В чем измеряется плотность электролита: Порядок измерения плотности электролита в аккумуляторной батарее

Измерения плотности электролита - Справочник химика 21

    На рис. 4.3 изображен элемент с электродными пространствами, разделенными пористым стеклянным диском О. Предположим, что электрод В поляризован током, идущим от электрода О. Капилляр Ь (иногда называемый капилляром Луггина) электрода сравнения Я (или солевого мостика между электродами Я и В) расположен вблизи от поверхности В, что позволяет уменьшить ошибку измерения потенциала, вызванную омическим падением напряжения в электролите. Э. д. с. элемента В—определяют для каждого значения тока, измеряемого амперметром А с периодичностью достаточной для установления стабильного состояния. Поляризацию электрода В (катода или анода) измеряют в вольтах по отношению к электроду сравнения 7 при различных значениях плотности тока. Как правило, значения потенциалов приводят по стандартной водородной шкале. Этот метод назы- [c.49]
    Плотность электролита проверяют с помощью денсиметра. Для определения плотности электролита сжимают резиновую грушу кислотомера и погружают его наконечник в электролит. Затем засасывают внутрь кислотомера электролит до тех пор, пока не всплывет поплавок. По шкале поплавка отсчитывают значение плотности электролита. Чем больше плотность электролита, тем выше всплывает поплавок. При измерении плотности необходимо следить за тем, чтобы поплавок не касался стенок стеклянной трубки кислотомера. При отсчете показаний денсиметр надо помещать перед собой так, чтобы поплавок находился в вертикальном положении, а поверхность электролита была на уровне глаз. Отсчет плотности электролита производится по нижнему краю мениска. Зависимость плотности электролита от температуры приведена в приложении 3. [c.178]

    Сифонные ареометры используют в частности для измерения плотности электролита в аккумуляторах. Ареометр состоит из стеклянного сосуда цилиндрической или грушевидной формы. На верхнюю часть сосуда плотно насаживается резиновый шар, на нижнюю— резиновая трубка. Внутри стеклянного сосуда помещен маленький ареометр. Сжав предварительно резиновый шар, опускают резиновую трубку в аккумулятор. При разжимании шара в стеклянный сосуд всасывается электролит в количестве достаточном, чтобы ареометр мог свободно плавать. [c.374]

    Электролит вводят в каждую пробу золя за 2—4 мин непосредственно перед измерением ее оптической плотности. [c.166]

    Пример 43. В электролит сернокислого меднения для улучшения структуры катодных осадков добавлено 20 ммоль-л винной кислоты. Чтобы установить, адсорбируется ли винная кислота на меди в рабочей области потенциалов, проведены измерения потенциала медного электрода без наложения поляризующего тока в чистом растворе ( ) и в растворе с винной кислотой ( орг), а также при рабочей плотности тока 10 мА-см- и fi,орг). Получены следующие результаты  [c.99]

    Измерения плотности, электролита в газирующем элементе.во время заряда не показывают истинной плотности электролита, так как пузырьки газа, пронизывающие электролит, уменьшают его удельный вес. Для более точных измерений рекомендуется отбирать электролит резиновой грушей, заливать в пробирку, где и измерять плотность. Через 20—30 мин после окончания заряда, т. е. после прекращения выделения пузырьков газа и после выравнивания плотности электролита в порах пластин и вне пластин (за счет диффузии), [c.162]

    В схему последовательно включают шесть электролизеров и кулонометр. Опыты проводят при двух плотностях тока — 100 и 200 А/м при применении электролитов №№ 1—4 или 150 и 250 A/м при использовании электролитов №№ 5—8. В электролизеры согласно заданию заливают три различных по содержанию серной кислоты раствора и проводят электролиз при двух плотностях тока. Электролиз ведут при 55 1 °С без перемешивания или с протоком электролита. В процессе электролиза измеряют потенциалы катода Ек и анода Еа, падение напряжения в электролите и напряжение на ванне. Измеряют электрическую проводимость исходных растворов и растворов после электролиза, и определяют удельную электрическую проводимость. Затем рассчитывают падение напряжения в электролите, напряжение на ванне полученные значения сравнивают с измеренными и определяют процент расхождения. [c.124]

    Работу выполняют аналогично вариантам I — III. Собирают макеты с активной массой, содержащей МпОа, МоОз, V2O5, WO3 с добавкой 20 или 30% сажи. Электролит — одномолярный раствор перхлората лития в пропилепкарбонате. Предварительно рассчитывают теоретическую емкость элементов. После измерения НРЦ снимают разрядные характеристики при плотности тока 1 мА/см и строят их на одном рисунке. Результаты заносят в таблицу аналогичную табл. 39.2. Следует сравнить характер разрядных кривых и среднее напряжение разряда (оксид молибдена восстанавливается в две стадии). Определяют емкость при разряде. Рассчитывают коэффициент использования активного вещества. [c.246]

    Другой подход к измерению поляризации — определение потенциалов при разных расстояниях от носика до В с последующей экстраполяцией до нулевого расстояния. Как показано в разделе 4.4, подобная поправка необходима только при. измерениях, требующих большой точности, а также при необычно высоких плотностях тока или при необычно низкой проводимости электролита, например в дистиллированной воде. Однако эта поправка не учитывает возможной ошибки из-за высокого сопротивления пленки продуктов реакции, которой может быть покрыта поверхность электрода. Предложен специальный электрический контур для электролитов с высоким сопротивлением. Он позволяет измерять потенциал с поправками на падение напряжения в электролите и в электродных поверхностях пленках. [c.50]

    Опыт 4. Исследовать зависимость анодных потенциалов от плотности тока и концентрации щелочи. Опыт проводят в электролите № 3 при плотностях тока 10—50 А/м концентрация свободной щелочи 0,25 моль/дм (10 г/дм ) и 0,5 моль/дм (20 г/дм ) температура электролита 60—80°С. Используют стандартную ячейку для измерения потенциалов с анодом из олова. [c.30]

    Прежде чем включить ток, электролит охлаждают при перемешивании до минимально возможной постоянной температуры. Значение тока рассчитывают, исходя из заданной плотности тока и измеренной поверхности анода с учетом того, что рабочую поверхность анода составляет только платина. Титан в процессе не участвует, так как он электрохимически пассивируется. [c.188]

    Этот метод основан на измерении скорости движения ионов, определяемой по перемещению границы двух растворов при прохождении тока. В вертикальной трубке имеются два слоя растворов электролитов СА и МА, образующих отчетливую границу, которая при прохождении тока перемещается со скоростью, равной скорости движения ионов. Электролит МА является индикаторным. Для сохранения во время прохождения тока между растворами отчетливой границы прежде всего необходимо, чтобы скорость движения индикаторного иона М была меньше таковой иона С, а плотность верхнего раствора меньше плотности нижнего. Более точно условие сохранения четкой границы определяется условием  [c.471]

    Опыты начинают с измерения равновесного потенциала, в постоянстве которого убеждаются в течение 5—10 мин. При определении равновесного потенциала следует предварительно освободить электролит от растворенного в нем кислорода. В первом варианте исследуют изменение катодной поляризации во времени при плотностях тока на катоде 3, 6 и 9 мА/см потенциал измеряют каждые 10 с в течение 1 мин. Вначале измеряют скорость изменения катодного потенциала в растворе без добавок, а затем в присутствии поверхностно активных веществ. По окончании опытов с одним ме- [c.250]

    Следует иметь в виду, что эти расчеты — приближенные для точных расчетов необходимо воспользоваться закономерностями конвективной диффузии. Полученная графическая зависимость между и С позволяет разделить область диаграммы 1 р — С на две зоны катодных осадков — рыхлых и компактных (рис 97,6). При этом ниже линии ОП лежит зона переходных осадков от компактных осадков к рыхлым. Для выявления зон образования рыхлых и плотных катодных осадков при различных температурах необходимо знать зависимость величины К от температуры. Такая зависимость может быть получена измерением предельных плотностей тока в электролите с постоянной концентрацией разряжающихся ионов при различных температурах. [c.256]

    Значение импульса тока зависит от значения сопротивления, поэтому каждому импульсу тока соответствует определенное электрическое сопротивление, при этом любое измеренное значение тока будет меньше действительного /п, а R>Z, так как Если теперь представить плотность тока переноса электромагнитной энергии в системе электрод—электролит в виде луча (рис. 32). можно показать соответствующие преобразования параметров электрического сопротивления веществ под воздействием постоянной ЭДС. [c.62]

    В простейшем случае вольтамперометрическая ячейка содержит индикаторный электрод и во много раз превосходящий его по площади вспомогательный электрод. При этом плотность тока на вспомогательном электроде пренебрежимо мала по сравнению с индикаторным электродом, и поэтому потенциал вспомогательного электрода можно считать постоянным. Для уменьшения сопротивления раствора в него добавляют индифферентный (фоновый) электролит, так что омическое сопротивление раствора между электродами обычно оказывается существенно меньше импеданса границы раздела индикаторный электрод/раствор. В этих условиях напряжение между внешними концами электродов практически равно разности их потенциалов или, иначе говоря, потенциалу индикаторного электрода, измеренному относительно постоянного потенциала второго электрода (в дальнейшем для краткости его будем называть просто потенциалом индикаторного электрода). [c.263]

    Исходя ИЗ предыдущих соображений, кажется невозможным на основании уравнений гл. 1П вывести охватывающее все виды поляризации общее соотношение между катодным перенапряжением и плотностью тока водородного диффузионного электрода. Постоянное возникновение новой газовой фазы в виде пузырьков водорода создает бесчисленные геометрические соотношения, которые, кроме того, постоянно изменяются, как только пузырьки отрываются от электрода. Однако, исходя из первых (своего рода ориентировочных) измерений, представленных на фиг. 63 и 64, можно предположить, что определяющей стадией в реакции катодного выделения водорода на ДСК-электродах является замедленный разряд. Сделав это предположение, можно попытаться получить данные о глубине проникновения линий тока в поры диффузионного газового электрода при катодном выделении водорода. При этом предполагается, что пузырьки газа в порах не препятствуют переносу тока в электролите. [c.221]

    Эти методы, основанные на том или ином возмущении системы, можно еще подразделить на стационарные и переходные. В стационар ных методах подразумевается не только стационарность переноса заряда и связанных с ним химических процессов, но и постоянство структуры поверхности электрода и непосредственно примыкающих к нему областей в течение всего времени измерения. Не должны изменяться и концентрационные градиенты как в электроде, так и в электролите, а вместе с ними и ионный двойной слой в электролите. В случае полупроводникового электрода постоянной должна быть также область объемного заряда внутри электрода. На твердых электродах в течение эксперимента постоянной должна быть и микроструктура электродной поверхности (ориентация, истинная площадь, плотность центров зародышеобразования). Микроструктуру электрода особенно трудно поддерживать постоянной при наличии процессов осаждения или растворения в определенной области плотностей тока в рамках стационарных измерений. По этой причине многие электрохимики предпочитают изучать растворение и осаждение переходными методами, в которых измерения занимают достаточно короткое время и микроструктуру электрода можно считать постоянной. [c.159]

    На рис. 26 представлены гальваностатические кривые заряжения, измеренные на различных типах высокодисперсных углеродных материалов при очень низкой плотности тока ( 5-10 А/см ). Как в кислом, так и в щелочном электролите [184] кривые заряжения независимо от типа углеродного материала состоят из четырех участков. Участок с минимальной емкостью в окрестностях точки нулевого заряда соответствует двойнослойной емкости (Сдв). Линейный участок в области более отрицательных потенциалов приписывается адсорбции водорода (Сн). В области потенциалов положительнее двойно-слойной области имеет место адсорбция кислорода с различной энергией связи (участки с емкостью Со и Со ). [c.79]

    Измерения катодного перенапряжения были сделаны еще Вай-гертом Систематические исследования механизма реакций были проведены Феттером и Рихтером которым также не удалось установить механизм. В кислой среде часто возникает предельная плотность тока реакции р, не зависящая от интенсивности перемешивания электролита, но очень сильно зависящая от концентрации имеющегося в электролите 1 . С ростом концентрации величина р сильно увеличивается . На рис. 171 воспроизведены [c.511]

    При получении фтора контролю и регулированию подлежат следующие параметры сила тока (счетчики ампер-часов) напряжение (самопишущий вольтметр) электрическая изоляция ванны ( игнav ьнoe устройство) температура электролита (термопара и автоматическое регулирование) температура охлаждающей жидкости на входе и выходе из теплообменника концентрация фтористого водорода в электролите (измерение плотности или электропроводности) уровень электролита в ванне (уровнемеры с автоматической подпиткой) расход фтористого водорода (измерение веса или объема с автоматическим регулированием) выход фтора давление в газовых камерах электролизера (манометры) состав получаемого фтора и качество исходного фтористого водорода (химический анализ). [c.357]

    Себациновая кислота, так же как и адипиновая, является одним из мономеров для синтеза полиамидного синтетического волокна, отличающегося повышенной влагостойкостью. В настоящее время ее получают из дефицитного касторового масла. Поэтому имеет большое значение разработка в последние годы промышленного метода электрохимического синтеза себациновой кислоты по указанной выше реакции [55]. Электролиз ведут в метаноль-ной среде, в электролите, содержащем 280 г л монометилового эфира адипиновой кислоты, 80 г л монометиладипината натрия н 45 л воды, на графитовых анодах, отожженных при 1000—1100° С в атмосфере углеводородов для снижения пористости графита. При обеспечении отвода тепла, выделяющегося при электролизе, циркуляцией электролита, плотность тока на аноде удается поднять до 5500 а1.м . Выход диметилсебацината по веществу достигает 777о, по току 60%. Электролиз ведут до полной конверсии монометилового эфира адипиновой кислоты, контроль которой обеспечивается измерением pH электролита. Себестоимость полученной таким образом себациновой кислоты по крайней мере вдвое ниже себестоимости продукта, полученного из касторового масла. [c.454]

    Потенциалы измеряют гальваностатически с помощью по-тенцпостата (см. приложение /) для совместного (электролит № 1) и раздельного осаждения никеля (электролит № 2) и олова (электролит № 3) в интервале плотностей тока 50—500 А/м . Перед снятием поляризационных кривых электроды покрывают сплавом 8п — N1 в электролите № 1 (( к = 200 A/м ) и соответствующими металлами ( к = 100 А/м ) в электролитах № 2 и № 3. Толщина осадка 5—7 мкм. По данным измерения строят поляризационные кривые совместного и раздельного осаждения олова и никеля. [c.58]

    В качестве электролизеров используют емкости из стекла или винипласта вместимостью 0,2—0,5 дм . В каждый помещают по два анода из меди и катодную основу медную или титановую фольгу. Электроды электролизеров и медного кулонометра перед началом опыта подготавливают в соответствии с методикой, изложенной в приложении II. Электроды перед опытом и после его окончания взвешивают. Ток и напряжение на электролизере измеряют с точностью до 0,01 измеряемой величины. Электрическая схема приведена в приложении I. Кроме того, измеряют потенциалы электродов при рабочих плотностях тока и падение напряжения в электролите. Схема измерения приведена в приложении I. В качестве электрода сравнения используют ртутносульфатный электрод с концентрацией серной [c.123]

    Основные недостатки высокочастотного метода связаны с тем, что емкостное сопротивление при частоте 1 Л4гг имеет величину иа1—2 порядка меньше, чем объемное сопротивление электролита в ячейке. Поэтому для создания амплитуды напряжения на ячейке порядка 10 мв необходимо пропускать сравнительно большой ток, что приводит к нагреванию раствора. Большая плотность тока па электроде создает большое падение иапряжения в электролите, которое затрудняет измерение амплитуды потенциала электрода. Кроме того, зависимость напряжения на ячейке от концентрации при поляризации напряжением высокой частоты нелинейна. [c.229]

    При изучении кинетики электрохимических реакций имеет большое значение исследование кривых потенциал — время. Изменение поляризации во времени при постоянной величине тока позволяет судить об интенсивности разрастания образующегося на катоде осадка. Снятие кривых потенциал — время позволяет оценить эффект действия плотности тока, поверхностно активных веществ, вводимых в электролит, и других параметров на микроструктуру катодных осадков. В случае образования на катоде рыхлых осадков скорость измерения потенциала катода во времени ( ф/ О onsi характеризует интенсивность разрастания катодного осадка, т. е. степень его дисперсности и дендритности. [c.252]

    Измерения импеданса проводят при наложении напряжения малой амплитуды (неск. мВ), в пределах к-рой для электрохим. ячейки характерно линейное соотношение между током и напряжением. Диапазон используемых частот велик-от долей Гц до неск. МГц. Импеданс электрохим. ячейки равен сумме импедансов границ исследуемый электрод-электролит, вспомогат. электрод - электролит и сопротивления электролита. Для определения импеданса границы исследуемый электрод-электролит обычно используют вспомогат электрод со столь большой пов-стью, чтобы его импедансом можно было пренебречь, в случае систем с твердьпии электролитами измерения проводят с двумя идентичными электродами. Плотность перем. тока должна быть равномерно распределена по пов-сти исследуемого электрода, чтобы исключить влияние неравномерной поляризации на зависимость определяемого импеданса от частоты тока. Для измерения активной и реактивной составляющей импеданса применяют мостовые (компенсационные) методы модуль импеданса и угол сдвига фаз между током и напряжением устанавливают фазочувствит вольтметрами. [c.219]

    Фронтальные методы основаны на измерении скорости перемещения границы раздела р-ров с разной плотностью. Классич. вариант метода был рмработан в 1930 и с тех пор применяется для определения подвижности и разделения высокомол. в-в, в частности белков. В простейшей модификации метода в U-образную трубку помещают р-р белков, а над ним буферный электролит, в к-рый погружены электроды. При наложении электрич. поля ивдиввдуальные белки перемещаются с разл. скоростями, образуя серию границ. Их положение регистрируют оптич. методами по изменению коэф. преломления. [c.438]

    Фототурбидиметрически определяют сульфаты в хромовом электролите по измерению оптической плотности раствора с осадком Ва304 на ФЭК-М (светофильтр № 2) [325]. Хром (VI) предварительно восстанавливают до Сг(1П). При определении сульфатов в ваннах хромирования [1154] и электролитах хромирования [955] рекомендуется предварительное восстановление их до сероводорода, который определяют иодометрически [955] или фотометрируют окраску суспензии РЬЗ [1154]. [c.183]

    В разработанных элементах расплавленные металлы являются электродами, а расплавленные соли — электролитом. Агрусс приводит различные преимущества нового типа элементов по сравнению с прежними элементами, работающими с газовыми нли жидкостными диффузионными электродами и водным раствором электролита. Плотность тока обмена у металлических электродов в расплавленном электролите может быть очень больщой — порядка 200 а/сл , что позволяет получить высокие плотности тока при минимальной, почти не поддающейся измерениям активационной поляризации. Далее, число переноса катионов в электролите равно 1, поэтому в нем не может возникнуть концентрационная поляризация. Единственно заметные потери в таких элементах могут возникнуть из-за омического падения напряжения // , но они тоже будут гораздо меньще, так как проводимость расплавленных солей в 5 раз выще, чем проводимость обычных водных электролитов. [c.56]

    Среди результатов различных измерений Швабе с сотр в первую очередь следует привести гальваностатические диа граммы, снятые с неактивированных Ог-электродов из плати нированной платины в электролите 1 н. КОН (фиг. Пг) Даже при относительно небольших плотностях тока (0,4— 3 ма1см ) характеристики имеют неравномерный во времени ход, а при более высоких плотностях тока напряжение [c.80]

    В большинстве из указанных растворов перхлорат серебра слабо диссоциирован, но в жидких фтористом водороде н цианистом водороде " Ag 10, представляет собой сильный электролит. Изучен ряд реакций этой соли в цианистом водороде. Потенциал серебряного электрода был измерен в фурфуроле и целло-зольве . Сообщалось о диэлектрических константах, плотности и молекулярной поляризации разбавленных растворов перхлората серебра в бензоле . В сильно разбавленных растворах диэлектрическая постоянная приближается к теоретическому значению для ионной пары. [c.61]

---

Плотность электролита, значение и примеры

Плотность электролита и другие его физические свойства

При растворении в воде и в ряде неводных растворителей свойства электролитов проявляют соли, кислоты и основания. Электролитами являются также многие расплавленные соли, оксиды и гидроксиды, а также некоторые соли и оксиды в твердом состоянии.

Согласно теории электролитической диссоциации, при растворении в воде электролиты распадаются (диссоциируют) на положительно и отрицательно заряженные ионы. Положительно заряженные ионы называются катионами; к ним относятся, например, ионы водорода и металлов. Отрицательно заряженные ионы называются анионами; к ним принадлежат ионы кислотных остатков и гидроксид-ионы. Как и молекулы растворителя, ионы в растворе находятся в состоянии неупорядоченного теплового движения.

Процесс электролитической диссоциации

Процесс электролитической диссоциации изображают, пользуясь химическими уравнениями. Например, диссоциация хлороводородной кислоты HCl выражается уравнением:

HCl = H⁺ + Cl^—.

Понятие «плотность электролита» используется для описания характеристик свинцово-кислотных аккумуляторных батарей, в которых в качестве электролита используется серная кислота:

H₂SO₄ = 2H⁺ + SO₄^2-.

Плотность электролита измеряется в г/см³ и зависит от концентрации кислоты (чем она выше, чем больше значение плотности) и температуры раствора (чем она выше, чем ниже значение плотности). Для её измерения используют ареометры.

Таблица 1. Плотность электролита.

Макроклиматические районы*	Время года	Плотность электролита, г/см3
		заливаемого	заряженного батареей
Холодные: — очень холодный (-50 … -30) — холодный (-30 … -15)	Зима Лето Круглый год	1,28 1,24 1,27	1,30 1,26 1,29
Умеренные: — умеренный (-15 … -8) — теплый влажный (-8 … +4)	Тот же   >>	1,24   1,20	1,26   1,22
Жаркий сухой (-15 … +4)	>>	1,22	1,24

^*средняя месячная температура воздуха в январе, ^oС

Примеры решения задач

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Металлы - Плотность электролита и зарядка

Плотность электролита и зарядка.

Измерение плотности электролита. Самый простой способ измерения плотности электролита - измерение при помощи ареометра (гидрометра). Способ заключается в следующем: втягиваем необходимое количество электролита в пипетку таким образом, чтобы поплавок (денсиметр) мог свободно плавать, Тогда можно легко отсчитать плотность электролита на шкале поплавка (фот 9). Чтобы правильно определить уровень плотности, электролит должен быть тщательно перемешан. После добавления до необходимого уровня дистиллированной или химически очищенной воды, перед измерением следует подождать, пока электролит не станет однородным. Избегайте разбрызгивания электролита, Электролит - вещество очень едкое, при попадании в глаза или на голую кожу, может привести к серьёзным травмам. Кислота вызывает повреждения одежды, дерева, металла и лака.

В нижеприведённой таблице представлено отношение между плотностью электролита   и   зарядным   состоянием   аккумулятора    в   процентах.

Плотность электролита, кг/л        Уровень заряженности аккумулятора
25°С - 18°С

             1280                                                100%
             1240                                                75%
             1200                                                50%
             1160                                                25%
             1100                                                0%

Рис 8. Измерение двух разных плотностей электролита при помощи ареометра

Корректировка температуры.

Поплавок измерения плотности электролита (ареометра) градуирован при температуре +25°С. При значительно более высоких или низких температурах результат отсчёта необходимо корректировать, так как удельный вес кислоты изменяется вместе с температурой. Особенно важно помнить об этом в зимнее время. Через каждые 10°С ниже +25°С от показания на шкале поплавка отнимаем  0,007, а через каждые 10°С свыше + 25°С - добавляем 0,007. Нижеприведённая таблица представляет:
1.   температуру электролита
2.   отсчёт плотности электролита
3.   корректированную плотность электролита

Напряжение в состоянии покоя (w/+25°С) = (плотность электролита + 0,84) х количество элементов.

Таблица подтверждает, что плотность электролита 1,240, отсчитанная при температуре -18°С, фактически составляет 1,208. Это значит, что состояние заряженности аккумулятора составляет где-то 50% вместо 75%, как это следует из непосредственного измерения. Некоторые аккумуляторы нельзя проверить этим методом, так как их заливочные отверстия прочно закрыты. Тогда ход действия должен быть следующим: измеряем напряжение аккумулятора в состоянии покоя, чтобы узнать среднюю плотность электролита, Напряжение в состоянии покоя измеряется цифровым вольтметром после отключения аккумулятора (т.е. не должен заряжаться или использоваться по крайней мере 8 8 часов).

Напряжение в состоянии покоя (w/+25°С) = (Напряжение в состоянии покоя : количество элементов) – 0,84

Рис 9.

Датчики

| Бесплатный полнотекстовый | Разрешение в датчиках QCM для вязкости и плотности жидкостей: применение для свинцово-кислотных аккумуляторов

1. Введение

Свинцово-кислотные батареи являются одними из наиболее распространенных типов батарей, используемых во многих приложениях, таких как электромобили, фотоэлектрические системы, удаленные станции, подводные лодки, системы общей поддержки или телекоммуникационные системы. При таком большом количестве приложений время от времени становится важным знать состояние батареи в реальном времени, чтобы оптимизировать работу оборудования или обнаруживать неисправности на ранней стадии.Для определения состояния батареи необходимо контролировать ток, разницу в мощности между клеммами батареи, температуру, состояние заряда (SoC) и состояние здоровья (SoH). SoC - один из наиболее важных параметров, который необходимо знать, поскольку он позволяет улучшить работу, производительность, надежность и срок службы батареи. Превышение пределов заряда, установленных производителем, может сократить срок службы или даже разрушить аккумулятор [1,2].

Кварцевые кварцевые резонаторы - это пьезоэлектрические устройства, которые используются в электронных генераторах для различных целей, поскольку они могут обеспечивать высокоточный синхронизирующий сигнал на основе резонансной частоты кварца [3].Если масса адсорбируется или помещается на поверхность кристалла кварца, резонансная частота и, следовательно, частота колебаний изменяется пропорционально количеству массы. Это свойство широко используется в исследованиях массово адсорбированных газов, что позволяет использовать кварцевые кварцевые генераторы в качестве высокочувствительных микровесов, предназначенных для измерения изменений массы в диапазоне нанограмм путем покрытия кристалла материалом, который является селективным по отношению к интересующим веществам [4] . Эти типы датчиков называются QCM или Quartz Crystal Microbalance.Кроме того, из Канадзавы и Гордона [5] хорошо известно, что, когда кварцевый резонатор находится в контакте с ньютоновской жидкостью, существует линейная зависимость между сдвигом резонансной частоты и квадратным корнем из произведения плотности и вязкости жидкости. :

где Δf - сдвиг основной частоты кристалла кварца из-за изменений в квадрате произведения плотность-вязкость, Δρη, k - коэффициент чувствительности, определяемый формулой (2):

k = −2,26⋅10−6f03 / 24πHzgcm3poise

(2)

где f ₀ - номинальная частота датчика.Таким образом, датчик QCM может использоваться для обнаружения изменений в произведении плотности и вязкости жидкости. Более того, если номинальная частота датчика QCM увеличивается, чувствительность может быть улучшена для измерения изменений произведения плотности и вязкости в тестируемой жидкой среде.

Во время процесса заряда и разряда в свинцово-кислотных аккумуляторах, учитывая, что H ₂ SO ₄ участвует в электродной реакции, электролит становится более разбавленным во время разряда и повторно концентрируется во время заряда [1].Таким образом, такие параметры, как плотность и вязкость, меняются в зависимости от концентрации кислоты в электролите. Хорошо известно, что вязкость и, следовательно, ρη больше зависит от концентрации серной кислоты, чем от плотности [1]. Следовательно, можно использовать датчик QCM для обнаружения изменений концентрации кислоты посредством сдвига частоты из-за изменений квадрата произведения плотность-вязкость.

В этой статье описываются характеристики и применение датчика осциллятора Миллера QCM с частотой 9 МГц для мониторинга SoC в реальном времени во время процессов зарядки и разрядки свинцово-кислотных аккумуляторов [6,7].Кроме того, в разделе теории получено новое выражение для предела разрешающей способности, который может быть достигнут с помощью датчиков QCM для измерения изменений в произведении плотности и вязкости жидкой нагрузки. Это выражение завершает теорию предела разрешения, ранее опубликованную Родригес-Пардо и др. В [8] на примере датчиков QCM для физических свойств жидкостей.

Основной текст разделен на четыре части. В первом разделе развивается теория разрешения и обсуждаются температурные соображения.Во втором разделе описывается экспериментальная установка: калибровка и определение характеристик датчика с растворами серной кислоты в диапазоне батарей, тепловые характеристики, самодельный кварцевый держатель для размещения резонатора внутри аккумуляторного элемента и испытания в реальном времени. датчика в процессе заряда и разряда. В третьем разделе описываются результаты и обсуждения, а в четвертом и последнем разделе резюмируются выводы. Будет показано, что датчик способен обнаруживать изменения в SoC батареи около 0.2% с интервалом времени 2 с.

2. Теория

Чтобы охарактеризовать датчик QCM, необходимо определить не только чувствительность, но также стабильность частоты генератора и его разрешение. Стабильность частоты генератора - это его способность поддерживать постоянную частоту выходного сигнала во времени. Изучение частотного шума в генераторах QCM очень важно: оно позволяет определить минимально возможный сдвиг частоты электрического сигнала, который может быть обнаружен из-за изменения массы или жидкости [8].

Чтобы оценить стабильность частоты во временной области, необходимо определить дисперсию набора измерений частоты. Обычно для измерения дисперсии используются классические статистические данные, такие как стандартное отклонение или дисперсия. Однако дисперсия работает только со стационарными данными, результаты которых не должны зависеть от времени, а частота генератора обычно нестационарна. По этой причине неклассическая статистика используется для оценки стабильности частоты во временной области. Для нормализации измерений стабильности частоты во временной области IEEE предложил девиацию Аллана уравнения (3) [9].Предел обнаружения генератора может быть оценен с использованием этого уравнения отклонения (4), то есть наименьшего отклонения частоты, которое может быть обнаружено в присутствии шума. Затем разрешение датчика можно получить, используя соотношение между пределом обнаружения и коэффициентом чувствительности Уравнение (5) [8]:

σy2 (m, τ) = 12fo (m − 1) ∑n = 1m − 1 (f¯n + 1 (τ) −f¯n (τ)) 2

(3)

f¯n (τ) = 1τ∫tntn + τf (t) dt

(6)

где f _n (τ) (с этого момента f _n ) - это n-я выборка средней частоты, вычисленной за интервал времени τ, начиная с момента t _n Уравнение (6), f _o - это номинальная частота датчика, m - количество отсчетов, k - коэффициент чувствительности.

2.1. Предел разрешения QCM для измерения ρη

Виг и Уоллс предложили эмпирическую зависимость между наименьшим уровнем шума, создаваемого генератором в вакууме, и добротностью резонатора Q для времени выборки t от 0,1 до 10 с [10]:

σy (τ) мин = 1.0x10-7Q

(7)

Уравнение (7) указывает, что частотный шум уменьшается с увеличением добротности. Для датчиков QCM, работающих в жидкостях, демпфирование резонатора снижает максимально достижимую добротность.На рисунке 1 показана эквивалентная схема резонатора, предложенная Ван Дайком и Баттервортом [11] и модифицированная Мартином и Гранстаффом [12] с учетом массы и нагрузки жидкости.

Когда нет массовой нагрузки, L _Q2 = 0. Обычно L _Q3 ≪ L _Q1 , и предполагая идеальный кварц (R _Q1 ≈ 0), то максимальная добротность резонатора в жидкости равна задается уравнением (8) [8], где c66¯ - постоянная сдвиговой жесткости кварца, а ρ _q - плотность кварца:

Qmax≈1f0c66¯ρqπ41ρηQmax⋅fo⋅ρη≈ (7.8x105) гсм2⋅с

(8)

Затем минимально достижимая частота шума, предполагая Q _max , увеличивается с увеличением частоты и произведением ρη:

σy (τ) min = 1,28⋅10−13f0ρη

(9)

В этом случае лучший предел обнаружения осциллятора для изменений плотности и вязкости определяется по формуле:

Δfmin = 1,28⋅10−13f03 / 2ρηHZ

(10)

Согласно уравнению (5), наилучшее разрешение вычисляется путем деления минимального предела обнаружения на коэффициент чувствительности k, указанный в уравнении (2).Это приводит к выражению:

Разрешение = 2x10-7ρηgcm3cp

(11)

Уравнение, полученное для разрешения, показывает, что наилучшее разрешение для параметров жидкости (ρη), которое может быть получено с помощью датчика QCM, не зависит от частоты генератора, но зависит от характеристик жидкости.

2.2. Температурные аспекты

Аккумуляторные приложения, работающие в режиме реального времени, вызывают изменения температуры электролита во время процессов заряда и разряда.Эти изменения вызовут изменения в произведении плотности и вязкости жидкости, что приведет к сдвигу резонансной частоты датчика QCM. Точно так же кварц испытывает частотный резонансный тепловой дрейф, свойственный поведению кристалла [10,13]. Чтобы компенсировать эти два эффекта, необходимо получить температурные коэффициенты датчика QCM [14].

Изменение плотности электролита в свинцово-кислотных аккумуляторах в зависимости от температуры является хорошо известной величиной. Кроме того, уравнения Аррениуса и Пуазейля предсказывают изменение вязкости раствора с температурой.Раствор 40% серной кислоты, соответствующий полностью заряженному аккумулятору, имеет следующие выражения для плотности и вязкости, дрейфующих в зависимости от температуры [15,16]:

Δρ (Т) = - 7,45⋅10-4 (Т-Т0)

(12)

Δη (T) = - 1,53⋅10−5 (T − T0) 3 + 1,02⋅10−3 (T − T0) 2−4,98⋅10−2 (T − T0)

(13)

где T ₀ = 25 ° C - эталонная температура. С другой стороны, тепловой дрейф кварцевого резонатора АТ-среза можно выразить как в (14):

Δf (T) f0 = A1 [T − T0] + A2 [T − T0] 2 + A3 [T − T0] 3

(14)

где A ₁ , A ₂ и A ₃ - статические температурные коэффициенты, а T ₀ - эталонная температура (обычно T ₀ = 25 градусов Цельсия).Некоторые авторы приводят значения температурных коэффициентов АТ-среза кварца [17–20]. Однако предпочтительно оценивать индивидуальные коэффициенты для каждого приложения [21]. В следующем разделе получены тепловые коэффициенты для полностью заряженной батареи.

3. Экспериментальная часть

Самодельный генератор Миллера на 9 МГц использовался в качестве датчика SoC QCM для свинцово-кислотных аккумуляторов [6,7]. Чтобы оценить его экспериментальный коэффициент чувствительности к изменениям произведения плотность-вязкость электролита, калибровка проводилась с кварцевым резонатором, погруженным в растворы серной кислоты, термостатированным на 30 ° С.8 ° C с использованием циркуляционного термостата PolyScience. Температура электронного генератора поддерживалась стабильной на уровне 42 ° C во время калибровки с использованием монитора нагревателя Watlow. Концентрация серной кислоты в растворе изменялась ступенчато от 13% до 40%, что соответствует изменению состояния заряда аккумулятора с 13% до 99%. Для этого в раствор периодически добавляли небольшие количества концентрированной серной кислоты (95%), чтобы имитировать процесс зарядки аккумулятора. На рис. 2 (а, б) показано используемое оборудование и схема подключения испытательного стенда соответственно.Детали размещения датчика QCM показаны на рисунке 2 (c). Частота генератора и температура раствора контролировались на протяжении всего процесса с временем выборки 2 с. Измерения плотности раствора также проводили для каждого этапа концентрации серной кислоты с помощью прецизионного плотномера Anton Paar DMA-35. Параметры эквивалентной схемы резонатора также измерялись для каждой концентрации анализатором импеданса HP-4194A.

С целью узнать предел обнаружения (т.е., минимальное изменение частоты (Δf), которое можно измерить из-за изменений ρη) было проведено исследование кратковременной устойчивости. Отклонения Аллана для каждой концентрации серной кислоты в растворе рассчитывали по 150 образцам со временем отбора 2 с.

Для получения коэффициентов термокомпенсации датчика SoC QCM был проведен тест с погружением резонатора в 40% раствор серной кислоты. Температуру раствора изменяли между 17 ° C и 25 ° C, а температуру электронного генератора поддерживали стабильной на уровне 42 ° C.Частота колебаний, температура раствора и температура осциллятора отслеживались на протяжении всего процесса с временем выборки 2 с. Используя уравнения изменения плотности и вязкости раствора в зависимости от температуры (уравнения (12) и (13)) и уравнение Канадзавы и Гордона для изменения частоты с квадратным корнем из произведения плотность-вязкость (уравнения (1) и ( 2)) для номинальной частоты 9 МГц была определена часть сдвига частоты из-за вклада температуры в произведение плотность-вязкость раствора:

Δfρη (T) = 4.92 × 10−6 (T − T0) 3−4,33 × 10−4 (T − T0) 2 + 3,19 × 10−2 (T − T0)

(15)

На рисунке 3 показано изменение частоты, полученное во время теплового испытания (Δf _QCM ), и сдвиг частоты после компенсации изменения квадратного корня из произведения плотность-вязкость с температурой с использованием уравнения (15):

Δf (T) = ΔfQCM − Δfρη (T)

(16)

Используя кривую Δf (T) на рисунке 3, были получены термические коэффициенты для кварца в электролите (уравнение (14)):

А1 = 3.7 × 10−61 ° CA2 = 198 × 10−91 (° C) 2A2 = 12900 × 10−121 (° C) 3

(17)

Позже датчик был протестирован внутри свинцово-кислотного аккумулятора. Необходимо было разработать держатель подходящей формы, чтобы поместить кристалл кварца внутрь ячейки через вентиляционные отверстия в верхней части батареи (рис. 4 (a, b)). Этот держатель включает в себя воздушную камеру для обеспечения колебаний кристалла (рис. 4 (c)). Кроме того, для защиты держателя и кристалла кварца использовалось изоляционное покрытие, за исключением поверхности, контактирующей с электролитом батареи.Изоляционное покрытие предназначено для обеспечения электроизоляции и гидроизоляции.

Исследование кратковременной стабильности проводилось с датчиком внутри батареи, учитывая, что рабочие условия кварца отличаются от условий контролируемого испытания с растворами серной кислоты. Внутри батареи окружающая среда может быть мутной из-за взвешенных частиц. Это может вызвать нестабильность датчика. Чтобы оценить этот и любой другой эффект, который может создавать частотный шум, желательно знать разрешение датчика внутри батареи.Кроме того, после термокомпенсации интересно узнать частотный шум. Резонатор был помещен внутри аккумуляторного элемента в верхней части аккумулятора с SoC 99% (Рисунок 5). Температура электронного генератора поддерживалась постоянной на уровне 42 ° C, но электролит находился при комнатной температуре (температуре батареи). Частота колебаний, температура электролита и температура электронного генератора измерялись каждые 2 с в течение четырех дней. Была проведена температурная компенсация и определены отклонение Аллана и разрешение в реальных условиях применения датчика SoC QCM.

Наконец, датчик был протестирован в процессе зарядки и разрядки в реальном времени. Зарядка и разрядка проводились с кварцем внутри батареи. И снова частота колебаний, температура генератора и температура батареи контролировались каждые 2 с, и была проведена температурная компенсация измеренной частоты, чтобы получить изменение произведения плотность-вязкость в батарее и, следовательно, изменение SoC со временем в процессах зарядки и разрядки.Кроме того, плотность электролита периодически измерялась прецизионным плотномером Anton Paar DMA-35, чтобы проверить хорошую корреляцию между измерениями SoC и QCM.

4. Результаты и обсуждение

4.1. Калибровка в серных растворах. Чувствительность, частотный шум и разрешение

Что касается калибровки с серными растворами, на рисунке 6 показаны как изменения частоты при добавлении концентрированной кислоты, так и температура жидкости. Частота имеет несколько возрастающих пиков, которые соответствуют добавлению чистой кислоты.Это действие вызывает экзотермическую реакцию, частота которой зависит от увеличения температуры. Через несколько минут температура жидкости возвращается к своему стабильному значению (30,8 ° C), а частотный сдвиг зависит только от квадратного корня из произведения плотность-вязкость. Взяв значения измерений частоты и плотности в областях, где температура снова становится постоянной (линейные зоны ступеней частоты на рисунке 6), был получен калибровочный график на рисунке 7 и экспериментальная чувствительность Кэксперименталь = Δf / Δρη −2.Для этого датчика было определено значение 2 кГц / gcm3cp. Теоретический коэффициент чувствительности, рассчитанный по уравнению (2), составляет Kтеоретическая = −1,7 кГц / г · см3cp.

В таблице 1 экспериментальные добротность, отклонение Аллана, предел обнаружения и разрешение, полученные для каждой пары. обозначены ρη (каждый шаг частоты на рисунке 6). Эти результаты показывают, что шум выше минимально достижимого с использованием уравнения (9), возможно, из-за проблем со схемой. Разрешение немного уменьшается, когда ρη увеличивается, потому что добротность и, следовательно, тенденция к шуму увеличивается с увеличением ρη, как ожидалось для данной номинальной частоты.Рисунки 8 и 9 демонстрируют эту тенденцию. Наибольшее значение отклонения Аллана (8,8 × 10 ^-8 ) представляет наихудший случай. В этой ситуации коэффициент качества эксперимента Q _exp составляет 1279, а разрешение 4,6⋅10−4gcm3cp может быть достигнуто. При таком разрешении датчик QCM может обнаруживать изменения SoC в батарее примерно на 0,1% с интервалом измерения 2 с.

4.2. Датчик QCM в свинцово-кислотной батарее. Разрешение «на месте» и измерения SoC в процессах заряда и разряда

На рисунке 10 показана частота колебаний датчика с кварцевым резонатором, помещенным внутри полностью заряженной батареи (40% серной кислоты), и температура электролита (батарея при комнатная температура).На рисунке 11 показаны значения частоты, полученные после температурной компенсации с использованием уравнений (14) - (17) и девиации Аллана для времени усреднения от 1 до 30 с. Наихудшее значение Аллана составляет 1,6 × 10 ⁻⁷ , поэтому значение разрешения равно 8,5 × 10−4 г / см3cp. Если мы сравним эти значения шума «на месте» со значениями, полученными при калибровке с серными растворами (Таблица 1), можно сделать вывод, что частотный шум немного увеличивается, когда резонатор помещается внутри аккумуляторного элемента, возможно, из-за температурной компенсации.Однако при таком разрешении изменения в SoC все еще могут быть обнаружены на уровне около 0,2% с интервалом времени 2 с.

Что касается испытаний в процессах заряда и разряда в реальном времени, то на рисунках 12–15 показаны результаты испытаний. На рисунке 12 показаны частота колебаний и температура аккумулятора во время пробной зарядки. На рисунке 13 показаны значения частоты после температурной компенсации по уравнениям (14) - (17). После температурной компенсации частота колебаний зависит только от изменения произведения вязкость-плотность из-за сдвига SoC в соответствии с уравнением (1).Сдвиг Измерение ρη датчиком QCM также показано на рисунке 13. Датчик демонстрирует ожидаемую тенденцию процесса заряда в свинцово-кислотных аккумуляторах: в верхней части аккумулятора из-за расслоения электролита плотность и вязкость не увеличиваются. их значения значительно до тех пор, пока процесс зарядки не продвинется вперед и не возникнет пузырение [2,22].

В процессе разряда расслоение отсутствует, а плотность-вязкость изменяется линейно в зависимости от состояния заряда.На рисунке 14 показаны частота колебаний и температура батареи во время пробного разряда. На рисунке 15 значения частоты после температурной компенсации по уравнениям (14) - (17) и разрешенные значения для ρη проиллюстрированы.

Важным аспектом является устойчивость датчика к химическому воздействию серной кислоты, содержащейся в электролите батареи. Была изучена доступная литература по химической стойкости материалов, которые должны были контактировать с электролитом: кварц, золото (электроды кристалла) и силикон (изоляционное покрытие подложки).Держатель кристалла кварца не контактирует с кислотой (он покрыт силиконом). Было обнаружено, что эти материалы невосприимчивы к кислотной атаке. Однако оставалось неясным влияние кислоты на хром, используемый в качестве адгезионного слоя для золотых электродов. Чтобы узнать это, резонатор QCM был погружен в аккумуляторную батарею на семь месяцев. По окончании испытаний были проведены пассивные измерения параметров схемы замещения кварцевого резонатора. В таблице 2 показаны измерения, сделанные до начала испытаний, и после того, как датчик находился внутри батареи в течение семи месяцев.В обоих случаях измерения проводились при установке кристалла в самодельную подставку. На основании этих результатов можно считать, что концентрация серной кислоты в электролите не является агрессивной для датчика. Хотя R меняет свое значение (8,88–11,05 Ом), это изменение незначительно и может быть связано с тем, что условия очистки кварца не одинаковы до и после погружения датчика внутрь батареи. Перед тем, как вставить датчик в батарею, кварц был тщательно очищен ацетоном и дистиллированной водой.Затем наносится изоляционный силикон, и когда он высыхает, измеряются электрические параметры датчика. После семи месяцев погружения в аккумулятор датчик извлекается и тщательно очищается, но только дистиллированной водой. Ацетон не используется во избежание химического воздействия на силикон, поэтому может оказаться, что кристалл имеет некоторую примесь на электроде при повторном измерении электрических параметров датчика. Также может быть небольшое старение датчика.

4.Выводы

Разработан датчик QCM высокого разрешения для контроля состояния заряда свинцово-кислотных аккумуляторов. Калибровка сенсора проводилась в растворах серной кислоты с концентрациями в диапазоне циклов заряда-разряда. Был определен частотный шум, показывающий, что существует корреляция между шумом и ρη. Тепловые испытания кварцевого резонатора в жидких средах были проведены с целью разработки датчика QCM с температурной компенсацией, который позволяет избежать изменений в отклике датчика из-за обычных изменений температуры электролита, которые происходят в процессах заряда и разряда батареи.Таким образом, была получена взаимосвязь между сдвигом частоты и изменением квадратного корня из произведения плотность-вязкость электролита из-за температуры для полностью заряженной батареи. Также были получены коэффициенты температурной компенсации кварца, погруженного в электролит полностью заряженной батареи. Тепловая компенсация двух эффектов была успешно применена. Кроме того, разработанный датчик был экспериментально охарактеризован в батарее, и было обнаружено, что он способен обнаруживать изменения концентрации серной кислоты в электролите посредством изменения квадрата зависимости плотности от вязкости продукта с разрешением 8.5 × 10−4 г / см3cp. Следовательно, изменения SoC батареи около 0,2% можно обнаружить с интервалом времени 2 с. Во время циклов зарядки-разрядки батареи проводились тесты в реальном времени, чтобы убедиться, что датчик реагирует надлежащим образом. Кроме того, было получено теоретическое уравнение для наилучшего разрешения QCM для изменений произведения плотности жидкости на вязкость, которые могут быть достигнуты. Это уравнение показывает, что наилучшее разрешение не зависит от частоты генератора. Следовательно, для улучшения разрешения нет необходимости увеличивать частоту, но необходимо уменьшить шум, присутствующий в цепи, чтобы реальные датчики QCM достигли наилучшего разрешения.

Полутвердые электроды из щелочных металлов, обеспечивающие высокую критическую плотность тока в батареях с твердым электролитом

1.

Howell, D., Cunningham, B. Duong, T. & Faguy, P. Обзор передовой программы исследований и разработок DOE Vehicle Technologies Office (Офис автомобильных технологий, 2016).

2.

Harlow, J. E. et al. Широкий спектр результатов испытаний отличного химического состава литий-ионных элементов, которые можно использовать в качестве эталонов для новых технологий аккумуляторов. J. Electrochem.Soc. 166 , A3031 – A3044 (2019).

Google ученый

3.

Биллс, А., Шрипад, С., Фредерикс, У. Л., Сингх, М. и Вишванатан, В. Показатели производительности, необходимые для аккумуляторных батарей нового поколения для электрификации коммерческих самолетов. ACS Energy Lett. 5 , 663–668 (2020).

Google ученый

4.

Альбертус П., Бабинек С., Литзельман С. и Ньюман А.Состояние и проблемы, связанные с использованием литий-металлического электрода для высокоэнергетических и недорогих аккумуляторных батарей. Nat. Energy 3 , 16–21 (2018).

Google ученый

5.

Aurbach, D., Zinigrad, E., Cohen, Y. & Teller, H. Краткий обзор механизмов разрушения анодов из металлического лития и литированного графита в растворах жидких электролитов. Ион твердого тела. 148 , 405–416 (2002).

Google ученый

6.

Liu, Z. et al. Межфазное исследование межфазной границы твердого электролита на металлическом литиевом аноде: значение для роста литий-дендритов. J. Electrochem. Soc. 163 , A592 – A598 (2016).

Google ученый

7.

Manthiram, A., Yu, X. & Wang, S. Химия литиевых батарей обеспечивается твердотельными электролитами. Nat. Rev. Mater. 2 , 16103 (2017).

Google ученый

8.

Керман, К., Лунц, А., Вишванатан, В., Чан, Ю.-М. И Чен, З. Практические проблемы, препятствующие разработке твердотельных ионно-литиевых батарей. J. Electrochem. Soc. 164 , A1731 – A1744 (2017).

Google ученый

9.

Янек, Дж. И Зейер, У. Г. Надежное будущее для разработки аккумуляторов. Nat. Энергия 1 , 16141 (2016).

Google ученый

10.

Тангадурай В., Нараянан С. и Пинзару Д. Твердотельные быстрые ионно-литиевые проводники типа граната для литиевых батарей: критический обзор. Chem. Soc. Ред. 43 , 4714–4727 (2014).

Google ученый

11.

Liu, D. et al. Последние достижения в области твердых электролитов на основе сульфидов для литий-ионных аккумуляторов. Матер. Sci. Англ. В 213 , 169–176 (2016).

Google ученый

12.

McGrogan, F. et al. Податливое, но хрупкое механическое поведение Li ₂ S – P ₂ S ₅ литий-ионный твердый электролит. Adv. Energy Mater. 7 , 1602011 (2017).

Google ученый

13.

Wolfenstine, J. et al. Предварительное исследование вязкости разрушения Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ и его сравнение с другими твердыми литий-ионными проводниками.Матер. Lett. 96 , 117–120 (2013).

Google ученый

14.

Монро, К. и Ньюман, Дж. Влияние упругой деформации на кинетику осаждения на границах раздела литий / полимер. J. Electrochem. Soc. 152 , A396 – A404 (2005).

Google ученый

15.

Porz, L. et al. Механизм проникновения металлического лития через неорганические твердые электролиты.Adv. Energy Mater. 7 , 1701003 (2017).

Google ученый

16.

Swamy, T. et al. Проникновение металлического лития, вызванное электроосаждением через твердые электролиты: пример в монокристалле граната Li ₆ La ₃ ZrTaO ₁₂ . J. Electrochem. Soc. 165 , A3648 – A3655 (2018).

Google ученый

17.

Aguesse, F.и другие. Исследование роста дендритов во время полного цикла ячейки гранатового электролита в прямом контакте с металлическим Li. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 9 , 3808–3816 (2017).

Google ученый

18.

Sharafi, A., Meyer, HM, Nanda, J., Wolfenstine, J. & Sakamoto, J. Определение характеристик Li – Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ стабильность и кинетика как функция температуры и плотности тока.J. Источники энергии 302 , 135–139 (2016).

Google ученый

19.

Ren, Y., Shen, Y., Lin, Y. H. & Nan, C. W. Прямое наблюдение дендритов лития внутри литий-ионного твердого электролита гранатового типа. Электрохим. Commun. 57 , 27–30 (2015).

Google ученый

20.

Nagao, M. et al. СЭМ-исследование in situ механизма осаждения и растворения лития в твердотельном элементе объемного типа с твердым электролитом Li ₂ S – P ₂ S ₅ .Phys. Chem. Chem. Phys. 15 , 18600–18606 (2013).

Google ученый

21.

Taylor, N.J. et al. Демонстрация высоких плотностей тока и длительной цикличности в гранате Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ твердый электролит. J. Источники энергии 396 , 314–318 (2018).

Google ученый

22.

Джолли Д.S. et al. Граница раздела натрий / Na β ″ оксид алюминия: влияние давления на пустоты. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 12 , 678–685 (2020).

Google ученый

23.

Bay, M.-C. и другие. Натриевое покрытие из керамики на основе Na-β ″ -оксида алюминия при комнатной температуре, открывающее путь для быстрой зарядки полностью твердотельных аккумуляторов. Adv. Energy Mater. 10 , 19 (2019).

Google ученый

24.

Kasemchainan, J. et al. Критический ток зачистки приводит к образованию дендритов на покрытии ячеек с твердым электролитом с литиевым анодом. Nat. Матер. 18 , 1105–1111 (2019).

Google ученый

25.

Гриффит А. А. Явления разрыва и течения в твердых телах. Фил. Пер. Рой. Soc. 221A , 163–198 (1920).

MATH Google ученый

26.

Inglis, C.E. Напряжения в пластине из-за наличия трещин и острых зазубрин. Пер. Рой. Inst. Нав. Archit. 55 , 219–241 (1913).

Google ученый

27.

Орован Э. Разрушение и прочность твердых тел. Rep. Prog. Phys. 12 , 185–232 (1949).

Google ученый

28.

Виркар, А. В. и Вишванатан, Л. Проникновение натрия в проводники с быстрыми ионами.Варенье. Ceram. Soc. 62 , 528–529 (1979).

Google ученый

29.

Виркар А.В. О некоторых аспектах разрушения твердого электролита β ″ -оксида алюминия. J. Mater. Sci. 16, , 1142–1150 (1981).

Google ученый

30.

Финчер, К. Д., Охеда, Д., Чжан, Ю., Фарр, Г. М. и Фарр, М. Механические свойства металлического лития: от нано до объемных масштабов.Acta Mater. 186 , 215–222 (2019).

Google ученый

31.

LePage, W. S. et al. Механика лития: роль скорости деформации и температуры и последствия для литий-металлических батарей. J. Electrochem. Soc. 166 , A89 – A97 (2019).

Google ученый

32.

Xu, C., Ahmad, Z., Aryanfar, A., Viswanathan, V. & Greer, J. R. Повышенная прочность и температурная зависимость механических свойств Li в малых масштабах и ее значение для металлических анодов Li.Proc. Natl Acad. Sci. США 114 , 57–61 (2017).

Google ученый

33.

Вакс В.Г., Кравчук С.П., Зароченцев Е.В., Сафронов В.П. Температурная зависимость упругих постоянных в щелочных металлах. J. Phys. F 8 , 725–742 (1978).

Google ученый

34.

Халл Д. и Розенберг Х. М. Деформация лития, натрия и калия при низких температурах: эксперименты на растяжение и сопротивление.Филос. Mag. 4 , 303–315 (1959).

Google ученый

35.

Andrade, E. Nd-C. & Доббс, Э. Р. Вязкости жидкого лития, рубидия и цезия. Proc. R. Soc. Лондон. А 211 , 12–30 (1952).

Google ученый

36.

Гросс, А. В. Вязкости жидких натрия и калия, от их точек плавления до критических точек. Science 147 , 1438–1411 (1965).

Google ученый

37.

Финчер, К. Д., Чжан, Ю., Фарр, Г. М., Фарр, М. Упругие и пластические характеристики металлического натрия. ACS Appl. Energy Mater. 3 , 1759–1767 (2020).

Google ученый

38.

Табор Д. Твердость металлов (Oxford Univ. Press, 2000).

39.

Бейтс, Дж. Б., Дадни, Н. Дж., Нойдекер, Б., Уэда, А.И Эванс, К. Д. Тонкопленочные литиевые и литий-ионные батареи. Ион твердого тела. 135 , 33–45 (2000).

Google ученый

40.

Baclig, A.C. et al. Высоковольтная проточная жидкометаллическая батарея, работающая при комнатной температуре, благодаря стабильности Na – K | K – β ″ -оксида алюминия. Джоуль 2 , 1287–1296 (2018).

Google ученый

41.

Лю, К., Шами, Дж. С., Шоу, Л. Л.И Спренкл, В. Л. Расплавленный натрий-ванадиевый аккумулятор при температуре окружающей среды с водным проточным католитом. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 8 , 1545–1552 (2015).

Google ученый

42.

Guo, X. et al. Самовосстанавливающийся жидкометаллический анод комнатной температуры для щелочно-ионных батарей. Adv. Funct. Матер. 28 , 1804649 (2018).

Google ученый

43.

Sharafi, A. et al. Поверхностно-химический механизм сверхнизкого межфазного сопротивления в твердотельном электролите Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ . Chem. Матер. 29 , 7961–7968 (2017).

Google ученый

44.

Анстис, Г. Р., Чантикул, П., Лоун, Б. Р. и Маршалл, Д. Б. Критическая оценка методов вдавливания для измерения вязкости разрушения: I, прямые измерения трещин.Варенье. Ceram. Soc. 64, , 533–538 (1981).

Google ученый

45.

Эванс, А.Г. и Чарльз, Э.А. Определение вязкости разрушения путем вдавливания. Варенье. Ceram. Soc. 59 , 371–372 (1976).

Google ученый

46.

Кауфман Л. Устойчивость решетки металлов - I. Титан и цирконий. Acta Metall. 7 , 575–587 (1959).

Google ученый

47.

Динсдейл, А. Т. Данные SGTE для чистых элементов. Calphad 15 , 317–425 (1991).

Google ученый

48.

Редлих О. и Кистер С. Т. Алгебраическое представление термодинамических свойств и классификация решений. Ind. Eng. Chem. 20 , 345–348 (1948).

Google ученый

49.

Лукас, Х., Фрис, С. Г. и Сундман. B. Вычислительная термодинамика: метод CALPHAD (Cambridge Univ. Press, 2007).

50.

Чжан, С. Дж. Термодинамическое исследование влияния примесей щелочных металлов на обработку сплавов Al и Mg. Кандидатская диссертация (Государственный университет Пенсильвании, 2006).

51.

Баллаффи Р., Аллен С. М. и Картер У. К. Кинетика материалов (Wiley, 2005).

Ограничивающее электроосаждение металлов в структурированных электролитах

% PDF-1.4 % 198 0 объект > эндобдж 199 0 объект > поток DOI: 10.1073 / pnas.1803385115application / pdf

Ограничивающее электроосаждение металлов в структурированных электролитах

10.1073 / pnas.1803385115 http://dx.doi.org/10.1073/pnas.18033851152018-06-07false10.1073/pnas.1803385115

www.pnas.org

www.pnas.org

10.1073 / pnas.18033851152018-06-07false

www.pnas.org

2021-11-20T23: 31: 44-08: 002021-11-20T23: 31: 44-08: 002018-06-07T00: 05: 59 + 05: 30Arbortext Advanced Print Publisher 9.1.510 / Вт UnicodeAcrobat Distiller 10.0.0 (Windows) uuid: a04ec435-1dd1-11b2-0a00-6509275dc400uuid: a04ec438-1dd1-11b2-0a00-810000000000 конечный поток эндобдж 139 0 объект > эндобдж 12 0 объект > эндобдж 25 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / Shading> / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 55 0 R / Type / Page >> эндобдж 26 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 66 0 R / Type / Page >> эндобдж 27 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 76 0 R / Type / Page >> эндобдж 28 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / Properties> / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 90 0 R / Type / Page >> эндобдж 29 0 объект > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 108 0 R / Type / Page >> эндобдж 5 0 obj > / ExtGState> / Font> / ProcSet [/ PDF / Text / ImageC] / XObject >>> / Rotate 0 / Thumb 6 0 R / Type / Page >> эндобдж 233 0 объект > поток HWr8 | WQ oNbg3j33-7!) {؛ JJ / 8} ௣8 "؄_ Mt_Qp ^ vfr: ^ $ O ( (9 0: 3Qaf, ʄI`) = V ݼ tcPb> + ߳ YU5ǡ F + v0 FcѢkS7cO ({( 8Q`r = & ipNkb4rxG68e 01d & rkWM9eXpw_U + G7ŢV.9 * Ad = O ֺ Nrh ~ v υuXęD0ί> ;

Влияние температуры электролита и плотности тока на микротвердость слоя, создаваемую анодным окислением алюминия

В статье исследуется влияние химического состава и температуры электролита, времени окисления, напряжения и плотности тока на микротвердость по Виккерсу. слоев оксида алюминия одновременно. Слои создавались в электролитах с различной концентрацией серной и щавелевой кислот и плотностями поверхностного тока 1 А · дм ⁻² , 3 А · дм ⁻² и 5 А · дм ⁻² .Температура электролита изменялась от -1,78 ° С до 45,78 ° С. Результаты показали, что при повышении температуры электролита при плотности тока 1 А · дм ⁻² увеличение значений микротвердости слоев составляет примерно 66%. При одновременном увеличении молярной концентрации H ₂ SO ₄ в электролите скорость роста значения микротвердости снижается. При плотности тока 3 А · дм ⁻² за счет повышения температуры электролита происходит снижение микротвердости сформированного слоя при времени анодного окисления менее 25 мин.Температура электролита не имеет значения при изменении значений микротвердости слоя при напряжениях менее 10,5 В.

1. Введение

Свойства поверхностных слоев, образованных анодным оксидом алюминия (AAO), такие как высокая поверхностная твердость слой, коррозионная стойкость [1, 2] и износостойкость предопределяют обработанные таким образом изделия из алюминия для широкого применения не только в традиционных областях машиностроения, транспорта и строительства, но и для потенциального использования в магнитных носителях записи [3 ], фотоэлектрические солнечные элементы [4], фильтры [5], химические сенсоры [6], фотоника [7] и металлические нанопроволоки [8, 9].

Большинство экспериментальных работ в области (микротвердости) проводится в «сложных» условиях анодирования. Сюда можно отнести низкие температуры электролита, а часто и особый химический состав электролитов. Их основная цель - достижение высоких значений микротвердости слоев. По словам Скотта [10], который для анодного окисления в серной кислоте при постоянной плотности тока 4 А · дм ⁻² , менял температуру от −5 ° C до 15 ° C, микротвердость в этих условиях влияет в незначительной степени, что также связано с износостойкостью.Другое исследование, опубликованное Коидзуми и соавт. [11] посвящено анодному окислению алюминия в гальваностатическом режиме. Использовались плотности тока от 1 до 8 А · дм ^-2 ; электролит состоял из серной кислоты и щавелевой кислоты. Температура электролита составляла от –5 ° C до 20 ° C. Коидзуми и др. [11] утверждают, что микротвердость и износостойкость практически постоянны в интервале температур от –5 ° C до 5 ° C независимо от приложенной плотности тока. Кроме того, в этом исследовании утверждается, что повышение температуры электролита приводит к постепенному снижению значения микротвердости.Более значительное снижение микротвердости происходит при использовании меньших значений плотности тока. К этому утверждению, однако, следует относиться с осторожностью, поскольку время анодного окисления в этом эксперименте всегда было постоянным, то есть 45 минут, независимо от используемых плотностей тока. В результате были созданы и впоследствии оценены слои большей толщины. Толщина формируемого слоя напрямую влияет на результирующие значения микротвердости и износостойкости [12–14].

Слои АОА толщиной 25 мкм и более, образованные в электролите, состоящем из серной кислоты, при температурах в интервале от 15 ° C до 30 ° C и при различных значениях приложенных плотностей тока (от 1 до 4 A · дм ⁻² ), по мнению некоторых авторов [15], имеют более мягкий внешний слой, что снижает прозрачность слоя, а также его микротвердость и износостойкость. На основании публикации [16] было замечено, что на размер пор влияют напряжение, температура электролита и время анодного окисления.Вертикальный рост пор (10–250 нм · мин ^–1 ) экспоненциально зависит от напряжения и линейно зависит от изменения температуры электролита. С другой стороны, диаметр пор (50-130 нм) линейно изменяется вместе с приложенным напряжением. Размер и количество пор сильно влияют на микротвердость слоя. В работе [17], посвященной реанодированию с целью экспериментального получения кинетики на основе рассчитанных зависимостей, делается вывод, что имеющиеся значения констант, зависящие от напряженности электрического поля и температуры, неприменимы к анодному окисление при высоких плотностях тока.В качестве возможного объяснения дается повышение температуры внутри сформированного слоя.

Целью авторов является экспериментальный анализ зависимости микротвердости слоя от изменения температуры электролита и плотности тока. Процессы обработки поверхности представляют собой сложные многофакторные системы со значительным эффектом взаимодействия. Эти взаимодействия обычно оказываются более значительными, чем влияние отдельных факторов. Таким образом, микротвердость анализируется также с учетом влияния других рабочих факторов.Таким образом, можно делать более точные выводы и рекомендации.

2. Экспериментальный

Алюминиевый лист EN AW-1050 A-h34 толщиной 0,5 мм использовался в качестве экспериментального анодного материала. Химический состав экспериментального материала представлен в таблице 1.

Ti Si Fe Cu Mn Cr Zn 0.25 0,40 0,05 0,01 0,01 0,07 0,05

Образцы с размерами 100 × 10 × 0,5 мм были химически обезжирены в растворе бикарбонат натрия <20%, пентагидрат метасиликата натрия <5%, фосфаты <30%, бораты <40% и поверхностно-активные вещества <5% при температуре ° C в течение 15 минут. Затем образцы тщательно промывали в деионизованной воде и погружали в 45% раствор гидроксида натрия при температуре ° C на 1 мин.Анодирование было выполнено на основе методологии Плана экспериментов, соответствующей вращающейся центральной композитной конструкции с 44 испытательными запусками. Отдельные прогоны проводились в соответствии с планом эксперимента как комбинация уровней факторов, соответствующих таблице 2.

Код фактора Фактор Единица Уровень фактора −2,37 −1 0 +1 +2.37 x 1 (H 2 SO 4 ) моль · л −1 0,09 0,87 1,43 1,99 2,76 x 2 (C 2 H 2 O 4 ) моль · л −1 0,0164 0,13 0,18 0,23 0.30 x 3 ° C −1,78 12 22 32 45,78 x 4 мин 1,22 15 25688 25 x 5 V 6,43 8,5 10 11,5 13.57

После анодирования образцы немедленно промывали в охлажденной (примерно 10 ° C) демиводе в течение 1 минуты с последующей промывкой в ​​проточной водопроводной воде в течение еще 2 минут для вымывания электролита. попали в дефекты. После этого образцы сушили сжатым воздухом и сушили в печи (при температуре 50 ° C в течение 20 минут).

В области обработки поверхности ячейка Халла в основном используется для проверки функциональности электролита и химического состава электролита.Ячейка Халла в форме прямоугольной трапеции с размерами, соответствующими рисунку 1, использовалась для обоих проведенных экспериментов. На рисунке 1 также показано подключение экспериментальной установки, которая включает в себя регулируемый источник постоянного тока (постоянный контроль напряжения от 0 до 20 В), амперметр для контроля измерения постоянного тока, протекающего через электрическую цепь (регулировка тока от 0 до 5). А) и вольтметр для измерения полного напряжения.

3. Результаты и обсуждение

Первоначальный эксперимент проводился для определения основных физических эффектов, таких как напряжение, температура электролита и общий ток.Графическое представление временной зависимости приведено на Рисунке 2.

График (Рисунок 2 (а)) показывает, что изменение полного тока во времени сильно зависит от температуры электролита. Кинетику роста анодного слоя можно увидеть на рисунке 2 (б), который представляет временную зависимость протекающего тока. Первые 30 секунд - важный временной интервал, когда образуется непористый барьерный слой. Первый этап характеризуется резким увеличением значения полного тока за очень короткое время и его последующим снижением.Здесь происходит рост анодного потенциала. На этом этапе образуются зародыши оксидных клеток и поверхностный барьерный оксидный слой. Первые ячейки образуются в местах узлов границ между кристаллами поверхности алюминия [18]. Вдоль этих границ образуются другие оксидные ячейки. Образование оксидных ячеек в этих местах связано с более высоким химическим потенциалом этих областей и высокой концентрацией кристаллографических дефектов. В конце этого этапа происходит повторный рост общего тока и уменьшение анодного потенциала.В этой фазе количество оксидных ячеек уменьшается. При этом происходит увеличение их размеров по механизму «конкуренции» (увеличение размеров ячеек за счет других, бесперспективно). В то же время происходит утолщение распределения клеток и, следовательно, уменьшение неклеточных площадей барьерного оксидного слоя. На этом этапе больше нет резкого падения потенциала анода. Размеры оксидных ячеек увеличиваются, но скорость этого процесса существенно снижается.На третьем этапе, который характеризуется постоянным значением тока, а также значением потенциала анода, анодно окисленный слой увеличивается с учетом его толщины, и слой имеет пористую структуру (рис. 3).

Анализ значений микротвердости слоев, создаваемых анодным окислением алюминия, в зависимости от температуры представлен на рисунках 4–12. В рамках экспериментального анализа оценивается влияние других эксплуатационных факторов на изменение значения микротвердости.На рис. 4 при плотности тока 1 А · дм ⁻² можно наблюдать сильно нелинейную зависимость микротвердости слоя от температуры электролита.

В диапазоне температур электролита от -1,5 до 8,5 ° С происходит снижение микротвердости слоя. Это снижение можно объяснить низким напряжением, а также низким значением молярной концентрации H ₂ SO ₄ . Повышение температуры электролита более 8.5 ° С приводит к резкому увеличению значения микротвердости слоя. В интервале температуры электролита от 11,5 ° С до 45,5 ° С произойдет увеличение микротвердости слоя на 78%. При плотностях тока 3 А · дм ⁻² и 5 А · дм ⁻² температура электролита существенно не влияет на значение микротвердости слоя. При 3 А · дм ⁻² повышение температуры электролита вызывает снижение микротвердости слоя даже на 7%.При плотности тока 5 А · дм ⁻² наблюдается небольшое увеличение микротвердости слоя около 4%.

Зависимость микротвердости от температуры электролита при увеличении молярной концентрации серной кислоты до 1,43 моль · л ⁻¹ приведена на рисунке 5. Здесь также можно наблюдать область минимальных значений микротвердости слоя при текущем токе. плотность 1 А · дм ⁻² . Абсолютное значение микротвердости слоя в области минимума (1.От 5 до 8,5 ° C) составляет в среднем около 30%. Увеличение молярной концентрации H ₂ SO ₄ от 0,09 моль · л ⁻¹ до 1,43 моль · л ⁻¹ в областях низких температур приводит к увеличению микротвердости слоя почти на 54% при плотность тока 1 А · дм ⁻² . При плотности тока 3 А · дм ⁻² наблюдается уменьшение микротвердости слоя с повышением температуры электролита. Это снижение значения микротвердости составляет 23%.Снижение микротвердости по сравнению с электролитом с c (H ₂ SO ₄ ) = 0,09 моль · л ⁻¹ составляет почти 16%. Развитие микротвердости слоя при плотности тока 5 А · дм ⁻² можно считать постоянным. Температура электролита не оказывает существенного влияния на микротвердость слоя при плотности тока 5 А · дм ⁻² .

Дальнейшее увеличение молярной концентрации серной кислоты до 2,76 моль · л ⁻¹ (рисунок 6) при плотности тока 1 А · дм ⁻² приводит к расширению областей минимальных значений и увеличение среднего значения микротвердости.Область минимума увеличена с 1,5 до 11,5 ° C. Среднее значение микротвердости по сравнению с электролитом с c (H ₂ SO ₄ ) = 1,43 моль · л ⁻¹ увеличено на 36%. При плотности тока 3 А · дм ⁻² наблюдается значительное снижение микротвердости слоя в зависимости от температуры электролита. Это снижение составляет 35%. Увеличение абсолютного среднего значения микротвердости слоя по сравнению с электролитом с c (H ₂ SO ₄ ) = 1.43 моль · л ⁻¹ , при плотности тока 3 А · дм ⁻² в среднем составляет 12%. При температуре электролита -1,5 ° С разница значений микротвердости составляет 20%. С повышением температуры электролита разница уменьшается до значения 12% при температуре 45,5 ° C. При плотности тока 5 А · дм ⁻² наблюдается лишь незначительное увеличение микротвердости слоя в зависимости от температуры электролита. Величина прибавки - 2.5%.

На основании анализа температура электролита является значимым фактором при плотности тока 1 А · дм ⁻² . Это также наиболее важный фактор, влияющий на микротвердость слоя. Доля температуры в общей изменчивости значений микротвердости составляет 14%. Сильная зависимость микротвердости слоя от температуры электролита также отражается на взаимодействии с молярной концентрацией серной кислоты в электролите. При одновременном повышении температуры электролита и молярной концентрации серной кислоты среднее значение микротвердости увеличивается.Это связано с природой анодного окисления. При разработке пористых оксидных слоев в одной и той же системе существуют две параллельные реакции: одна для электрохимического анодного образования оксида металла (), а другая для химического растворения того же оксида в том же электролите [19]. : Уравнение (1) представляет электрохимическую анодную реакцию. Изменение его свободной энергии регулируется уравнением Нернста и является функцией потенциала электрода, который определяет способность металла преобразовываться в электролите в ионную форму: где - число перенесенных электронов, - постоянная Фаррадея, и - потенциал электрода, на который влияет приложенное напряжение.Уравнение (2) выражает химическую реакцию с изменением свободной энергии на постоянное значение независимо от приложенного напряжения. Из-за повышения температуры электролита происходит преобладание химического растворения. Увеличение плотности тока обычно приводит к увеличению толщины слоя и, как следствие, к увеличению тепла на границе оксид-электролит [14].

Эти эффекты могут создавать большие градиенты температуры электролита и состава вдоль более глубоких стенок пор с возможным благоприятным влиянием на растворение оксидов и адсорбцию сульфат-анионов на стенках пор [20].Кроме того, более высокая движущая сила ускоряет реакции на границе раздела подложка-оксид и, как следствие, появление дефектов. Ожидается, что эти локальные эффекты уменьшат микротвердость анодных оксидных слоев [14].

Для плотностей тока 3 А · дм ⁻² и 5 А · дм ⁻² температура электролита имеет значение только во взаимодействии с молярной концентрацией серной кислоты, напряжением и временем анодирования. Можно предположить, что уменьшение микротвердости слоя вызвано, помимо повышения температуры, еще и продолжительным периодом анодирования.При длительных периодах анодного окисления создаются условия для растворения образовавшегося слоя. Это растворение травит слой и значительно ухудшает механические и эксплуатационные свойства созданного слоя.

Зависимость микротвердости слоя от изменения температуры электролита при времени анодирования 1,22 мин представлена ​​на рисунке 7. При плотности тока 1 А · дм ⁻² две области изменения микротвердости развития наблюдаются.В интервале от -1,5 ° С до 11,5 ° С происходит снижение микротвердости. Этот эффект можно объяснить сочетанием низкой температуры электролита, низкого напряжения и короткого времени анодирования. Из-за повышения температуры электролита выше 11,5 ° С происходит резкое увеличение микротвердости слоя. Повышение температуры на 1 ° C соответствует увеличению микротвердости на 2,2%. При плотности тока 3 А · дм ⁻² наблюдается рост значений микротвердости слоя с ростом температуры электролита.Среднее увеличение значения микротвердости в диапазоне температур электролита от -1,5 ° С до 45,5 ° С составляет 62%. Увеличение плотности тока до 5 А · дм ⁻² не оказывает существенного влияния на изменение значения микротвердости слоя в зависимости от температуры электролита.

Влияние температуры электролита на микротвердость слоя при времени анодирования 25 мин показано на рисунке 8. При плотности тока 1 А · дм ⁻² наблюдается увеличение значения микротвердости во всем диапазон температуры электролита.Изменение температуры с -1,5 ° C до 45,5 ° C повысит микротвердость почти на 65%. При плотности тока 3 А · дм ⁻² наблюдается значительное снижение значения микротвердости с увеличением температуры электролита. Можно предположить, что увеличение времени анодирования до 25 мин за счет повышения температуры электролита создает условия для растворения образовавшегося слоя. Снижение микротвердости слоя на 1,5% по результатам эксперимента соответствует повышению температуры электролита на 1 ° С.Дальнейшее увеличение плотности тока до 5 А · дм ^-2 не приводит к изменению значения микротвердости слоя из-за изменения температуры электролита. Микротвердость во всем диапазоне температур электролита (от -1,5 ° С до 45,5 ° С) изменится всего на 2,8%.

При времени анодирования 48,78 мин зависимость микротвердости слоя от изменения температуры электролита можно увидеть на рис. 9.

При плотности тока 1 А · дм ⁻² зависимость микротвердость слоя от температуры электролита можно разделить на две области: область увеличения микротвердости слоя и область уменьшения значения микротвердости.Эти области можно разделить по значению критической температуры. Экспериментально выявленная зависимость изменения микротвердости от температуры электролита при плотности тока 1 А · дм ⁻² , для конкретных условий анодного окисления (c (H ₂ SO ₄ ) = 1,43 моль · L ⁻¹ , c (C ₂ H ₂ O ₄ ) = 0,06 моль · л ⁻¹ , U = 10 В, t = 48,78 мин), можно выразить в виде: Локальные экстремумы функции вычисляются, если первая производная (4) равна нулю: Решая (5), мы получим стационарные точки, а именно, и.Поскольку диапазон температур (Таблица 2) составляет от -1,78 ° C до 48,78 ° C, это значение будет считаться допустимым решением. Подставляя значение из интервала в (5), первая производная больше нуля; то есть функция (4) на интервале возрастает. Подставляя значение из интервала в (5), первая производная меньше нуля; то есть функция (4) на интервале убывает. Таким образом, значение является локальным максимумом функции (4), и при этой температуре микротвердость слоя достигает максимального значения; то есть, .В области ниже критической температуры скорость роста микротвердости слоя в зависимости от температуры составляет в среднем 55%. В области выше критической температуры скорость снижения микротвердости слоя составляет 12,8%. При плотности тока 3 А · дм ⁻² из-за повышения температуры электролита происходит снижение микротвердости слоя. Средняя скорость уменьшения значения микротвердости слоя в диапазоне экспериментальных температур электролита составляет 691%.При плотности тока 5 А · дм ⁻² наблюдается лишь минимальное влияние температуры электролита на значение микротвердости слоя. Скорость роста микротвердости слоя 1,8%.

Еще одним важным фактором, влияющим на формирование анодного слоя, является напряжение. Напряжение существенно влияет на механические свойства слоя, а также на микротвердость слоев. На рисунках 10–12 представлена ​​зависимость микротвердости слоя от температуры электролита при изменении напряжения для плотностей тока 1 А · дм ⁻² , 3 А · дм ⁻² и 5 А · дм ^{. −2} .Зависимость микротвердости слоя от температуры электролита при напряжении 8,5 В представлена ​​на рисунке 10.

При плотности тока 1 А · дм ⁻² наблюдается незначительное уменьшение значения микротвердости слоя в диапазоне - Наблюдается от 1,78 ° C до 11,5 ° C. Это снижение микротвердости слоя составляет около 2,3%. В этих условиях анодирования проводимость электролита слишком низкая. Приложенное напряжение относится к ситуации, когда всегда ниже, чем. В этом случае оксид образуется на основании (1), но он нестабилен и сразу растворяется из-за реакции (2).Этот случай называется электрохимическим травлением. Повышение температуры электролита выше температуры 11,5 ° C приводит к увеличению значения микротвердости слоя. Этот рост составляет в среднем 42,8%. Повышение температуры электролита приводит к значительному изменению проводимости электролита и даже при низком напряжении образуется стабильный слой. При плотности тока 3 А · дм ⁻² из-за повышения температуры электролита происходит снижение микротвердости слоя.Дальнейшее увеличение плотности тока до 5 А · дм ⁻² приводит к увеличению микротвердости слоя за счет повышения температуры. Этот рост во всем интервале экспериментально применяемых температур составляет около 17%. Напряжение 8,5 В на практике не используется. В статье он использовался только для сравнения возникающих изменений микротвердости слоев.

Увеличение напряжения до 10,5 В при анализе изменения микротвердости слоя из-за влияния температуры электролита показано на рисунке 11.При плотности тока 1 А · дм ⁻² во всем диапазоне применяемых температур электролита наблюдается увеличение значения микротвердости. Этот рост составляет около 73%. По сравнению с ходом зависимости микротвердости слоя от влияния температуры электролита при напряжении 8,5 В и температуре -1,78 ° С уменьшение значения микротвердости составляет 35%. При повышении температуры электролита до 48,78 ° С, при напряжении 10.5 В происходит увеличение значения микротвердости на 34% по сравнению с микротвердостью слоя при напряжении 8,5 В. При плотности тока 3 А · дм ⁻² наблюдается небольшое уменьшение значения микротвердость слоя за счет повышения температуры электролита на 8,4%. За счет увеличения напряжения на 2 В значение микротвердости слоя при температуре электролита -1,78 ° C увеличится на 10%, а при температуре электролита 48,78 ° C - почти на 94%.Увеличение плотности тока до 5 А · дм ⁻² приводит к увеличению значения микротвердости слоя в зависимости от температуры примерно на 15%.

Зависимость микротвердости слоя от температуры электролита при напряжении 13,5 В можно увидеть на рисунке 12. При всех плотностях тока можно наблюдать увеличение микротвердости слоя вместе с повышением температуры электролита. Таким образом, величина напряжения достаточна для образования стабильного оксида независимо от плотности тока.На основании (1) и (2) курсы и пересекаются в некоторой точке. В этом случае, в зависимости от напряжения, изменения и можно разделить на три области с двумя критическими значениями. - приложенное напряжение, когда и - напряжение, при котором. При выполнении условия при анодном окислении в электролите присутствует стабильный оксидный слой, который анодным напряжением защищается от растворения в соответствии с химической реакцией (2). При плотности тока 1 А · дм ⁻² скорость роста значения микротвердости слоя по изменению температуры электролита во всем интервале составляет в среднем 83%.При увеличении плотности тока до 3 А · дм ⁻² скорость роста значения микротвердости слоя в зависимости от температуры падает примерно до 56%. В интервале температур более 36 ° С значение микротвердости слоя при 1 А · дм ⁻² выше, чем при плотности тока 3 А · дм ⁻² на 8%. При плотности тока 5 А · дм ⁻² микротвердость слоя достигает максимальных значений при повышении температуры электролита.Рост значений микротвердости 47%. Мы наблюдаем, что температура электролита оказывает существенное влияние на значения микротвердости при напряжении до 13,5 В.

4. Выводы

В работе показано влияние температуры электролита на изменение значений микротвердости слоя, образованного оценено анодное окисление алюминия. Электролит состоял из H ₂ SO ₄ и C ₂ H ₂ O ₄ .Показано, что повышение температуры электролита приводит к росту значения микротвердости слоя при плотности тока 1 А · дм ⁻² . Однако время анодирования 48,78 мин позволяет определить критическую температуру, при которой изменение температуры электролита влияет на значения микротвердости слоя. Средний рост значений микротвердости слоя в зависимости от температуры при плотности тока 1 А · дм ⁻² составляет 66%.Однако с увеличением количества серной кислоты в электролите рост микротвердости слоя уменьшается примерно на 24%. Наряду с одновременным влиянием времени анодирования в интервале от 1,22 мин до 25 мин наблюдается рост значения микротвердости слоя в зависимости от температуры электролита на 5%. При увеличении времени анодного окисления до более чем 25 минут происходит снижение значения микротвердости слоя примерно на 4%. Повышение напряжения приводит к росту микротвердости слоя в зависимости от температуры электролита почти на 39%.При плотности тока 3 А · дм ⁻² микротвердость слоя уменьшается из-за температуры вместе с увеличением молярной концентрации серной кислоты. Рост значения микротвердости слоя наблюдался при времени анодирования 25 мин. Выше и ниже этого времени происходит снижение значения микротвердости слоя из-за температуры электролита. При плотности тока 5 А · дм ⁻² влияние температуры электролита на изменение значения микротвердости слоя незначительно.Рост значения микротвердости слоя происходит только при напряжении выше 10,5 В.

Процесс анодного окисления алюминия - сложный процесс. На изменение значения микротвердости слоя одновременно действует множество факторов. Поэтому необходимо учитывать влияние этих рабочих факторов при изучении изменений параметров пластов. Как показано, при различных условиях анодирования микротвердость слоя в зависимости от температуры и плотности тока изменялась по-разному.Изучая эти зависимости, можно сгенерировать слои с необходимыми параметрами качества.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Благодарности

Исследование было поддержано Проектом структурных фондов ЕС «Исследование и разработка интеллектуальных нетрадиционных приводов на основе искусственных мышц», код ITMS: 26220220103, а также грантом VEGA. 1/0738/14 «Исследование коррозионной стойкости стальных листов с покрытием для использования в автомобильной промышленности» Агентства научных грантов Министерства образования Словацкой Республики и Словацкой академии наук.

Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ

Что такое электропроводность?

Соли растворяются в воде с образованием аниона и катиона. Эти ионы составляют основу проводимости воды.

Электропроводность - это мера способности воды пропускать электрический ток. Эта способность напрямую связана с концентрацией ионов в воде ¹ . Эти проводящие ионы происходят из растворенных солей и неорганических материалов, таких как щелочи, хлориды, сульфиды и карбонатные соединения ³ .Соединения, растворяющиеся в ионах, также известны как электролиты ⁴⁰ . Чем больше ионов присутствует, тем выше проводимость воды. Точно так же, чем меньше ионов в воде, тем она менее проводящая. Дистиллированная или деионизированная вода может действовать как изолятор из-за очень низкого (если не пренебрежимо малого) значения проводимости ² . С другой стороны, морская вода имеет очень высокую проводимость.

Ионы проводят электричество благодаря своим положительным и отрицательным зарядам ¹ .Когда электролиты растворяются в воде, они расщепляются на положительно заряженные (катионы) и отрицательно заряженные (анион) частицы. Поскольку растворенные вещества расщепляются в воде, концентрации каждого положительного и отрицательного заряда остаются равными. Это означает, что даже несмотря на то, что проводимость воды увеличивается с добавлением ионов, она остается электрически нейтральной ² .

Единицы электропроводности

Электропроводность обычно измеряется в микро- или миллисименсах на сантиметр (мкСм / см или мСм / см).Он также может быть выражен в микромосе или миллимос / сантиметр (умос / см или ммос / см), хотя эти единицы встречаются реже. Один симен равен одному mho ¹ . Микросименс на сантиметр - это стандартная единица измерения для пресной воды. В отчетах о проводимости морской воды используются микро-, милли-, а иногда даже просто симен / миллио на сантиметр, в зависимости от публикации.

Удельная проводимость

Удельная проводимость при 25 ° C используется в качестве эталона сравнения для различных источников воды, поскольку коэффициенты проводимости меняются с температурой.

Удельная проводимость - это измерение проводимости при температуре 25 ° C или с поправкой на нее. ³ . Это стандартизированный метод отчета о проводимости. Поскольку температура воды влияет на показания проводимости, сообщение о проводимости при 25 ° C позволяет легко сравнивать данные ³ . Удельная проводимость обычно указывается в мкСм / см при 25 ° C ⁶ .

Если измерение проводимости производится при 25 ° C, его можно просто указать как удельную проводимость.Если измерение проводится при другой температуре и откорректировано до 25 ° C, необходимо учитывать температурный коэффициент. Температурный коэффициент удельной проводимости может изменяться в зависимости от измеренной температуры и ионного состава воды ³² . Обычно используется коэффициент 0,0191-0,02 на основе стандартов KCl ^3,32 . Растворы на основе NaCl должны иметь температурный коэффициент 0,02-0,0214 ³³ .

Удельное сопротивление

Электропроводность формально определяется как величина, обратная удельному сопротивлению, что стоит уточнить на примере ³ .Удельное сопротивление - это показатель сопротивления воды течению на расстоянии. Чистая вода имеет сопротивление 18,2 МОм * см ⁵ . Удельное сопротивление уменьшается с увеличением концентрации ионов в воде. Интересный способ запомнить, что удельное сопротивление и проводимость являются обратными (1 / измерение) в названии единицы измерения - mho и ohm - это одни и те же буквы в обратном порядке.

Проводимость

Электропроводность - это часть проводимости, но сама по себе это не конкретное измерение.Электрическая проводимость зависит от длины проводника, так же как сопротивление составляет ¹⁸ . Электропроводность измеряется в mhos или сименсах ¹⁹ . Электропроводность - это проводимость (S), измеренная на заданном расстоянии (1 см), которая выражается в единицах (См / см) ¹⁹ . Таким образом, проводимость воды будет меняться с указанным расстоянием. Но пока температура и состав остаются прежними, проводимость воды не изменится.

Что такое соленость?

Соленость - термин неоднозначный.В качестве основного определения соленость - это общая концентрация всех растворенных солей в воде ⁴ . Эти электролиты при растворении образуют ионные частицы, каждая из которых имеет положительный и отрицательный заряд. Таким образом, соленость является сильным фактором проводимости. Хотя соленость можно измерить с помощью полного химического анализа, этот метод сложен и требует много времени ¹³ . Морская вода не может быть просто испарена до измерения массы сухой соли, так как хлориды теряются во время процесса ²⁶ .

Самые распространенные ионы в морской воде.

Чаще соленость не измеряется напрямую, а определяется путем измерения электропроводности. ⁶ . Это известно как практическая соленость. Эти расчеты сравнивают удельную проводимость образца со стандартом солености, таким как морская вода ⁶ . Измерения солености, основанные на значениях проводимости, безразмерны, но часто сопровождаются обозначением практических единиц солености (psu) ²⁵ .

Есть много различных растворенных солей, которые способствуют солености воды.Основными ионами морской воды (с практической соленостью 35) являются: хлорид, натрий, магний, сульфат, кальций, калий, бикарбонат и бром ²⁵ . Многие из этих ионов также присутствуют в источниках пресной воды, но в гораздо меньших количествах ⁴ . Ионный состав внутренних водных источников зависит от окружающей среды. Большинство озер и рек содержат соли щелочных и щелочноземельных металлов, с кальцием, магнием, натрием, карбонатами и хлоридами, составляющими высокий процент ионного состава ⁴ .Пресная вода обычно имеет более высокое соотношение бикарбонатов, в то время как морская вода имеет более высокие концентрации натрия и хлоридов ³⁹ .

Абсолютная соленость

Функция Гиббса является основой для расчета абсолютной солености. Он рассматривает всю систему в целом, а не полагается только на проводимость.

В то время как практическая шкала солености приемлема в большинстве ситуаций, в 2010 году был принят новый метод измерения солености. Этот метод, получивший название TEOS-10, определяет абсолютную соленость в отличие от практической солености, полученной из проводимости.Абсолютная соленость обеспечивает точное и последовательное представление термодинамического состояния системы ²⁴ . Абсолютная соленость является более точной и более точной, чем практическая соленость, и может использоваться для оценки солености не только в океане, но и на больших глубинах и в диапазонах температур ²⁴ . TEOS-10 выводится из функции Гиббса, которая требует более сложных вычислений, но предлагает более полезную информацию ²⁴ .

Единицы измерения солености

Единицы, используемые для измерения солености, колеблются в зависимости от приложения и процедуры отчетности.Части на тысячу или грамм / килограмм (1 ppt = 1 г / кг) раньше были стандартом ²² . В некоторых источниках пресной воды это указано в мг / л ^{4, 37} . Теперь значения солености сообщаются на основе безразмерной практической шкалы солености (иногда обозначаемой в практических единицах солености как psu) ²² . По состоянию на 2010 год был разработан расчет абсолютной солености, но он не используется для архивов базы данных ²⁴ . Абсолютная соленость указывается в г / кг и обозначается символом S _A .TEOS-10 предлагает предварительно запрограммированные уравнения для расчета абсолютной солености.

Все различные методы и единицы измерения солености основаны на точке отсчета 35 для морской воды.

Единицы psu, ppt и S _A г / кг почти эквивалентны (и часто меняются местами) ⁶ . Все три метода основаны на приблизительном значении солености 35 в морской воде ²⁴ . Однако необходимо сделать некоторые различия.

Практические единицы солености безразмерны и основаны на исследованиях проводимости растворов хлорида калия и морской воды ¹³ .Эти исследования проводились с 32,4356 г / кг раствора KCL и «Копенгагенской водой», имеющей хлорсодержание 19,374 ppt ²⁵ . Эта морская вода в Северной Атлантике имела заданную практическую соленость 35 psu ²⁵ . Практическая шкала солености считается точной для значений от 2 до 42 psu ²⁶ . Это наиболее часто используемые единицы, и практическая соленость остается наиболее распространенным значением солености, хранящимся в архивах данных ²⁴ .

Историческое определение солености основывалось на концентрации хлоридов (которая могла быть определена титрованием) ²⁸ .В этом расчете использовалось следующее уравнение:

Определение общей солености на основе концентраций хлоридов с точностью только для источников воды с известным соотношением хлорид-соленость, таких как морская вода.

Этот метод приемлем только для морской воды, так как он ограничен в устьях, солоноватых и пресноводных источниках ²⁸ . В то время как соленость и хлоридность в морской воде пропорциональны, уравнения, основанные на этом, не точны в пресной воде или при изменении соотношений хлорирования ²⁶ .

Абсолютная соленость в г / кг лучше всего подходит для исследований, требующих очень точных данных.Он согласуется с другими единицами СИ как истинная массовая доля и гарантирует, что все термодинамические соотношения (плотность, звук, скорость и теплоемкость) остаются согласованными. ²⁴ . Эти единицы также помогают определить вклад конкретных ионов в значения солености ³⁹ . Абсолютная соленость также предлагает больший диапазон и более точные значения, чем другие методы солености, когда ионный состав известен ²⁴ .

Что такое общее количество растворенных твердых веществ?

EPA, USPHS и AWWA рекомендуют верхний предел TDS в 500 мг / л, хотя в некоторых регионах он превышается с незначительным вредным эффектом. ⁴¹ .

Общее количество растворенных твердых веществ (TDS) объединяет сумму всех ионных частиц размером менее 2 микрон (0,0002 см) ¹¹ . Это включает в себя все диссоциированные электролиты, которые составляют концентрацию солености, а также другие соединения, такие как растворенное органическое вещество. В «чистой» воде TDS примерно равна солености ¹² . В сточных водах или загрязненных областях TDS может включать органические растворенные вещества (такие как углеводороды и мочевина) в дополнение к солевым ионам ¹² .

Общие концентрации растворенных твердых веществ за пределами нормального диапазона могут вызвать набухание или сжатие клетки. Это может негативно повлиять на водную жизнь, которая не может компенсировать изменение удержания воды.

Хотя измерения TDS основаны на проводимости, некоторые штаты, регионы и агентства часто устанавливают максимум TDS вместо предела проводимости для качества воды ³⁷ . В лучшем случае пресная вода может содержать 2000 мг / л растворенных твердых веществ, а в большинстве источников должно быть гораздо меньше этого ¹³ .В зависимости от ионных свойств чрезмерное количество растворенных твердых веществ может оказывать токсическое воздействие на рыбу и рыбную икру. У лососевых, подвергшихся воздействию CaSO4 на различных этапах жизни уровень выше среднего, снизились показатели выживаемости и воспроизводства ³⁷ . Когда общее количество растворенных твердых веществ составляло более 2200-3600 мг / л, у лососевых, окуня и щуки снижались показатели вылупления и выживаемости яиц ³⁷ .

Растворенные твердые вещества также важны для водной флоры и фауны, поскольку поддерживают сбалансированную плотность клеток ¹¹ .В дистиллированной или деионизированной воде вода поступает в клетки организма, вызывая их набухание ¹¹ . В воде с очень высокой концентрацией TDS клетки будут сокращаться. Эти изменения могут повлиять на способность организма двигаться в толще воды, заставляя его плавать или опускаться за пределы своего нормального диапазона ¹¹ .

TDS также может влиять на вкус воды и часто указывает на высокую щелочность или жесткость ¹² .

Единицы TDS

Общее количество растворенных твердых веществ указано в мг / л.TDS можно измерить гравиметрическим методом (с испарительной чашей) или рассчитать, умножив значение проводимости на эмпирический коэффициент ¹³ . Хотя определение TDS путем испарения занимает больше времени, это полезно, когда состав источника воды неизвестен. Определение TDS на основе проводимости происходит быстрее и подходит как для полевых измерений, так и для непрерывного мониторинга ⁴² .

При вычислении общего количества растворенных твердых веществ на основе измерения проводимости используется коэффициент TDS.Эта постоянная TDS зависит от типа твердых веществ, растворенных в воде, и может быть изменена в зависимости от источника воды. Большинство кондуктометров и других средств измерения будут использовать общую приблизительную константу около 0,65 ³² . Однако при измерении смешанной или соленой воды (со значением проводимости более 5000 мкСм / см) постоянная TDS должна быть выше: около 0,735 и 0,8 соответственно ²⁰ . Точно так же пресная или почти чистая вода должна иметь более низкую константу TDS, близкую к 0.47-0,50 ³⁶ .

Стандартные методы исследования воды и сточных вод допускают константу TDS 0,55–0,7, хотя, если известно, что источник воды содержит много ионов кальция или сульфата, можно использовать константу 0,8 ¹³ . Некоторые измерители проводимости принимают константу за пределами этого диапазона, но рекомендуется повторно проанализировать образец испарением, чтобы подтвердить это соотношение ¹³ .

Как видно из приведенной ниже таблицы, растворы с одинаковым значением проводимости, но с различным ионным составом (KCl против NaCl против 442) будут иметь разные общие концентрации растворенных твердых веществ.Это связано с разницей в молекулярной массе ⁴⁰ . Кроме того, ионный состав изменит рекомендуемую константу TDS.

При одинаковом значении проводимости каждый раствор будет иметь разную концентрацию растворенных твердых веществ и, следовательно, разный коэффициент TDS.

Все три стандарта приемлемы для калибровки проводимости. Однако при расчете общего количества растворенных твердых веществ следует учитывать ионный состав. Если проект позволяет это, константу TDS следует определять для каждого конкретного участка на основе известных ионных компонентов в воде ⁶ .

Почему важна проводимость?

Факторы, влияющие на объем воды (например, сильный дождь или испарение), влияют на проводимость. Сток или затопление почв с высоким содержанием солей или минералов может вызвать всплеск проводимости, несмотря на увеличение потока воды.

Электропроводность, в частности удельная проводимость, является одним из наиболее полезных и часто измеряемых параметров качества воды ³ . Проводимость не только является основой большинства расчетов солености и общего количества растворенных твердых веществ, но и является ранним индикатором изменений в водной системе.Большинство водоемов поддерживают довольно постоянную электропроводность, которую можно использовать в качестве основы для сравнения с будущими измерениями ¹ . Существенные изменения, вызванные ли они естественным наводнением, испарением или техногенным загрязнением, могут иметь очень пагубные последствия для качества воды.

Морская вода не может удерживать столько растворенного кислорода, как пресная вода, из-за ее высокой солености.

Электропроводность и соленость имеют сильную корреляцию ³ . Поскольку электропроводность легче измерить, она используется в алгоритмах оценки солености и TDS, которые влияют на качество воды и водную жизнь.

Соленость особенно важна, поскольку она влияет на растворимость растворенного кислорода ³ . Чем выше уровень солености, тем ниже концентрация растворенного кислорода. Кислород примерно на 20% менее растворим в морской воде, чем в пресной воде при той же температуре ³ . Это означает, что в среднем морская вода имеет более низкую концентрацию растворенного кислорода, чем пресноводные источники. Влияние солености на растворимость растворенных газов обусловлено законом Генри; используемая константа будет изменяться в зависимости от концентрации солевых ионов ³⁹ .

Устойчивость к водным организмам

Евригалинные виды имеют самый широкий диапазон устойчивости к солености, поскольку они перемещаются как из соленой, так и из пресной воды.

Большинство водных организмов могут переносить только определенный диапазон солености ¹⁴ . Физиологическая адаптация каждого вида определяется соленостью окружающей среды. Большинство видов рыб - стеногалинные, или исключительно пресноводные, или исключительно морские ⁴³ . Однако есть несколько организмов, которые могут адаптироваться к разным уровням солености.Эти эвригалинные организмы могут быть проходными, катадромными или истинно эвригалинными. Проходные организмы живут в соленой воде, но нерестятся в пресной. Катадромные виды наоборот - они живут в пресной воде и мигрируют в соленую, чтобы нереститься ⁴³ . Настоящие эвригалинные виды могут быть найдены в соленой или пресной воде в любой момент их жизненного цикла ⁴³ . Эстуарные организмы - настоящие эвригалинные.

Эвригалинные виды обитают в эстуариях или путешествуют через них, где засоленность очевидна.Уровни солености в эстуарии могут варьироваться от пресной до морской на небольшом расстоянии ²¹ . В то время как эвригалинные виды могут комфортно перемещаться по этим зонам, стеногалинные организмы не могут и будут найдены только на одном конце эстуария или на другом. Такие виды, как морские звезды и морские огурцы, не переносят низких уровней солености, и, будучи прибрежными, они не встречаются во многих эстуариях ²¹ . Некоторые водные организмы могут быть даже чувствительны к ионному составу воды.Приток определенной соли может негативно повлиять на вид, независимо от того, остается ли уровень солености в приемлемом диапазоне ¹⁴ .

Допуск к солености зависит от осмотических процессов в организме. Рыба и другие водные животные, обитающие в пресной воде (с низкой проводимостью), гиперосмотичны ¹⁵ . Гиперосмотика определяет способность клетки выводить воду и удерживать ионы. Таким образом, эти организмы поддерживают более высокие внутренние ионные концентрации, чем окружающая вода ¹⁶ .С другой стороны, морские организмы (с высокой проводимостью) гипоосмотичны и поддерживают более низкую внутреннюю ионную концентрацию, чем морская вода. Эвригалинные организмы способны приспосабливать свои тела к изменяющимся уровням соли. Каждая группа организмов адаптировалась к ионным концентрациям в их соответствующих средах и будет поглощать или выделять соли по мере необходимости ¹⁶ . Изменение проводимости окружающей среды путем увеличения или уменьшения уровня соли отрицательно повлияет на метаболические способности организмов.Даже изменение типа иона (например, калия на натрий) может быть вредным для водных организмов, если их биологические процессы не могут иметь дело с другим ионом ¹⁴ .

Большинство водных организмов предпочитают пресную или соленую воду. Немногие виды пересекают градиенты солености, и еще меньшее количество видов переносят суточные колебания солености.

Изменение проводимости может указывать на загрязнение

Нефть или углеводороды могут снизить проводимость воды. (Фото: Lamiot через Wikimedia Commons)

Внезапное увеличение или уменьшение проводимости воды может указывать на загрязнение.Сельскохозяйственные стоки или утечки сточных вод увеличивают проводимость из-за дополнительных ионов хлорида, фосфата и нитрата ¹ . Разлив нефти или добавление других органических соединений приведет к снижению проводимости, поскольку эти элементы не распадаются на ионы ³⁴ . В обоих случаях дополнительные растворенные твердые частицы будут иметь негативное влияние на качество воды.

Соленость способствует конвекции океана

Влияние солености на плотность воды является одной из движущих сил конвекции океана.

Соленость влияет на плотность воды. Чем выше концентрация растворенной соли, тем выше плотность воды ⁴ . Увеличение плотности с увеличением уровня соли является одной из движущих сил циркуляции океана ²² . Когда морской лед образуется вблизи полярных регионов, он не включает ионы соли. Вместо этого молекулы воды замерзают, заставляя соль попадать в карманы с соленой водой ²² . Этот рассол со временем вытекает изо льда, оставляя воздушную яму и увеличивая соленость воды, окружающей лед.Поскольку эта соленая вода более плотная, чем окружающая вода, она тонет, создавая конвекционный узор, который может влиять на циркуляцию океана на сотни километров ²² .

Откуда берутся TDS и соленость?

Электропроводность и соленость сильно различаются между разными водоемами. Большинство пресноводных водотоков и озер имеют низкие значения солености и проводимости. Океаны обладают высокой проводимостью и соленостью из-за большого количества присутствующих растворенных солей.

Источники электропроводности пресной воды

На общий уровень растворенных твердых веществ в воде может влиять множество различных источников.

В ручьях и реках нормальные уровни проводимости зависят от окружающей геологии ¹ . Глинистые почвы будут способствовать проводимости, в то время как гранитная коренная порода не будет ¹ . Минералы в глине ионизируются по мере растворения, в то время как гранит остается инертным. Точно так же приток грунтовых вод будет способствовать проводимости ручья или реки в зависимости от геологии, через которую протекают грунтовые воды.Подземные воды, сильно ионизированные растворенными минералами, увеличивают проводимость воды, в которую они впадают.

Источники проводимости соленой воды

Большая часть соли в океане поступает из стока, наносов и тектонической активности ¹⁷ . Дождь содержит углекислоту, которая может способствовать эрозии горных пород. Когда дождь стекает по камням и почве, минералы и соли распадаются на ионы и уносятся, в конечном итоге достигая океана ¹⁷ .Гидротермальные источники на дне океана также вносят растворенные минералы ¹⁷ . По мере того, как горячая вода выходит из вентиляционных отверстий, она выделяет минералы. Подводные вулканы могут извергать растворенные минералы и углекислый газ в океан ¹⁷ . Растворенный углекислый газ может превратиться в угольную кислоту, которая может разрушать горные породы на окружающем морском дне и увеличивать соленость. Когда вода испаряется с поверхности океана, соли из этих источников остаются и накапливаются в течение миллионов лет ²⁷ .

Сбросы, такие как загрязнение, также могут влиять на соленость и TDS, поскольку сточные воды увеличивают содержание ионов соли, а разлив нефти увеличивает общее количество растворенных твердых веществ ¹ .

Когда происходит флуктуация проводимости?

Электропроводность зависит от температуры и солености воды / TDS ³⁸ . Изменения расхода и уровня воды также могут влиять на проводимость, поскольку они влияют на соленость. Температура воды может вызывать ежедневные колебания уровня проводимости.Помимо прямого влияния на проводимость, температура также влияет на плотность воды, что приводит к расслоению. Стратифицированная вода может иметь разные значения проводимости на разной глубине.

Поток воды, будь то родник, грунтовые воды, дождь, слияние или другие источники, может повлиять на соленость и проводимость воды. Точно так же сокращение стока из плотин или отводов рек также может изменить уровни проводимости ²⁹ . Изменения уровня воды, такие как стадии приливов и испарения, также вызывают колебания уровней солености и проводимости.

Электропроводность и температура

Электропроводность зависит от температуры.

При повышении температуры воды увеличивается и проводимость ³ . При увеличении на 1 ° C значения проводимости могут увеличиваться на 2–4% ³ . Температура влияет на проводимость, увеличивая ионную подвижность, а также растворимость многих солей и минералов ³⁰ . Это можно увидеть в суточных колебаниях, когда водоем нагревается из-за солнечного света (и проводимость увеличивается), а затем охлаждается ночью (снижение проводимости).

Из-за прямого влияния температуры проводимость измеряется при стандартной температуре (обычно 25 ° C) или приводится с поправкой на нее для сравнения. Этот стандартизированный метод отчетности называется удельной проводимостью ¹ .

Сезонные колебания проводимости, хотя и подвержены влиянию средних температур, также зависят от расхода воды. В некоторых реках, поскольку весна часто имеет самый высокий объем стока, проводимость в это время может быть ниже, чем зимой, несмотря на разницу в температуре ²³ .В воде с небольшим притоком или без него средние сезонные значения больше зависят от температуры и испарения.

Электропроводность и расход воды

Влияние расхода воды на значения электропроводности и солености является довольно основным. Если приток является источником пресной воды, это снизит значения солености и проводимости ²⁹ . Источники пресной воды включают родники, талые воды, прозрачные чистые ручьи и пресные подземные воды ²¹ . С другой стороны, приток высокоминерализованных подземных вод приведет к увеличению проводимости и солености ¹ .Сельскохозяйственные стоки, помимо высокого содержания питательных веществ, часто имеют более высокую концентрацию растворенных твердых веществ, которые могут влиять на проводимость ²³ . Как для пресной, так и для минерализованной воды, чем выше объем потока, тем больше он влияет на соленость и проводимость ²⁹ .

Сам дождь может иметь более высокую проводимость, чем чистая вода, из-за включения газов и частиц пыли ²³ . Однако сильные дожди могут снизить проводимость водоема, поскольку они разбавляют текущую концентрацию солености ²⁹ .

Наводнение может увеличить проводимость, если вымывает соли и минералы из почвы в источник воды.

Если сильные дожди или другое крупное погодное явление способствуют наводнению, влияние на проводимость зависит от водоема и окружающей почвы. В районах с засушливым и влажным сезонами проводимость обычно падает в целом в течение сезона дождей из-за разбавления источника воды ⁴⁴ . Хотя общая проводимость ниже в течение сезона, часто наблюдаются всплески проводимости, поскольку вода изначально попадает в пойму.Если в пойме есть богатая питательными веществами или минерализованная почва, ранее сухие ионы соли могут попадать в раствор, когда он затоплен, повышая проводимость воды ⁴⁴ .

В случае затопления прибрежной водой может произойти обратный эффект. Хотя мутность будет увеличиваться, проводимость воды часто снижается во время прибрежного наводнения ⁴⁵ . Морская вода будет собирать взвешенные твердые частицы и питательные вещества из почвы, но также может откладывать соли на суше, снижая проводимость воды ⁴⁵ .

Плотины и отводы рек влияют на проводимость, уменьшая естественный объем стока воды на территории. Когда этот поток отводится, эффект дополнительной пресной воды (снижение проводимости) сводится к минимуму ²³ . Области ниже плотины или отвода реки будут иметь измененное значение проводимости из-за уменьшения притока ²³ .

Электропроводность и уровень воды

Поскольку поток воды в эстуарии колеблется, изменяется и уровень солености.

Проводимость воды из-за колебаний уровня часто напрямую связана с расходом воды.Колебания электропроводности и солености из-за изменения уровня воды наиболее заметны в эстуариях. По мере повышения приливов соленая вода из океана выталкивается в устье, повышая соленость и проводимость ²⁹ . Когда прилив падает, соленая вода уносится обратно в океан, снижая проводимость и соленость ²⁹ .

Испарение может вызвать повышение концентрации соли. При понижении уровня воды присутствующие ионы становятся концентрированными, что способствует повышению уровня проводимости ³⁴ .Вот почему значения электропроводности и солености летом часто увеличиваются из-за меньшего расхода и испарения ²¹ . С другой стороны, дождь может увеличивать объем и уровень воды, снижая проводимость ²⁹ .

Соленость и стратификация

Температура и уровни солености изменяют плотность воды и, таким образом, способствуют стратификации водной толщи ²¹ . Подобно тому, как снижение температуры увеличивает плотность воды, увеличение солености дает тот же результат.Фактически, изменение плотности воды из-за увеличения солености на 1 PSU эквивалентно изменению плотности из-за снижения температуры на 4 ° C ²⁸ .

Вертикальная стратификация из-за засоления. Более глубокая вода имеет большую плотность и более высокую соленость, чем поверхностная вода.

Стратификация может быть вертикальной через толщу воды (наблюдается в озерах и океанах) или горизонтальной, как видно в некоторых эстуариях ⁸ . Эти слои разделены границей, известной как галоклин ⁹ .Галоклин разделяет слои воды с разной соленостью ⁹ . Когда уровни солености сильно различаются (часто из-за особенно свежего или соленого притока), образуется галоклин ²⁸ . Галоклин часто совпадает с термоклином (температурная граница) и пикноклином (граница плотности) ( ²⁸ . Эти клины отмечают глубину, на которой свойства воды (такие как соленость, температура и плотность) претерпевают резкое изменение.

Эстуарии являются уникальны тем, что они могут иметь горизонтальные или вертикальные галоклины.Вертикальные галоклины присутствуют при снижении уровня солености по мере того, как вода движется в устье из открытого океана ⁸ . Вертикальные галоклины часто возникают, когда приливы достаточно сильные, чтобы перемешивать толщу воды по вертикали для получения однородной солености, но уровни различаются между пресноводной и океанической сторонами устья ⁸ .

Эстуарии могут расслаиваться по горизонтали между источником пресной воды и соленым океаном.

Горизонтальная стратификация присутствует в устьях слабых приливов.Поступающая пресная вода из рек может тогда плавать над более плотной морской водой, и происходит небольшое перемешивание ²³ . Горизонтальная стратификация также существует в открытом океане из-за градиентов солености и температуры.

Соленость притока может способствовать стратификации. Пресная вода, впадающая в соленую воду, будет плавать, а соленая вода, текущая в пресную, будет тонуть.

Галоклины развиваются в озерах, которые не испытывают полного оборота. Эти озера называются меромиктическими озерами и не смешиваются полностью сверху вниз ⁴ .Вместо этого у них есть нижние слои, известные как монимолимнионы. Монимолимнион остается изолированным от остальной части водной толщи (миксолимнион) за счет галоклина ⁴ . Меромиктические озера могут образовываться, когда соленый приток (естественный или искусственный) попадает в пресноводное озеро, или если соленое озеро получает приток пресной воды ⁴ . (стратификация)

Поскольку соленая вода не может удерживать столько растворенного кислорода, сколько пресная вода, стратификация из-за галоклинов может способствовать возникновению гипоксических и аноксических условий на дне водоема ²¹ .

Типичные уровни проводимости и солености

Хотя источники пресной воды обладают низкой проводимостью, а морская вода - высокой проводимостью, нет установленного стандарта для проводимости воды. Вместо этого некоторые организации и регионы установили ограничения на общее количество растворенных твердых веществ для водоемов ^14,37 . Это связано с тем, что проводимость и соленость могут различаться не только между океанами и пресной водой, но даже между соседними потоками. Если окружающая геология достаточно отличается, или если один источник имеет отдельный приток, значения проводимости соседних водоемов не будут одинаковыми.

Несмотря на отсутствие стандартов и влияние окружающей среды на проводимость, существуют приблизительные значения, которые можно ожидать на основе источника ^13,14 :

Пресная вода имеет широкий диапазон проводимости из-за геологических эффектов. Пресная вода, протекающая через гранитную коренную породу, будет иметь очень низкое значение проводимости ³⁴ . Глинистые и известняковые почвы могут способствовать повышению значений проводимости пресной воды ³⁴ . Некоторые соленые озера существуют из-за ограниченного оттока ⁴ .Электропроводность этих озер зависит от конкретного ионного состава ⁴ .

Электропроводность эстуариев, как правило, наиболее изменчива, поскольку на них постоянно влияют потоки пресной и соленой воды. Электропроводность морской воды зависит от солености и температуры воды ³⁸ . Измерения будут варьироваться между экватором и полюсами, а также с глубиной из-за зависимости проводимости от температуры ³⁸ .

Как и в случае с проводимостью, ожидаемая соленость водоема может быть только оценена.Значения солености океана могут варьироваться от 30 до 37 PSU ²² . Несмотря на различия в солености, ионный состав морской воды остается на удивление постоянным во всем мире ³ . Соленость поверхности океана зависит от количества осадков. В районах вокруг экватора и побережья, где выпадает много осадков, значения поверхностной солености ниже среднего ²⁸ . Эти разные значения солености способствуют циркуляции океана и глобальным климатическим циклам ³¹ .

В следующей таблице представлены приблизительные значения солености в ppt (частей на тысячу) ²⁷ :

После того, как будет проведена история измерений проводимости, легко увидеть установленный диапазон для конкретного водоема ¹ .Этот диапазон можно использовать в качестве базового для оценки измерений ожидаемых (и неожиданных) значений ¹ .

Деионизированная вода

Важно отметить, что отсутствие посторонних ионов в деионизированной или сверхчистой воде не означает, что она имеет проводимость 0 мкСм / см ⁴⁵ . Значение проводимости будет очень маленьким и в большинстве случаев пренебрежимо малым, но даже в деионизированной воде присутствуют ионы H + и OH-. При комнатной температуре концентрация как ионов H +, так и ионов OH- составляет 10 мкМ (предположим, что pH - деионизированная вода будет иметь нейтральный pH 7 без контакта с атмосферой), создавая очень маленькое значение проводимости ⁴⁶ .Несмотря на такое низкое значение проводимости, деионизированная вода все равно будет иметь нулевую соленость; там нет солевых ионов, только H + и OH-, которые естественным образом существуют в чистой воде.

До тех пор, пока она не контактирует с воздухом (особенно с CO2), деионизированная вода должна иметь проводимость 0,055 мкСм / см или удельное сопротивление 18 МОм при 25 ° C ^5,47 . Если деионизированная вода уравновесилась с воздухом, проводимость будет ближе к 1 мкСм / см (1 МОм) при 25 ° C (и pH будет 5.56). Большинство стандартов допускают диапазон проводимости дистиллированной воды 0,5–3 мкСм / см при 25 ° C в зависимости от продолжительности воздействия воздуха ^13,14 .

Изменения температуры будут иметь большее влияние на проводимость деионизированной воды (или любой почти чистой воды) из-за молярной эквивалентной проводимости H + и OH- в отсутствие других ионов ³ . Вместо увеличения проводимости на 2-3% на градус Цельсия, она может увеличиваться примерно на 5% на градус Цельсия ³ .

Последствия необычных уровней

Необычные уровни проводимости и солености обычно указывают на загрязнение ¹ . В некоторых случаях, таких как обильные осадки или засуха, они могут быть связаны с крайними естественными причинами. Независимо от того, был ли результат вызван искусственными или естественными источниками, изменения проводимости, солености и TDS могут повлиять на водную жизнь и качество воды.

Большинство водных видов адаптировались к определенным уровням солености ⁴ .Значения солености за пределами нормального диапазона могут привести к гибели рыбы из-за изменений концентрации растворенного кислорода, регулирования осмоса и токсичности TDS ^4,21,37 .

Когда значения проводимости и солености выходят слишком далеко за пределы своего обычного диапазона, это может нанести ущерб водным организмам, обитающим в водоеме. Вот почему меньшее количество, но, возможно, более выносливых видов адаптировалось к жизни в эстуариях, где соленость постоянно меняется. Эстуарные животные переносят быстро меняющиеся уровни солености лучше, чем их пресноводные и морские аналоги ⁴ .Но даже эти виды, обитающие в солоноватой воде, могут пострадать, если изменения солености станут слишком сильными.

Процитируйте эту работу

Fondriest Environmental, Inc. «Электропроводность, соленость и общее количество растворенных твердых веществ». Основы экологических измерений. 3 марта 2014 г. Web. .

Дополнительная информация

Плотность электролита

Осмотр аккумуляторной батареи позволяет оценить ее техническое состояние.Можно выделить некоторые недостатки. Проверка АКБ (внешнее состояние, качество изоляционной мастики, плотность) снятого с автомобиля аккумулятора проводится в определенном порядке.

В первую очередь нужно проверить состояние самого моноблока, убедиться в отсутствии протечек. Для этого протрите стенки и дно сухой тряпкой и осмотрите. Если есть течь, необходимо заменить моноблок.

Далее следует проверить состояние поверхностей крышек аккумуляторных батарей, слоя мастики.Крышки не должны быть грязными, на них не должно быть трещин и шероховатостей. Электролит и грязь, попавшие в трещины, способны проводить электрический ток. Это ускоряет саморазряд аккумулятора. Если на поверхности аккумулятора есть грязь или видны следы пролитого электролита, протрите поверхность тканью, смоченной 10% -ным водным раствором аммиака. После этого насухо вытрите крышки.

С особой тщательностью необходимо осмотреть зажимы аккумуляторной батареи. Слой оксида, образовавшийся на штыревых фиксаторах, следует удалить стеклянной пленкой (при закрытых пробках).Также необходимо очистить винтовые зажимы, вынуть заглушки и прочистить газоотводные отверстия тонкой деревянной палочкой. Не используйте для этой цели металлическую проволоку.

Разряженный аккумулятор, неспособный вращать коленчатый вал с необходимой скоростью, необходимо зарядить. При обнаружении инородных частиц в электролите или изменении цвета электролит необходимо заменить. Перед заменой следует разрядить аккумулятор до приемлемого уровня. После этого необходимо слить электролит.Аккумулятор необходимо промыть. Для этого используйте дистиллированную воду. Промывку следует проводить, соблюдая технику безопасности. После того, как заливка сделана снова. Плотность электролита, заливаемого после промывки, должна быть такой же, как и раньше. После этого следует снова зарядить аккумулятор.

Необходимо регулярно проверять уровень и плотность электролита в каждой «банке» в соответствии с климатическими условиями и временем года.

Для определения уровня следует использовать специальную стеклянную трубку.Опускается в гидроаккумулятор до упора в верхний край пластины. После того, как трубку следует зажать пальцем, достаньте ее и посмотрите уровень жидкости в ней.

Однако, как правило, трубка отсутствует. В этом случае можно взять лист бумаги, согнуть его в виде палочки и бросить в «банку». Электролит пропитает бумагу, и уровень будет виден. Нормой считается десять-пятнадцать миллиметров (если все в порядке, можно проверить плотность).

Следует добавить дистиллированную воду, если уровень ниже нормы. Допускается пополнение только h3O. Это связано с тем, что во время работы из электролита испаряется вода. Более тяжелая кислота остается в пластинах. Если долить электролит, кислоты будет в избытке. Это приведет к быстрому отрыву слоя и выходу аккумулятора из строя.

Плотность электролита - показатель степени заряда аккумулятора. Если в него вводится h3O, измерения можно проводить через два часа после повторного заполнения.Плотность полностью заряженного аккумулятора составляет 1,28-1,30 грамма на кубический сантиметр.

Выполняйте проверку осторожно, помня о наличии серной кислоты в аккумуляторе. Если капли электролита попали на открытые части тела или детали машины, их следует промыть водой с содой (пищей).

Измерение проводится с помощью ареометра. Плотность электролита во всех банках должна отличаться не более 0,02-0,03 грамма на кубический сантиметр.

Технология, удостоенная призов для крупномасштабных энергоблоков

image: Профессор Ксавьер Криспин и инженеры-исследователи Уджвала Айл и Зияуддин Хан у обжимной машины, которая производит батарейки типа «таблетка» для подтверждения концепции, в Лаборатории органической электроники.посмотреть еще

Кредит: Тор Балхед

Безопасная, дешевая и устойчивая технология хранения энергии была разработана в Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга. Он основан на двух крупных достижениях: производстве электродов на основе древесины в рулонной форме и новом типе электролита на водной основе. Результат был опубликован в научном журнале Advanced Energy and Sustainability Research. Технология запатентована и будет коммерциализирована дочерней компанией из Норрчёпинга Ligna Energy AB, получившей награду за лучший «Стартап в области климата» во время недавней конференции COP26 в Глазго.

Возрастающая доля возобновляемых источников энергии в энергобалансе и рост потребления электроэнергии в обществе создают серьезные проблемы для балансировки сетей электроснабжения. В принципе, электроэнергия потребляется в момент ее производства, и в настоящее время существуют ограниченные возможности для хранения большого количества электроэнергии. Проблема особенно остро стоит в холодные периоды, когда спрос на электроэнергию наиболее высок. Дисбаланс в сети может вызвать серьезные перебои в подаче электроэнергии.

Профессор Ксавье Криспин и его коллеги из Лаборатории органической электроники Университета Линчёпинга разработали концепцию крупномасштабного накопления энергии, которое является безопасным, дешевым и устойчивым. Потенциальная выходная мощность достаточно высока, чтобы технология могла поддерживать баланс мощности в электроснабжении.

«Наши результаты позволяют создавать безопасные, экологически устойчивые накопители органической энергии с высокой удельной мощностью, 5 кВт / кг, когда электроды изготавливаются из древесного материала в печатном станке.Однако мы должны увеличить плотность энергии: наши органические батареи лучше, чем обычные суперконденсаторы, и имеют примерно такие же характеристики, как свинцово-кислотные батареи. Но литий-ионные батареи лучше », - говорит Ксавье Криспин.

Предыдущие попытки разработать устойчивую систему хранения энергии на основе дешевых органических и водных электролитов с углеродными электродами все имели проблемы с быстрым саморазрядом: было трудно достичь более одного дня.

Превосходные результаты, представленные в статье, основаны на двух открытиях: новый тип электролита на водной основе и электроды из лигнина, который является легкодоступным дешевым побочным продуктом при производстве бумаги.Исследователи разработали полиэлектролит, который состоит из высококонцентрированного полимера на водной основе, полиакрилата калия, а также биополимерного лигнина (в качестве положительного электрода) и полиимида, смешанного с проводящим углеродом (в качестве отрицательного электрода).

«Падение напряжения, которое измеряет саморазряд, составляет менее 0,5 В за 100 часов, что является мировым рекордом для хранения энергии с помощью органических электродов в электролитах на водной основе», - говорит Ксавье Криспин.

И в новой технологии используется дешевое сырье: ни лигнин, ни углерод, ни полиэлектролит не стоят дороже 1 долл. / Кг.Это легкодоступные негорючие материалы, и технология может быть расширена до больших батарей. Это устойчивое решение для крупномасштабного и безопасного хранения энергии.

Основными источниками финансирования исследований были Фонд Кнута и Алисы Валленберг и Область стратегических исследований правительства Швеции в области материаловедения функциональных материалов при Университете Линчёпинга.

Водно-полимерный солевой электролит для медленного саморазряда в органических аккумуляторах, Зияуддин Хан, Уджвала Айл, Фатима Надия Аджан, Джейвант Фопасе, Зия Уллах Хан, Нара Ким, Якоб Нильссон, Олле Инганас, Магнус Берггрен, Ксавьер Криспин Исследования в области энергетики и устойчивого развития, 2021 г.DOI: 10.1002 / aesr.202100165

Контактное лицо: профессор Ксавье Криспин, [email protected], +46 11 363485

---

---

Журнал

Расширенные исследования в области энергетики и устойчивого развития

Метод исследования

Экспериментальное исследование

Предмет исследования

Не применимо

Название статьи

Водно-полимерный солевой электролит для медленного саморазряда в органических аккумуляторах

Дата публикации статьи

17 ноября 2021 г.