи питания. от модулей к двигателю. Система электропитания включает в себя, например, инвертор, преобразователь и зарядное устройство для зарядки энергии, подаваемой от обычного коммерческого источника питания к элементам 21 батареи.

Батарейный источник питания 20, как показано на фиг.2 и 3, дополнительно включает метки 24 для обозначения положений, в которых просверлены отверстия 23 для слива жидкости, сообщающиеся с внутренней частью корпуса 22. Метки 24 предусмотрены, по меньшей мере, на нижней стенке 223 аккумуляторного блока 20, которая, когда аккумуляторный блок 20 наклоняется путем подъема домкратом в указанных положениях 11, становится ниже указанных положений 11. Пока боковая стенка 222 из аккумуляторный блок 20 можно видеть сбоку от электромобиля 100, метки 24 также могут быть предусмотрены на боковой стенке 222.

Каждая из меток 24, соответственно обозначающих положения расточки отверстий 23 для слива жидкости, включает в себя знак 241 просверливания, обозначающий положение, в котором отверстие 23 для слива жидкости, соответствующее значку 241 просверливания, должно быть просверлено. Знак 241 отверстия показывает диапазон, в котором можно просверлить отверстие 23 для слива жидкости. То есть до тех пор, пока в пределах диапазона знака 241 сверления, где бы ни просверлено отверстие 23 для слива жидкости, оно не мешает элементам 21 батареи или другим частям, имеющимся в блоке 20 батарей.Следовательно, размеры соответствующих знаков 241 расточки не всегда могут быть одинаковыми. Каждый знак 241 сверления, показанный на фиг. 3, формируется в виде выемки, слегка вдавленной на поверхности нижней стенки 223 аккумуляторного блока 20.

После того, как инструмент, такой как дрель, который будет использоваться при бурении, отверстие 23 для слива жидкости проникает через нижнюю стенку 223, в чтобы предотвратить повреждение инструментом аккумуляторных элементов 21 и других частей, расположенных внутри аккумуляторного источника питания 20, отверстие 23 для слива жидкости установлено так, чтобы оно было просверлено в месте, где аккумуляторные элементы 21 или тому подобное не расположены.В первом варианте осуществления, как показано на фиг. 3, отверстие 23 для слива жидкости установлено таким образом, что оно просверлено в зазоре G, который должен быть сформирован на внешней периферии аккумуляторного элемента 21. Аккумулятор 20 включает в себя защитную стенку 255 между положениями отверстий отверстий 23 для слива жидкости. и аккумуляторные элементы 21 для защиты аккумуляторных элементов 21 и других частей, находящихся рядом с отверстиями для слива жидкости 23.

В случае, когда жидкость, такая как грязь, мутная вода или электролит, находящаяся в аккумуляторном блоке 20, должна быть слита, метки 24 устанавливаются в положения, которые становятся самыми низкими в аккумуляторном блоке 20 при подъеме на плоской поверхности.Отверстия 23 для слива жидкости предпочтительно могут быть установлены во множестве положений, но не только в одном положении, так что отверстие 23 для слива жидкости может быть выбрано в соответствии с периферийной окружающей средой при подъеме домкратом. Периферийная среда включает в себя, например, слегка наклонную землю и среду, в которой домкрат не может быть установлен в определенных положениях. В первом варианте осуществления, как показано на фиг. 2, отверстия 23 для слива жидкости и метки 24 сформированы по три, соответственно, в трех из четырех конкретных положений 11.

В результате отверстие 23 для слива жидкости, когда одна конкретная позиция 11 поднята, устанавливается, по меньшей мере, в нижней стенке 223 аккумуляторного блока 20, который расположен рядом, по меньшей мере, с одним из оставшихся конкретных положений 11, которые являются становится ниже заданного положения 11, поднятого домкратом. И на отметке 24 знак 241 сверления расположен в положении, в котором это отверстие 23 для слива жидкости было установлено.

На ФИГ. 2 конкретное положение 11, которое находится рядом с сиденьем водителя, обозначено как J1.Конкретное положение 11, которое расположено рядом с сиденьем, расположенным по диагонали напротив сиденья водителя, то есть задним сиденьем сразу за сиденьем пассажира, обозначено как J2. Метка 24, которая соответствует конкретной позиции 11 (J1), обозначена как M1. Метка 24 (M1) расположена на нижней стенке 223 аккумуляторной батареи рядом с определенной позицией 11 (J2). Отверстие 23 для слива жидкости, которое необходимо просверлить в соответствии с отметкой 24 (M1), расположено рядом с определенной позицией 11 (J2).

В этом случае, как показано на фиг.4, когда верхняя поверхность тарелки 22B наклонена к просверливаемому отверстию 23 для слива жидкости в соответствии с меткой 24, выпуск жидкости может быть ускорен. Кроме того, как показано на фиг. 5, верхняя поверхность лотка 22B также может быть наклонена таким образом, чтобы она постепенно спускалась от центральной части кузова 10 транспортного средства к двум его сторонам в направлении ширины и назад от передней части кузова 10 транспортного средства. В этом случае аккумуляторный блок 20 включает метки 24, используемые, по меньшей мере, для просверливания отверстий 23 для слива жидкости в двух его угловых частях, расположенных позади кузова 10 транспортного средства.Положения, в которых предусмотрены метки 24, соответственно, существуют рядом с конкретными положениями 11, которые должны быть предусмотрены в задней части кузова 10.

Чтобы прояснить отверстие 23 для слива жидкости, соответствующее конкретному положению поднятого домкратом. 11 и метка 24 для показа положения расточки отверстия 23 для слива жидкости, знак для показа конкретной позиции 11 и метка 24, соответствующая ему, соответственно, имеют индикаторы 14, 242, содержащие по меньшей мере один из одинаковых идентификационных символов и одинаковых идентификационные цвета.Индикатор 14, применяемый к конкретной позиции 11, как показано на фиг. 6, расположен рядом со знаком, показывающим конкретное положение 11, здесь, по существу, по центру между двумя выемками, составляющими знак для показа конкретного положения 11. Индикатор 14 также может быть расположен в положении, слегка смещенном от конкретного положения 11, так что что индикатор 14 видно даже в поднятом домкрате.

Метка 24, которая должна быть нанесена на нижней стенке 223 аккумуляторного источника 20 в соответствии с конкретным положением 11, показана на фиг.7. Эта метка 24 включает в себя знак 241 сверления для обозначения положения, в котором должно быть просверлено отверстие 23 для слива жидкости, и индикатор 242, соответствующий индикатору 14, приложенному к определенному положению 11. Индикатор 242, как показано на фиг. 7, расположен рядом со знаком 241 сверления. Знак 241 растачивания, показанный на фиг. 7 сформирован как выемка, слегка углубленная от внешней поверхности нижней стенки 223, так что оператор может прикоснуться к нему, чтобы прочитать знак 241. Подставка 22B, составляющая нижнюю стенку 223 аккумуляторного источника 20, изготовлена ​​из FRP.Следовательно, индикатор 242 может быть утопленным или вздутым. Даже когда грязь прилипает к индикатору 242, вытирая грязь с индикатора 242, индикатор 242 можно легко прочитать.

Индикатор 14 определенной позиции 11 и индикатор 242 метки 24, соответственно, показанные на фиг. 6 и 7 - числа, которые являются одной из форм идентификационных сигналов. Индикаторы 14 и 242 вместо цифр также могут быть заменены хираганой, катаканой или другими знаками, например алфавитом, или символами.Когда числа используются для индикаторов 14 и 242, последовательность операции по растачиванию отверстий 23 для слива жидкости и порядок приоритета открытия отверстий 23 для слива жидкости могут быть связаны друг с другом. Кроме того, когда числа или символы используются в качестве индикаторов 14 и 242, индикаторы 14 и 242 также могут быть ретрографическими, чтобы их можно было правильно считывать при отражении в зеркале, чтобы их можно было просто подтвердить без того, чтобы оператор попал под кузова 10 их посмотреть.

Чтобы облегчить идентификацию индикаторов 14 и 242, они имеют углубленную форму, и может использоваться цвет, отличный от цвета кузова транспортного средства или его периферии, предпочтительно, может использоваться дополнительный цвет. В этом случае окрашенная смола может быть заполнена таким образом, что поверхности индикаторов 14 и 242 могут быть заподлицо с их периферией. Когда индикаторы 14 и 242 могут быть заподлицо с периферией, грязь трудно прикрепить, и даже когда она прикреплена, грязь легко удалить.

Конкретная позиция 11 и метка 24, имеющие одинаковые индикаторы 14 и 242, соответствуют друг другу. Следовательно, например, когда отверстие 23 для слива жидкости просверлено в индикаторе 241 отверстия метки 24, имеющей индикатор 242, показанный на фиг. 7, и жидкость в аккумуляторном блоке 20 разряжается, причем конкретная позиция 11 имеет тот же индикатор 14, что и на фиг. 6, поскольку индикатор 242 может быть поднят.

Индикатор 14, который должен быть применен к определенному положению 11, также может быть установлен как отдельный элемент в зависимости от взаимосвязи с этапом окраски и этапом сборки кузова транспортного средства.Например, как показано на фиг. 8, нижнее отверстие 111 может быть предварительно просверлено в конкретном положении 11, и бирка 141, имеющая индикатор 14, может быть после этого установлена ​​на нижнем отверстии 111. Когда цветная бирка используется в качестве индикатора 14, знак 241 сверления соответствующему знаку 24 можно просто присвоить тот же цвет для легкого подтверждения их соответствующего отношения.

Конкретная позиция 11 и метка 24 могут не соответствовать друг другу один на один. Например, как показано на фиг.8, одна конкретная позиция 11 может также иметь два индикатора 14. Когда условия, требующие разрядки аккумуляторной батареи 20, отличаются, или когда характеристики аккумуляторной батареи 20 для одного и того же типа транспортного средства отличаются, в некоторых случаях слив жидкости Порядок расточки отверстия 23 может быть изменен. В этом случае, просто изменяя цвета соответствующих индикаторов 14, которые должны отображаться на ярлыке 141, или изменяя их символы, можно установить различные процедуры.

РИС. 9 показан вид в разрезе и вид нижней поверхности модификации метки 24, показанной на фиг.7. Знак 241 сверления метки 24 имеет круглую форму, которая немного углублена от поверхности нижней стенки 223 аккумуляторного блока 20. Этот знак 241 сверления включает центральное отверстие 243 в его центральной части, чтобы облегчить захват наконечника инструмента, например сверла, используемого для просверливания отверстия 23 для слива жидкости. Это центральное отверстие 243 включено в один тип выемок, образованных в виде знаков 241 высверливания. Индикатор 242 выступает за поверхность нижней стенки 223. Этот индикатор 242, аналогично индикатору 242, показанному на фиг.7, можно обозначить цифрами, а знак 241 отверстия показан стрелкой 242A. Направление стрелки 242A также может быть направлением к соответствующему конкретному положению 11 вместо направления знака 241 сверления. В случае, когда стрелка 242A указывает соответствующее конкретное положение 11, конкретное положение 11, которое необходимо поднять. после того, как отверстие 23 для слива жидкости просверлено, может быть подтверждено, что позволяет повысить эффективность работы.

Когда нижняя крышка 40 дополнительно устанавливается под аккумуляторным блоком 20, область вертикальной проекции, соответствующая знаку 241 сверления метки 24, может быть вырезана, как показано на фиг.3, или может быть предусмотрена внешняя метка 44, как показано на фиг. 10. Фиг. 10 показан вид в разрезе и вид снизу нижней крышки 40 с установленной на ней внешней меткой 44. Эта внешняя метка 44 включает в себя внешний знак 441, расположенный в позиции выступа, соответствующей знаку 241 сверления, и внешний индикатор 442, имеющий тот же дисплей, что и конкретная позиция 11, соответствующая отверстию 23 для слива жидкости, которое должно быть просверлено в соответствии с этой внешней меткой. знак 441. Информация, которая должна отображаться на внешнем индикаторе 442, аналогична информации, которая должна отображаться на индикаторе 242 метки 24, которая должна быть предоставлена ​​на нижней стенке 223 аккумуляторного блока 20.То есть, аналогично стрелке 242A, нанесенной вместе с индикатором 242, стрелка 442A нанесена на нижнюю крышку 40 вместе с внешним индикатором 442.

Как показано на фиг. 10, внешний знак 441 и внешний индикатор 442 формируются одновременно, когда нижняя крышка 40 формируется прессованием. Подобно знаку 241 сверления, внешний знак 441 имеет круглую форму, слегка углубленную от внешней поверхности нижней крышки 40. Этот внешний знак 441 имеет центральную часть, приподнятую, по существу, заподлицо с внешней поверхностью нижней крышки. 40 и включает в своем центре углубление 443, углубленное в сторону аккумуляторного блока 20.Эта выемка 443 выполняет ту же функцию, что и центральное отверстие 243 булавки 241, показанной на фиг. 9, то есть функция для облегчения захвата наконечника инструмента, такого как дрель.

Чтобы просверлить отверстие 23 для слива жидкости, инструмент, такой как дрель, может быть проделан через углубление 443 внешнего знака 441 нижней крышки 40, и затем наконечник инструмента может быть совмещен с центральным отверстием 243 знак 241 сверления аккумуляторного блока 20. Отверстие, открытое в нижней крышке 40, действует как направляющая, тем самым облегчая просверливание отверстия 23 для слива жидкости в заданном направлении.Следовательно, после того, как отверстие 23 для слива жидкости просверлено, можно предотвратить повреждение аккумуляторных элементов 21 или других частей в аккумуляторном блоке 20 кончиком инструмента.

Здесь, когда внешняя форма используемого инструмента меньше, чем диаметр требуемого отверстия 23 для слива жидкости, до тех пор, пока в пределах диапазона знака 241 отверстия и внешнего знака 441, множество отверстий 23 для слива жидкости также может скучать. Кроме того, в качестве предварительного условия для множества отверстий 23 для слива жидкости, множество центральных отверстий 243 и углублений 443 также может быть сформировано заранее.В случае, если центральные отверстия 243 и углубления 443 сформированы, чтобы предотвратить их неправильные соответствующие комбинации, направляющая втулка также может быть предварительно вставлена ​​между нижней стенкой 223 аккумуляторного источника 20 и нижней крышкой 40.

Метка 24 может также иметь индикатор 242 в том же положении, что и знак 241 сверления. На фиг. 11 и 12, соответственно, показаны вид в разрезе и вид снизу модификаций метки 24, имеющей индикатор 242 в том же положении, что и прорезь 241.

Метка 24, показанная на фиг. 11 включает в себя заклепку 244, которая должна быть установлена ​​на центральном отверстии 243. Заклепка 244 сформирована так, что, по меньшей мере, ее часть выступает из центрального отверстия 243. Заклепка 244, показанная на фиг. 11 включает в себя затененную часть 245, которая распространяется по кругу вдоль нижней стенки 223 аккумуляторного блока 20 с центральным отверстием 243 в качестве его центра. Индикатор 242 метки 24 расположен в этой затененной части 245. Кроме того, затененная часть 245 имеет размер, необходимый для расточного знака 241, обеспечивающего область, в которой может быть просверлено отверстие 23 для слива жидкости.Чтобы предотвратить удаление заклепки 244 из-за вибраций и т.п., возникающих во время движения электрического транспортного средства 100, внешняя периферия шторной части 245 прочно закреплена синтетической смолой P, такой как клей, замазка или коксовый материал.

При растачивании отверстия 23 для слива жидкости заклепка 244 удаляется клиновидным инструментом, например отверткой или шпателем. Затем отверстие 23 для слива жидкости просверливается в открытом таким образом центральном отверстии 243 с помощью такого инструмента, как дрель.В случае, если заклепка 244 изготовлена ​​из достаточно мягкого материала по сравнению с инструментом для просверливания отверстия 23 для слива жидкости, отверстие 23 для слива жидкости также можно просверлить с помощью инструмента без удаления заклепки 244.

В случае отметки 24, показанной на фиг. 11, только центральное отверстие 243 сформировано в нижней стенке 223 блока 20, в то время как знак 241 отверстия и индикатор 242 сформированы на заклепке 244. В случае, когда батарейный блок 20 используется совместно во множестве типы транспортных средств, даже когда элементы информации, которые должны отображаться на индикаторах 242, различаются в зависимости от типов транспортных средств, путем замены заклепки 244 в этом случае можно легко использовать аккумуляторный блок 20.

Кроме того, поскольку заклепка 244 установлена ​​в центральном отверстии 243, заклепка 244 может фиксироваться, свободно меняя ее направление. Следовательно, функция, аналогичная стрелке 242A метки 24, показанной на фиг. 9, может быть добавлен к заклепке 244. Например, выемка или выступ могут быть сформированы во внешней периферийной части шторы 245, и заклепка 244 может быть закреплена таким пазом или выступом, обращенным к определенному положению 11, соответствующему этот знак. Или заклепка 244 также может быть закреплена таким образом, чтобы верхние части символов, которые должны отображаться в качестве индикатора 242, были обращены в конкретное положение 11, соответствующее этой метке 24.

В отметке 24, показанной на фиг. 12, метка 241 и индикатор 242 сформированы как одно целое. Знак 241 сверления представляет собой выемку, углубленную от поверхности нижней стенки 223 аккумуляторного блока 20, и указывает диапазон, в котором можно просверлить отверстие 23 для слива жидкости. Индикатор 242 выступает за знак отверстия 241 в пределах диапазона знака 241 отверстия. Кроме того, выемка этой метки 24 представляет знак 241 сверления, кроме той части, где индикатор 242 заполнен синтетической смолой Q, окрашенной в легкий для восприятия цвет. быть визуально подтвержденным.В случае, если синтетическая смола Q изготовлена ​​из мягкого материала, даже когда грязь прилипает к отметке 241 отверстия отметки 24, грязь может быть легко удалена.

Кроме того, знак 241 отверстия также может быть заполнен синтетической смолой Q, смешанной с фосфоресцирующим материалом вместе с красящим веществом или без него. Путем подачи света на метку 24 на некоторое время с использованием лампы, такой как фонарик, поскольку синтетическая смола Q содержит фосфоресцирующий материал, метку 24 можно легко различить даже ночью.В этом случае, поскольку индикатор 242 расположен в пределах отметки 241 сверления, индикатор 242 также легко отличить.

В электрическом транспортном средстве 100, в котором метка 24 предусмотрена на аккумуляторном блоке 20 вышеописанным способом, в случае, если аккумуляторный блок 20 погружен в воду или сломан из-за столкновения транспортного средства, чтобы расточить стекающую жидкость отверстие 23 с использованием инструмента, такого как дрель, и для быстрого слива грязи, мутной воды или электролита из аккумуляторной батареи 20 оттуда, необходимо выполнить ряд следующих операций.Во-первых, для облегчения выполнения операции бурения корпус 10 транспортного средства поднимается домкратом, используя специальное положение 11, находящееся рядом с положением бурения отверстия 23 для слива жидкости. После того, как отверстие 23 для слива жидкости просверлено, домкрат возвращается в его положение. исходное положение. Наконец, конкретное положение 11, соответствующее метке 24, указывающей положение просверленного отверстия 23 для слива жидкости, приподнимается, тем самым способствуя сливу грязи, мутной воды или электролита внутри аккумуляторного блока 20 из отверстия 23 для слива жидкости.

В случае, когда отверстие 23 для слива жидкости просверлено только в одной из множества меток 24, описанная выше процедура может выполняться на любой из меток. Однако, когда описанная выше последовательность операций выполняется отдельно для всех меток 24, представленных на трех участках, определенные положения должны подниматься один раз до и после каждого открытия отверстий 23 для слива жидкости, что требует в общей сложности 6 раз самоподъемные операции. Таким образом, в случае, если метки 24 выполнены в трех частях, а отверстия 23 для слива жидкости просверлены во всех трех метках 24, необходима процедура для эффективного выполнения операции бурения, которая описана ниже с использованием следующих примеров 1 к 3.

В электрическом транспортном средстве 100, в котором аккумуляторный блок 20 расположен в центре кузова 10 транспортного средства, первый пример процедуры просверливания отверстия 23 для слива жидкости в аккумуляторном блоке 20 описан со ссылкой на фиг. 13. Фиг. 13 показано отображение индикаторов 14, соответственно примененных к определенным позициям 11, когда электромобиль 100 виден сверху, и отображение индикаторов 242, соответственно приложенных к отметкам 24. Отображение индикаторов 14 и 242 соответственно показывает порядок подъема на домкрат. конкретные позиции 11 и порядок сверления отверстий для слива жидкости 23.

В первом примере, во-первых, определенное положение 11 в левой задней части, которое обозначено как «0» на индикаторе 14, поднимается. С помощью такого инструмента, как дрель, отверстие 23 для слива жидкости просверливается в обозначении 241 отверстия отметки 24, которое обозначено как «(1)» на индикаторе 242, находящемся рядом с установленным домкратом конкретным положением 11 слева. заднюю часть, а затем опускается домкрат. Затем конкретное положение 11 в правой задней части, обозначенное как «1», соответственно «(1)», выраженное в индикаторе 242, поднимается вверх.В результате грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторной батареи 20 выпускаются из отверстия 23 для слива жидкости индикатора 242 «(1)».

Так как конкретное положение 11, где на индикаторе 14 отображается «1», приподнято, с помощью такого инструмента, как дрель, отверстие 23 для слива жидкости просверливается в отверстии 241 метки 24 сзади справа. часть, обозначенная как «(2)» в индикаторе 242, находящаяся рядом с поднятым домкратом 11. Домкрат, поддерживающий конкретное положение 11, где на индикаторе 14 отображается «1», опускается, а конкретное положение 11 в левая передняя часть, где отображение индикатора 14 представляет собой «2», что соответствует индикатору 242 «(2)», приподнята.Следовательно, грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторной батареи 20 сливаются также из отверстия 23 для слива жидкости индикатора 242 «(2)».

С помощью такого инструмента, как дрель, отверстие 23 для слива жидкости просверливается в отверстии 241 метки 24 в левой передней части, обозначенной как «(3)» на индикаторе 242, расположенном рядом с установленным домкратом. позиция 11 выражается показателем 14 из «2». Домкрат, поддерживающий поднятую на домкрате особую позицию 11, обозначенную индикатором 14 «2», затем опускается, а специфическая позиция 11 в правой передней части, обозначенная цифрой «3» на индикаторе 14, соответственно индикатору 242 «( 3) »поднят.Следовательно, грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторной батареи 20 сливаются также из отверстий 23 для слива жидкости индикаторов 242 «(1)», «(2)», «(3)».

Наконец, вместо домкрата подставка вставляется в определенное положение 11 в правой передней части, где применяется индикатор 14 из «3», и в определенное положение 11 в правой задней части, где индикатор 14 из « 4 ”прикладывается домкратом. Следовательно, грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторной батареи 20 сливаются из отверстий 23 для слива жидкости индикаторов 242 «(1)» и «(3)».Положение, которое в конечном итоге должно быть поднято домкратом, также может быть конкретным положением 11 в левой передней части, где указание «[4]» нанесено на фиг. 13, вместо особого положения 11 в правой задней части, где применяется индикатор 14 «4». Поскольку конкретное положение 11 поднимается таким образом, что два смежных отверстия 23 для слива жидкости опускаются, положение кузова 10 транспортного средства электрического транспортного средства 100 может быть стабилизировано.

Когда аккумуляторная батарея 20 электрического транспортного средства 100 погружается в воду, поскольку грязь, мутная вода и т.п. попали в аккумуляторную батарею 20, их необходимо слить.После этого отверстия 23 для слива жидкости закрываются, и аккумуляторный блок 20 заполняется очищенной водой и электрически разряжается. В случае, когда аккумуляторные элементы 21 в аккумуляторном блоке 20 разрушаются из-за столкновения с электромобилем 100, поскольку электролит протек в аккумуляторный блок 20, аналогично электролит должен быть слит. После этого отверстия 23 для слива жидкости закрываются, и аккумуляторный блок 20 заполняется очищенной водой и электрически разряжается.В обоих случаях после того, как батарейный источник питания 20 электрически разряжен, отверстия 23 для слива жидкости открываются для слива из них воды. Следовательно, с электромобилем 100 можно безопасно обращаться, не беспокоясь об утечке электричества из аккумуляторной батареи 20.

В электрическом транспортном средстве 100, в котором аккумуляторная батарея 20 расположена в центре кузова 10 транспортного средства, пример 2 из процедура сверления отверстия 23 для слива жидкости в аккумуляторном блоке 20 описана со ссылкой на фиг.14. Фиг. 14, аналогично первому примеру, показано отображение индикаторов 14, соответственно примененных к определенным позициям 11, когда электромобиль 100 виден сверху, и отображение индикаторов 242, соответственно приложенных к меткам 24. Отображение индикаторов 14 и 242 соответственно показан порядок поддомкрачивания конкретных позиций 11 и порядок сверления отверстий для слива жидкости 23.

Пример 2 отличается от первого примера тем, что положение метки 24, имеющей «(3)» на индикаторе 242 находится в правой передней части.Таким образом, конкретная позиция 11, обозначенная цифрой «2», расположена в правой передней части. Кроме того, индикатор 14 из «3», соответствующий индикатору 242 из «(3)», расположен в левой передней части. На фиг. 14, индикатор 14 из «4», который должен быть наконец поднят домкратом, расположен в том же конкретном положении 11 в правой передней части, что и индикатор 14 из «2». Поскольку конкретное положение 11 может быть поднято таким образом, что два соседних отверстия 23 для слива жидкости опускаются, индикатор 14 «[4]» в левой задней части, где расположен индикатор 14 «0», также может быть поднятым вместо индикатора 14 из «4» в правой передней части.

В электрическом транспортном средстве 100, в котором аккумуляторный блок 20 расположен в центре кузова 10 транспортного средства, пример 3 процедуры открытия отверстия 23 для слива жидкости в аккумуляторном блоке 20 описан со ссылкой на фиг. 15. Фиг. 15, аналогично примерам 1 и 2, показано отображение индикаторов 14, соответственно примененных к определенным позициям 11, когда электромобиль 100 виден сверху, и отображение индикаторов 242, соответственно приложенных к меткам 24. Отображение индикаторов 14 и 242 соответственно показывают порядок подъема домкратом в определенных положениях 11 и порядок открытия отверстий 23 для слива жидкости.

Пример 3 отличается от первого примера тем, что позиция метки 24, имеющей «(2)» в индикаторе 242, находится в правой передней части. Таким образом, конкретная позиция 11, обозначенная как «1», расположена в правой передней части. Кроме того, после того, как отверстие 23 для слива жидкости просверлено в соответствии с меткой 24, имеющей индикатор 242 «(3)», расположенный в левой передней части, индикатор 14 «3», который необходимо поднять, располагается в определенном положении 11. в правой задней части, и индикатор 14 из «4», который должен быть наконец поднят, расположен в том же конкретном положении 11 в правой передней части, что и индикатор 14 из «1».

На ФИГ. 15, конкретное положение 11 может быть поднято таким образом, что два смежных отверстия 23 для слива жидкости опускаются. Следовательно, индикатор 14 из «4», который должен быть наконец поднят, может также быть индикатором 14 из «[4]» в левой задней части, где расположен индикатор 14 из «0».

Ниже приводится описание электромобиля 100 согласно второму варианту осуществления изобретения со ссылкой на фиг. 16. Как показано на фиг. 16, в этом электромобиле 100 аккумуляторная батарея 20 расположена между задними шинами 30 кузова 10 транспортного средства.Детали знаков для обозначения конкретных положений 11, нанесенных на кузов 10 транспортного средства электрического транспортного средства 100, и меток 24, нанесенных на аккумулятор 20, такие же, как описано в первом варианте осуществления. Следовательно, знаки для конкретных позиций 11 и метки 24 на фиг. 16, имеют те же обозначения, что и знаки для конкретных позиций 11 и меток 24 в первом варианте осуществления, в то время как их конкретное описание выборочно цитирует описание в первом варианте осуществления для справки.

В этом электромобиле 100 процедура просверливания отверстия 23 для слива жидкости в аккумуляторном блоке 23 описана со ссылкой на фиг. 16. Конкретная позиция 11 в левой задней части, обозначенная как «0» на индикаторе 14, поднята, и отверстие 23 для слива жидкости просверлено в соответствии с отметкой 24 индикатора 242 из «(1)», имеющейся слева. задняя часть аккумуляторного блока 20. Затем определенное положение 11 в правой задней части, обозначенное цифрой «1» на индикаторе 14, поднимается вверх.Затем грязь, мутная вода или электролит сливают из отверстия 23 для слива жидкости в левой задней части, и просверливают два отверстия 23 для слива жидкости в соответствии с метками 24 индикаторов 242 «(2)», имеющихся соответственно в правой передней части. часть и правая задняя часть аккумуляторного блока 20.

Во втором варианте осуществления аккумуляторный блок 20 расположен между задними шинами 30. Следовательно, индикатор «2», соответствующий индикатору 242 «(2)», является расположен в том же положении 11, специфическом для левой задней части, что и индикатор 14 «0».Поднимая домкратом конкретное положение 11, имеющее этот индикатор 14 «2», грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторной батареи 20 сливаются из отверстия 23 для слива жидкости, сформированного в положении, имеющем индикатор 242 «(2)».

Наконец, конкретное положение 11, имеющее индикатор 14 «3» в левой передней части и конкретное положение 11, имеющее индикатор 14 «4» в правой передней части, соответственно поднимаются, в результате чего грязь, мутная вода или электролит в аккумуляторном блоке 20 сливается из отверстий 23 для слива жидкости, сформированных в правой задней части и в левой задней части.Вместо того, чтобы поднимать домкратом конкретное положение 11, имеющее индикатор 14 «4» в правой передней части, конкретное положение 11, имеющее индикатор 14 «[4]» в той же левой задней части, что и индикаторы 14 «0» и «2», показанные на фиг. 17 также может быть поднят домкратом, в результате чего грязь, мутная вода или электролит внутри аккумуляторного блока 20 могут сливаться из отверстий 23 для слива жидкости, сформированных в месте, где имеется индикатор 242 «(2)». В этом случае, после того, как определенное положение 11, имеющее индикатор 14 «2», поднято домкратом, подставка вставляется в это конкретное положение 11, а конкретное положение 11, имеющее индикатор 14 «3», поднимается выше, чем стойка. конкретной позиции 11, имеющей индикатор 14 «2».Это может исключить операцию подъема, связанную с индикатором 14 «[4]», примененным к той же конкретной позиции 11, что и индикатор 14 «2».

Теперь электрическое транспортное средство 100 согласно третьему варианту осуществления изобретения описывается со ссылкой на фиг. 17. Как показано на фиг. 17, в этом электромобиле 100 аккумуляторная батарея 20 расположена между передними шинами 30 кузова 10 транспортного средства. Подробности знаков для обозначения конкретных положений 11, нанесенных на кузов 10 транспортного средства электрического транспортного средства 100, и меток 24, нанесенных на аккумуляторная батарея 20 такая же, как описано в первом варианте осуществления.Следовательно, знаки для конкретных позиций 11 и метки 24 на фиг. 17, имеют те же обозначения, что и знаки для конкретных позиций 11 и меток 24 в первом варианте осуществления, в то время как их конкретное описание выборочно цитирует описание в первом варианте осуществления для справки.

В этом электромобиле 100 процедура просверливания отверстия 23 для слива жидкости в аккумуляторном блоке 23 описана со ссылкой на фиг. 17. В электромобиле 100 по третьему варианту осуществления положения отверстий 23 для слива жидкости, которые необходимо просверлить, в соответствии с конкретными положениями 11, имеющими индикаторы 14 от «0» до «4» и два индикатора 242 из «(1)». и «(2)» установлены так, чтобы иметь симметрию вращения на 180 ° относительно силы тяжести центра кузова 10 транспортного средства по отношению к положениям в электрическом транспортном средстве 100 второго варианта осуществления.Поэтому здесь используется описание второго варианта осуществления, при этом изменяются значения терминов, например, «передний» на «задний», «задний» на «передний», «справа» на «левый» и «левый». «вправо», поэтому описание третьего варианта осуществления здесь опускается.

В вариантах осуществления с первого по третий индикаторы 14 конкретных положений 11 выражают порядок подъема домкратом в таких положениях, в то время как индикаторы 242 меток 24 выражают порядок сверления отверстий 23 для слива жидкости.Индикаторы 14, 242 также могут быть установлены для последовательных номеров, обеспечивающих серию процедур для бурения отверстий 23 для слива жидкости и подъема определенных положений 11 из определенного положения 11, имеющего индикатор 14 «0».

Порядок подъема самоподъемного кузова 10 транспортного средства и порядок бурения отверстия 23 для слива жидкости, описанные в примерах 1-3 первого варианта осуществления, второго и третьего вариантов осуществления, являются только примерами для облегчения понимания изобретения. Следовательно, изобретение не ограничивается указанными выше заказами.

В соответствии с электромобилем согласно изобретению аккумуляторная батарея имеет метку на нем для указания его положения, которое, когда конкретное положение, отмеченное на кузове транспортного средства, поднимается, становится ниже, чем конкретное положение, и в котором сливается жидкость.