Батарея комнатная: Радиаторы отопления купить недорого в ОБИ, цены на батареи отопления

в некоторой степени уникальны тем, что представляют опасность как для химикатов, так и для поражения электрическим током. Электролитная (химическая) опасность зависит от типа батареи, поэтому риски зависят от продукта и вида деятельности.Например, вентилируемые свинцово-кислотные (VLA) аккумуляторы обеспечивают доступ к жидкому электролиту, тем самым потенциально подвергая сотрудников химической опасности при выполнении определенных задач. Напротив, свинцово-кислотные (VRLA) и некоторые литиевые батареи с регулируемым клапаном сконструированы с твердым или иммобилизованным электролитом, поэтому сотрудники подвергаются воздействию электролита только в условиях сбоя. Большинство современных плотномеров подвергают рабочего воздействию слишком небольшого количества электролита, чтобы его можно было считать опасным, если вообще это было возможно. Такую работу нельзя считать обращением с электролитом.Однако, если показания удельного веса снимаются с помощью ареометра с грушей, риск воздействия выше и его следует рассматривать как обращение с электролитом. У работодателя должен быть план электробезопасности, если задача ставится, когда аккумулятор не находится в нормальных условиях эксплуатации. Работодатель должен понимать, что требования безопасности зависят от типа электролита и поставленной задачи.

Существует специальное обучение, необходимое для сотрудников, которые будут работать с батареями.Правильные процедуры, инструменты, средства индивидуальной защиты (СИЗ) и вентиляция могут быть специфическими для установки батареи. Квалифицированный сотрудник, обученный устанавливать ESWC на ​​двигателе, не имеет квалификации для работы с находящимися под напряжением батареями. Дополнительное обучение необходимо для того, чтобы этот «квалифицированный сотрудник» имел право входить в аккумуляторную для выполнения конкретной задачи. То, для чего они обучаются, ничем не отличается от других требований к обучению. Работодатель должен знать, задокументировать и обучать сотрудника выполнению поставленной задачи и выявленным рискам.

Требуется наличие всей документации до того, как авторизованный персонал войдет в аккумуляторную комнату для выполнения конкретной рабочей задачи на аккумуляторной системе в нормальных условиях эксплуатации. Однако вполне вероятно, что сотруднику потребуется войти в аккумуляторную, чтобы разобраться с аккумуляторной системой, которая не работает нормально. Возможно ли, что в этом случае существуют существенно разные риски для выполнения одной и той же задачи? Работодатель также должен иметь процедуры, оценку рисков и обучение для этого состояния.Например, отправка сотрудника, который обучен только нормальным условиям эксплуатации, в аккумуляторную при тепловом разгоне, сознательно подвергает неквалифицированного человека риску получения травмы.

Работодатель несет ответственность за защиту своих сотрудников от известных или признанных опасностей на рабочем месте. NFPA 70E предоставляет работодателю основу и руководящие принципы для разработки программы электробезопасности независимо от типа электрического оборудования. Помните об этом всякий раз, когда сотруднику требуется взаимодействовать с электрическим оборудованием на вашем предприятии.

Хотите следить за тем, что происходит с Национальным электрическим кодексом® (NEC®)? Подпишитесь на NFPA Network , чтобы быть в курсе нового контента. Информационный бюллетень также включает информацию NFPA 70E, такую ​​как мои блоги.

Высокопроизводительный натрий-серный аккумулятор для комнатной температуры с полным преобразованием электрокаталитических полисульфидов натрия

Натрий-серные батареи комнатной температуры (RT-Na-S) очень желательны для стационарного накопления энергии в масштабе сети из-за их низкой стоимости; однако стабильность при коротких циклах, вызванная неполным превращением полисульфидов натрия, является серьезной проблемой для их применения.Здесь мы представляем эффективную сульфифильную основу, золотые наноточки, украшенные иерархическими углеродными микросферами, легированными азотом (CN / Au / S), для достижения полностью обратимых реакций превращения в S-катоде путем электрокатализа низкокинетического превращения Na ₂ S ₄ в NaS ₂ (процесс разряда) или S (процесс заряда). Кроме того, золотые наноточки и углерод, легированный азотом, могут увеличивать проводимость S-катода и обеспечивать сильную полярно-полярную адсорбцию полисульфидов натрия для смягчения эффектов челночного перемещения.При использовании в качестве катода композит CN / Au / S может обеспечивать улучшенное использование серы, отличную стабильность циклирования и выдающуюся производительность. Эта работа углубляет наше понимание каталитического действия атомов золота на молекулы серы, открывая новые возможности для проектирования катодов и разработки усовершенствованных батарей RT-Na-S.

У вас есть доступ к этой статье

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в cookie-файлах может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Высокопроизводительный полый серный наноструктурированный катод батареи благодаря масштабируемому одноступенчатому подходу снизу вверх при комнатной температуре

Реферат

Сера представляет собой интересный катодный материал с высокой удельной емкостью 1673 мАч / г, что более чем в пять раз превышает теоретические пределы его аналога оксидов переходных металлов.Однако успешному применению серного катода препятствует быстрое снижение емкости, вызванное множеством механизмов, включая расширение большого объема во время литирования, растворение промежуточных полисульфидов и низкую ионную / электронную проводимость. Решение проблем с серным катодом требует многогранного подхода, который может одновременно решать проблемы, упомянутые выше. В данном документе мы представляем масштабируемый, при комнатной температуре, одноэтапный восходящий подход к изготовлению монодисперсных полимерных (поливинилпирролидон) инкапсулированных полых наносфер серы для серного катода, что обеспечивает беспрецедентный контроль над конструкцией электродов от нанометров до макромасштабов.Мы демонстрируем высокую удельную разрядную емкость при различных скоростях тока (1179, 1018 и 990 мАч / г при C / 10, C / 5 и C / 2 соответственно) и отличное сохранение емкости 77,6% (при C / 5) и 73,4% (при C / 2) после 300 и 500 циклов соответственно. При длительном циклировании 1000 циклов при C / 2 было достигнуто снижение производительности всего 0,046% за цикл и средний кулоновский КПД 98,5%. Кроме того, простая модификация поверхности наносферы серы слоем проводящего полимера, поли (3,4-этилендиокситиофена), позволяет катоду серы достичь превосходной высокоскоростной способности, показывая высокую обратимую емкость 849 и 610 мАч / ч. g при 2 ° C и 4 ° C соответственно.

Обычные литий-ионные батареи на основе угольных анодов и катодов из оксида металла лития с теоретической удельной энергией около 400 Втч / кг в настоящее время продемонстрировали предел удовлетворения потребностей в накоплении высокой энергии для приложений в портативной электронике, электрификации транспортных средств, и стационарный накопитель энергии в масштабе сети (1–4). Чтобы добиться качественного скачка в удельной плотности энергии аккумуляторов, необходимы новые электродные материалы с высокой емкостью накопления заряда. За последние несколько лет были проведены обширные исследования по разработке материалов электродов с высокой емкостью, включая кремниевый (Si) анод, который имеет высокую теоретическую емкость 4200 мАч / г, что в 10 раз больше, чем у углерода (370 мАч / г). .Различные наноструктуры Si были разработаны для успешного решения проблем материалов и границ раздела, и сообщалось о Si-аноде со стабильной цикличностью до 6000 циклов (5⇓⇓⇓⇓ – 10). Однако разработка катодных материалов с большой емкостью и стабильной цикличностью, сравнимой с анодами, была довольно сложной задачей. Сера (S) является возбуждающим катодным материалом из-за ее высокой теоретической емкости, составляющей 1673 мАч / г, большого количества и низкой токсичности (11). В сочетании с кремниевыми или металлическими литиевыми анодами полные батареи на основе S могут обеспечивать в четыре или пять раз превышающую теоретическую удельную энергию существующей системы C – LiCoO ₂ (12).

Несмотря на перспективность использования S-катода, существует множество фундаментальных проблем с материалами, которые не позволяют ему достичь циклических характеристик, подходящих для портативной электроники и электрических транспортных средств (11, 13⇓⇓ – 16). Быстрое снижение емкости катода S можно объяснить несколькими причинами, включая большое объемное расширение S (изменение ~ 80%) при литировании, растворение промежуточных полисульфидов лития (Li ₂ S _x , 4 ≤ x ≤ 8) в электролите, а также низкая ионно-электронная проводимость как S, так и Li ₂ S.Для решения этих проблем много усилий было направлено на разработку новых микроструктурированных / наноструктурированных материалов S-катодов (17–29). Различные углеродные наноструктуры были изучены в качестве проводящей матрицы для инкапсуляции S и улавливания полисульфидов в углеродных каркасах. Например, Назар и соавторы (17) первыми разработали концепцию использования упорядоченного мезопористого углерода для ограничения S в его каналах с последующей модификацией полиэтиленгликоля. Этот подход решил проблему проводимости и улучшил улавливание полисульфидов, что привело к высокой обратимой емкости, превышающей 1000 мАч / г при скорости C / 10 в течение 20 циклов.Другие материалы на основе углерода, которые использовались для улучшения характеристик S-катода, включают мезопористые полые углеродные сферы (18, 19), полые / пористые углеродные нановолокна (20⇓ – 22), активированное углеродное волокно (23) и оксиды графена (24, 25). Недавний прогресс в дальнейшей стабилизации характеристик катода серы был продемонстрирован Назаром и соавторами (26, 27), в которых мезопористый диоксид кремния (SBA-15) и диоксид титана использовались для облегчения улавливания и адсорбции растворимых полисульфидов. Тараскон с соавторами (28) также обобщили использование полисульфидных резервуаров для других мезопористых оксидных структур, таких как металлорганический каркас, демонстрируя сохранение почти 80% емкости после 80 циклов.Несмотря на колоссальный прогресс, о Li – S-батареях с хорошей емкостью до 1000 циклов не сообщалось об успехе, что является требованием Министерства энергетики для аккумуляторных систем для электромобилей (30). Кроме того, изготовление S-композитов на углеродной основе и добавок мезопористых оксидов обычно требует сложных процедур, включающих высокотемпературный процесс и коррозионную кислоту для темплатного синтеза. Эти требования могут существенно ограничить технологичность материалов S-катода.

Хотя инкапсуляция наноструктурированной S и ослабление растворения полисульфидов были признаны ключевыми моментами в улучшении характеристик катода S, подходы, использованные в предыдущих отчетах, включают использование плавления и вливания S в матрицу других материалов и имеют ограничения в реализации S-катода. конструкция катода, способная решить все проблемы одновременно. Улучшение характеристик катода S требует многостороннего подхода, который может решить проблемы в различных масштабах длины.Улавливание полисульфидов требует соответствующих молекулярных функций, встроенных в подходящую наноструктуру. Создание пустого пространства в электроде в наномасштабе может решить проблему объемного расширения. В макроскопическом масштабе однородность и целостность электрода были важны для обеспечения характеристик катода (31). Эти строгие требования создают серьезные проблемы для предшествующих нисходящих подходов к плавлению и введению S в матрицу. Во многих случаях невозможно избежать осаждения S на внешней поверхности матрицы хозяина.Различные группы сообщали, что необходимы дополнительные процессы (промывка или нагрев сероуглерода) для удаления неоднородно осажденной S, чтобы избежать быстрого снижения емкости (15, 20, 32). Эта проблема также привела к значительному разбросу характеристик батарей даже с аналогичной структурой и составом электродов (25, 26, 28). Совсем недавно наша группа продемонстрировала, что конструкция наноархитектуры S @ TiO2 в виде желточной оболочки может улучшить циклическую стабильность S-катода за счет пустого пространства, встроенного в оболочку TiO ₂ , чтобы приспособиться к объемному расширению S. (33).Однако такая конструкция желточной оболочки по-прежнему требует сложных синтетических процедур, включающих контролируемое покрытие TiO ₂ и точное химическое травление для растворения определенного количества S для образования внутреннего пустого пространства. Поэтому очень желательно разработать простой и масштабируемый подход к изготовлению S-катода, который позволяет точно настраивать материалы для достижения высокой емкости при длительном циклировании.

В данном документе мы сообщаем о монодисперсном инкапсулированном полимером полом S-наносферном катоде, обеспечивающем превосходную длительную стабильность при циклических нагрузках в течение 1000 циклов заряда / разряда.S-катод изготавливается с использованием масштабируемого одностадийного подхода «снизу вверх» при комнатной температуре, который обеспечивает беспрецедентный контроль над архитектурой электрода для решения проблем материалов S-катода от наномасштаба до макромасштаба. Как показано на фиг. 1 A , ( i ) частицы S покрыты слоем полимерной оболочки из поливинилпирролидона (ПВП), которая может минимизировать растворение полисульфидов; ( ii ) В частицы также встроено пустое пространство, чтобы S расширялся внутрь, а не наружу при литировании; ( iii ) наночастицы S имеют небольшие размеры, чтобы облегчить перенос электронов и ионов; ( iv ) монодисперсность наносфер S может способствовать более однородному смешиванию S в электроде, сводя к минимуму образование больших электрически изолированных фрагментов S и, таким образом, обеспечивая тесный контакт с проводящей добавкой (технический углерод).Используя полые S-наносферы, инкапсулированные в ПВП, мы демонстрируем высокую удельную разрядную емкость при различных скоростях тока (1179, 1018 и 990 мАч / г при C / 10, C / 5 и C / 2 соответственно) и отличное сохранение емкости 77,6. % (при C / 5) и 73,4% (при C / 2) после 300 и 500 циклов соответственно. Падение производительности всего 0,046% за цикл и средний кулоновский КПД 98,5% были представлены в течение длительного цикла в 1000 циклов при C / 2. Кроме того, просто модифицировав поверхность S-наносферы слоем проводящего полимера, поли (3,4-этилендиокситиофена), S-катод продемонстрировал отличную скоростную способность.Даже при разряде / зарядке при высоких скоростях 2C и 4C может быть достигнута высокая обратимая емкость 849 и 610 мАч / г соответственно.

Схематическое изображение структуры и процесса изготовления полых S наносфер, инкапсулированных в ПВП. ( A ) Схема, показывающая структуру инкапсулированной ПВП наносферы S с пустым пространством внутри и расширением внутрь во время литирования для адаптации изменения объема и удержания полисульфидов оболочкой. ( B ) Процесс изготовления инкапсулированных в ПВП полых наносфер S основан на простой реакции между тиосульфатом натрия и соляной кислотой в водном растворе в присутствии ПВП при комнатной температуре (КТ).( C ) Изображение синтеза с цифровой камеры в увеличенном масштабе в химическом стакане емкостью 2000 мл (в граммах на партию).

Результаты и обсуждение

Синтез монодисперсных инкапсулированных полимером S наносфер основан на простой реакции между тиосульфатом натрия и соляной кислотой в водном растворе в присутствии ПВП при комнатной температуре. Реакцию можно записать следующим образом: По сравнению с существующими подходами к изготовлению S-катода, наш восходящий синтез S-наносфер предлагает несколько преимуществ.( i ) Наносферы S очень однородны со слоем полимерного покрытия PVP, которое помогает задерживать растворение полисульфидов. ( ii ) Синтез проводили при комнатной температуре в одну стадию (фиг. 1 B ). Такой процесс может быть несложным для масштабирования в промышленности. Этот процесс экологически безопасен и хорошо воспроизводится. В нашей лаборатории этот метод позволяет легко производить полые наносферы S высокого качества в больших количествах (в масштабе граммов на партию в химическом стакане) (рис.1 С ). ( iii ) Использование этих частиц в электродах батареи совместимо с традиционной технологией производства литий-ионных батарей с использованием обычных проводящих добавок, связующего и электролита.

Рис. 2 A схематически иллюстрирует механизм образования полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП. PVP не только действует как покрывающий агент, контролирующий рост частиц и обеспечивая монодисперсность размера частиц, но также действует как мягкий шаблон для образования уникальных полых структур.Динамическое рассеяние света показало, что наноагрегаты ПВП обнаружены в водном растворе ПВП (34). Недавнее исследование Мао и соавторов (35) показало, что молекулы ПВП могут взаимодействовать друг с другом в водном растворе с образованием полых микросфер в результате процесса самосборки. ПВП также использовался в качестве мягкого шаблона для синтеза полых сфер из проводящих полимеров (36). В водном растворе как основная цепь полимера (синий), так и метиленовые группы в пятичленном кольце ПВП могут обеспечивать ассоциацию молекул ПВП посредством гидрофобного взаимодействия, в то время как электроотрицательные амидные группы (красные точки) эффективно связаны друг с другом через водород. связующая сеть воды (34⇓ – 36).Таким образом, ожидается, что молекулы ПВП могут самоорганизоваться в полую сферическую везикулярную мицеллу с двухслойной структурой, где их гидрофобные алкильные основные цепи направлены внутрь стенки мицеллы, а гидрофильная амидная группа направлена ​​наружу в воду (рис. 2 А ). Когда S начал образовываться в начале реакции, его гидрофобная природа заставляла его расти преимущественно на гидрофобной части мицелл ПВП. Эти мицеллы служат мягким шаблоном для направления роста полых наносфер S.Из-за взаимодействия между S и PVP и высокогидрофобной природы S многие молекулы PVP могут дополнительно абсорбироваться на поверхности наночастиц S, если S подвергается воздействию воды во время роста, образуя плотный слой полимерного покрытия во время синтеза частиц. То есть S расположен внутри стенки полых частиц и изолирован от воды PVP.

Изготовление, характеристика и литирование полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП. ( A ) Схема механизма образования полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП.( B ) СЭМ-изображение готовых полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП. ( C ) СЭМ-изображение полых наносфер S после промывки их водой для удаления ПВП с поверхности частиц. ( C , Inset ) ПЭМ-изображение отдельных полых S наносфер. ( D ) Схематическая диаграмма, иллюстрирующая процесс сублимации инкапсулированных в ПВП полых наносфер S. ( E – G ) СЭМ-изображения частиц S ( E ) до, ( F ) во время и ( G ) после сублимации S соответственно.( H и I ) Типичные СЭМ-изображения S наносфер на проводящей бумаге из углеродного волокна ( H ) до и ( I ) после литирования. Частицы после литирования были помечены желтыми кружками в I . ( J ) Сравнение распределения размеров наносфер S до и после литирования.

На рис. 2 B и C показаны типичные изображения полых S-наносфер, инкапсулированных с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM).Эти изображения SEM показывают несколько ключевых особенностей этих наносфер. Во-первых, размер частиц сильно монодисперсен. Статистический подсчет более 200 частиц S в партии синтеза (рис. S1) показывает, что диаметры ~ 95% частиц находятся в диапазоне 400–460 нм. Между различными партиями синтеза монодисперсность размера частиц воспроизводима, средний диаметр лишь слегка смещен в пределах окна 400–500 нм. Во-вторых, частицы имеют полую внутреннюю структуру. Эта характеристика была также подтверждена отчетливым контрастом, показанным на изображении просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рис.2 C , Врезка ). Следует отметить, что многие частицы S имеют небольшие поры в стенках помимо большого пустого пространства в середине. Это могло произойти из-за пузырьков SO ₂ , образующихся во время синтеза частиц, сопровождающих осаждение S (уравнение 1 ). Однако, несмотря на наличие пор внутри S-стенки, вся S по-прежнему изолирована от внешнего водного раствора с помощью PVP из-за гидрофобной природы S.

Для дальнейшего понимания механизма образования полых S-наносфер, различных полимеров и поверхностно-активных веществ, включая поливинилхлорид были исследованы спирт (ПВС), полидиаллилдиметиламмонийхлорид (polyDADMAC), полиэтиленгликоль (PEG) и додецилбензолсульфонат натрия (SDBS) (рис.S2). И PVA, и polyDADMAC также могут способствовать росту однородных S-наносфер с разными размерами и характеристиками поверхности, тогда как PEG и SDBS не могут контролируемым образом манипулировать формой полученных S-частиц. Из структур этих полимеров (рис. S2, , вставки ) мы можем видеть, что и PVA, и polyDADMAC имеют такую ​​же структурную конфигурацию, как PVP, состоящую из гидрофобной углеродной основной цепи и разветвленной гидрофильной части в каждой повторяющейся единице, тогда как PEG имеет гидрофильные гидроксильные группы на обоих концах полимерной цепи.Следовательно, образование наносфер из ПВС и полиДАДМАХ можно объяснить аналогичным образом с помощью образования мицелл, направляющих рост S. Причина, по которой ПЭГ не работал, была связана с его неспособностью образовывать мицеллы. Что касается SDBS, небольшой молекулы, взаимодействие между гораздо более короткими углеродными цепями по сравнению с цепями полимеров недостаточно сильное, чтобы обеспечить достаточную стабильность для роста S.

Чтобы подтвердить наличие PVP-оболочек на частицах S, мы отлили суспензию наночастиц S на подложку Si с последующим нагреванием в вакууме и анализом с помощью SEM.Фиг.2 D показывает схему, иллюстрирующую процесс сублимации S полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП. На рис. 2 E – G показаны соответствующие SEM-изображения образца до, во время и после S-сублимации соответственно. После того, как весь S был сублимирован (подтвержден энергодисперсионным рентгеновским анализом, показывающим отсутствие сигнала S), оболочки ПВП (толщиной ~ 29 нм), окружающие частицы, могут быть четко разделены (рис. 2 G ). Термогравиметрический анализ (рис.S3) показывает, что количество элементарной S в образце составляет 70,4 мас.%. Исходя из массового процента S, размера частиц и толщины оболочки PVP, мы можем оценить, что объем пор внутри каждой частицы составляет ~ 54,3% от объема стенки S (см. Расчет в SI Text ). Предполагая, что объемное расширение линейно зависит от степени литиирования, этот объем пор позволит использовать 68% теоретической емкости или 1138 мАч / г, если рассматривать только внутреннее объемное расширение. Вариации рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии полых наносфер S, инкапсулированных в ПВП, и чистого элементарного S показаны на рис.S3. Для чистого S два пика, расположенные при 163,9 и 165,1 эВ, могут быть отнесены к S 2p _3/2 и S 2p _1/2 соответственно. Что касается полых наносфер S, пик S смещается в сторону более высокой энергии связи с его остовным уровнем, расположенным на уровне 167 эВ, и демонстрирует гораздо более широкую полную ширину на полувысоте, что указывает на частичный перенос заряда S на PVP (37). Этот результат ясно показывает взаимодействие между PVP и S, которое может способствовать эффективному улавливанию полисульфидов и, таким образом, приводит к выдающемуся сохранению емкости.

Чтобы оценить, есть ли какое-либо объемное расширение за пределы инкапсулированных ПВП полых наносфер S после литирования, суспензия наносферы S была нанесена методом каплеобразования на кусок проводящей бумаги из углеродного волокна (используемой в качестве подложки) без добавления сажи. и связующее, а затем сушат в вакууме в течение ночи. Ячейку-пакет собирали в перчаточном боксе, наполненном аргоном, с использованием бумаги из углеродного волокна с частицами S в качестве катода и фольги Li в качестве анода. Ячейка разряжалась с током C / 5: 1.5 В, а затем напряжение поддерживали на уровне 1,5 В в течение ∼18 ч. Можно наблюдать типичный профиль напряжения с двумя плато S-катода (рис. S4), указывающий на то, что ионы лития могут проникать через оболочку PVP и реагировать с внутренней S во время литирования. После первого литирования бумажный катод из углеродного волокна извлекали из ячейки и промывали 1,3-диоксоланом. Типичные СЭМ-изображения инкапсулированных ПВП полых наносфер S на бумажной подложке из углеродного волокна до и после литирования показаны на рис.2 H и I . На рис. 2 J представлено распределение частиц S по размерам до и после литирования. Мы можем видеть, что частицы после литирования все еще сохраняли почти сферическую форму (Рис. 2 I , отмечены желтыми кружками), и не наблюдалось явной разницы в размерах между частицами до и после литирования [средний диаметр 483 нм (до) и 486 нм (после)]. Это указывает на то, что S расширяется внутрь в пустое пространство, а полимерная оболочка является достаточно механически жесткой, чтобы избежать расширения или разрушения наружу, и, таким образом, может эффективно ограничивать диффузию полисульфидов в электролит.

Для проверки электрохимических характеристик были собраны монетные элементы типа 2032 с использованием металлической литиевой фольги в качестве анода. LiNO ₃ был добавлен к электролиту в качестве добавки, поскольку было показано, что он пассивирует поверхность литиевого анода и, таким образом, снижает эффект челнока (15, 37). Удельные емкости рассчитывались только на основе массы S. Типичная массовая загрузка активной S составляла ~ 1 мг / см ² .

Рис. 3 A показывает типичные профили напряжения разряда-заряда ячеек, изготовленных из полых S-наносфер, инкапсулированных в PVP, при различных скоростях тока (C / 10, C / 5 и C / 2, где 1C = 1,673 мА / г) в диапазоне потенциалов 2.6–1,5 В при комнатной температуре, что показывает максимальную разрядную емкость, достигаемую при различных значениях тока. При C / 10 можно получить емкость 1179 мАч / г, тогда как при более высоких скоростях разряда C / 5 и C / 2 электрод выдавал емкость 1018 и 990 мАч / г соответственно. Профили разряда для всех трех плотностей тока характеризовались двухплато типичного S-катода. На рис. 3 B показаны циклические характеристики ячеек, изготовленных из полых S-наносфер, инкапсулированных в PVP, при скорости C / 5 в течение 300 циклов.В отличие от предыдущих исследований, в которых наблюдалось быстрое начальное затухание, разрядная емкость постепенно увеличивалась в течение первых нескольких циклов, что указывает на процесс активации электродов. Это можно объяснить увеличением доступности S-материалов для электролита в процессе циклирования. Из-за оболочки PVP потребовалось некоторое время, чтобы S вступил в контакт с электролитом и стал полностью электрохимически активным. Аналогичный процесс активации наблюдался и для S-нанотрубок, инкапсулированных в полианилин (29).Измерения спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) проводились при различных состояниях разряда 1-го, 5-го и 10-го цикла во время активации (Рис. S5). В процессе разряда наблюдались два вдавленных полукруга. Полукруг в высокочастотной (HF) области может отражать процесс переноса заряда на границе раздела проводящего агента, тогда как полукруг в среднечастотном (MF) диапазоне может быть отнесен к образованию нерастворимых полисульфидных частиц (38). Предыдущие исследования показали, что импеданс межфазного переноса заряда доминирует в реакции восстановления во время верхнего плато напряжения, тогда как массоперенос доминирует на нижнем плато напряжения (15, 38).Во время активации электрода с 1-го по 10-й цикл, на верхнем плато разрядного напряжения, сопротивление полукруга ВЧ уменьшается, показывая более быстрый межфазный перенос заряда; тогда как на более низком плато напряжения сопротивление полукруга MF увеличивается, указывая на большее образование нерастворимого Li ₂ S ₂ / Li ₂ S. При скорости C / 5 была достигнута начальная емкость около 792 мАч / г. . После нескольких циклов активации разрядная емкость достигла своего максимального значения — 1018 мАч / г.Емкость 931 мАч / г сохранялась после 100 циклов зарядки / разрядки, показывая впечатляющее сохранение емкости 91,5% (из максимальной разрядной емкости 1018 мАч / г). Обратимая емкость около 790 мАч / г все еще сохранялась после 300 циклов, что соответствует сохранению емкости 77,6% от ее максимальной емкости (спад всего 7,8% за 100 циклов). Средняя кулоновская эффективность ячейки при C / 5 для 300 циклов составляет 98,08% (рис. 3 B ).

Электрохимические характеристики полых S наносфер, инкапсулированных в ПВП.( A ) Типичные профили напряжения разряда-заряда ячейки, изготовленной из полого катода S-наносферы, инкапсулированного ПВП, при различных скоростях тока (C / 10, C / 5 и C / 2, 1C = 1,673 мА / г) в потенциале диапазон 2,6–1,5 В при комнатной температуре. ( B ) Циклические характеристики и кулоновский КПД элемента при скорости тока C / 5 в течение 300 циклов. ( C ) Циклические характеристики и кулоновский КПД элемента при скорости тока C / 2 в течение 1000 циклов. ( D ) Скорость разряда элемента при различных скоростях тока.

При разряде / зарядке со скоростью C / 2 (рис. 3 C ) элемент также демонстрирует отличную стабильность при циклическом изменении. После достижения максимальной емкости 990 мАч / г в четвертом цикле разрядная емкость стабилизировалась на уровне 905 мАч / г еще через 10 циклов. Разрядная емкость около 857 и 773 мАч / г может быть получена после 100 и 300 циклов, что соответствует сохранению емкости 86,6% и 78,1% от максимальной емкости, соответственно. После 500 и 1000 циклов аккумулятор показал емкость обратимого разряда 727 и 535 мАч / г соответственно, что соответствует сохранению емкости 73.4% и 54,0% (от максимальной емкости 990 мАч / г). Падение емкости было всего 0,046% за цикл. Ячейка также сохраняла высокую кулоновскую эффективность даже после 1000 циклов (рис. 3 C ), а среднее значение за 1000 циклов составляет около 98,5%.

Превосходные циклические характеристики полых S-наносфер, инкапсулированных в PVP, были воспроизведены на многих монетных ячейках. Другой пример электрохимических характеристик полого электрода из S-наносфер показан на рис. 3 D .Ячейка достигла своей максимальной емкости 1099 мАч / г после 18 циклов при C / 5 и показала стабильную обратимую емкость 1026 мАч / г после 36 циклов. Дальнейшее циклирование с разными скоростями (C / 2 и 1C, каждая по 10 циклов) показало обратимую емкость 800 мАч / г при C / 2 и 674 мАч / г при 1C (типичная кривая разряд / заряд при 1C показана на рис. . S6). Когда ячейка снова была разряжена при C / 5, обратимая емкость 989 мАч / г может быть получена еще через 10 циклов, что свидетельствует о высокой стабильности электрода.Даже после еще одного цикла цикла при различных скоростях тока обратимая емкость около 953 мАч / г все еще может сохраняться при C / 5 после 100 циклов, что указывает на превосходную обратимость емкости и хорошие характеристики скорости.

Мы дополнительно измерили содержание S, растворенного в электролите в конце 1-го, 10-го (после процесса активации) и 500-го цикла (в полностью разряженном состоянии) при скорости тока C / 5, что могло предоставить информацию. о степени растворения полисульфидов.В типичном эксперименте плоские ячейки разбирали в наполненном аргоном перчаточном боксе, а затем компоненты ячеек (катод, анод и сепаратор) промывали 1,3-диоксоланом. Этот полисульфидсодержащий раствор окисляли концентрированной азотной кислотой, а затем разбавляли деионизированной водой для анализа содержания S с использованием оптической эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-OES). Для сравнения, монетные ячейки, сделанные из голых частиц S, также разбирали и подвергали такой же обработке.Анализ ICP показал потерю 81% общей массы S в электролите для голых частиц S после первого разряда (циклические характеристики ячейки, изготовленной из полых наносфер S без покрытия PVP, показаны на рис. S7). Напротив, для электродов, изготовленных из полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП, было обнаружено, что только 16%, 19% и 28% от общей массы S были растворены в электролите после 1-го, 10-го и 500-го цикла соответственно. Это указывает на эффективное улавливание полисульфидов оболочками PVP, хотя для идеального улавливания все еще требуется дополнительная работа в будущем.

Превосходные электрохимические характеристики демонстрируют, что конструкция монодисперсных инкапсулированных в полимер полых наночастиц S в сочетании с соответствующей добавкой электролита может эффективно решать множество проблем, связанных с материалами. Для материалов батарей с большим изменением объема соответствующее изменение объема, распространяющееся на макроскопический масштаб всего электрода, является проблемой. Мы можем преодолеть эту проблему макроскопического расширения с помощью полых S-наносфер, инкапсулированных в ПВП, потому что объемное расширение локально смягчается на каждой частице в направлении внутреннего полого пространства.Рис. 4 A представляет собой схематическое изображение, иллюстрирующее такую ​​концепцию, что толщина электрода не будет изменяться. На рис. 4 B и C показаны типичные SEM-изображения поперечных сечений катода до и после 20 циклов заряда / разряда [при скорости C / 5, в полностью разряженном (литиированном) состоянии]. Фиг.4 D показывает толщину электрода в 20 различных местах для поперечных сечений исходного электрода и электрода после циклирования, не показывая признаков объемного расширения на уровне всего электрода.Результат очень важен, потому что он обеспечивает простую конструкцию полностью заряженной батареи.

Оценка толщины электрода полого катода S-наносферы, инкапсулированного ПВП. ( A ) Схема, показывающая, что толщина электрода не будет изменяться из-за расширения внутрь каждой из полых S наносфер при литировании. ( B и C ) Типичные SEM-изображения поперечных сечений полого катода S-наносферы, показывающие толщину ( B ) исходного электрода и ( C ) электрода после 20 циклов заряда / разряда [ в полностью разряженном (литиированном) состоянии].( D ) Сравнение толщины 20 различных мест для поперечных сечений исходного электрода и электрода после 20 циклов заряда / разряда.

Благодаря высокой монодисперсности S-наносфер дальнейшие модификации поверхности этих частиц становятся намного проще, чем у микродисперсных промышленных S-частиц неправильной формы. Наше предыдущее исследование показало, что мезопористые композиты углерод / S, обернутые проводящим полимером, демонстрируют улучшенные характеристики S-катода (39).Путем простой модификации поверхности наносферы тонким слоем проводящего полимера, поли (3,4-этилендиокситиофена) (PEDOT) на основе хорошо разработанного процесса полимеризации (40), характеристики катода S могут быть дополнительно улучшены, особенно скорость возможности. Типичное электронно-микроскопическое изображение S-наносфер, покрытых PEDOT (рис. 5 A ), показывает, что полые характеристики S-наносфер сохраняются после покрытия PEDOT. Рис. 5 B ясно показывает толщину оболочки PEDOT (~ 16 нм) после растворения S толуолом.Как показано на фиг. 5 C , электрод, изготовленный из наночастиц S, покрытых PEDOT, показал значительно улучшенные скоростные характеристики по сравнению с электродами, покрытыми PVP (фиг. 3 D ). Это можно объяснить увеличением кинетики реакции между литием и S в присутствии проводящего полимера по сравнению с непроводящим. Измерения EIS на ячейке, изготовленной из наночастиц S, покрытых PEDOT, показали резко сниженное сопротивление переносу заряда во время разряда по сравнению с сопротивлением, сделанным для инкапсулированных PVP (рис.S8). При скорости C / 10 обратимая емкость около 1222 мАч / г достигается после 10 циклов. Последующее циклирование при C / 5, C / 2, 1C, 2C и 4C (каждая скорость по 10 циклов) показало высокие обратимые емкости 1140, 1043, 947, 849 и 610 мАч / г соответственно. Когда ток снова был резко переключен с 4C на C / 5, обратимая емкость 1110 мАч / г все еще может быть восстановлена, что свидетельствует о высокой стабильности электрода. На рис. 5 D показаны профили напряжения S-наносфер, покрытых PEDOT, циклически изменяющихся при различных скоростях тока.Гистерезис напряжения уменьшается по сравнению с гистерезисом частиц, покрытых ПВП (рис. 3 A ).

ПЭМ-изображения и электрохимические характеристики полых S наносфер, покрытых PEDOT. ( A ) ПЭМ-изображение полых S-наносфер, покрытых PEDOT. ( B ) ПЭМ-изображение, показывающее оболочку PEDOT после растворения S толуолом. ( C) Скоростная способность катода S-наносферы, покрытого PEDOT, циклически изменялась при различных скоростях тока от C / 10 до 4C. ( D ) Профили напряжения разряда-заряда катода S-наносферы, покрытого PEDOT, циклически менялись с различными скоростями тока.Значения удельной емкости были рассчитаны на основе массы S.

Таким образом, мы успешно синтезировали монодисперсные, инкапсулированные полимером полые наносферы S с помощью простого экономичного одностадийного метода восходящего синтеза в водном растворе при комнатной температуре. температура. Мы продемонстрировали, что отличные рабочие характеристики S-катода могут быть достигнуты с использованием этих инкапсулированных в полимер полых частиц благодаря их уникальным структурным характеристикам. В качестве основного момента мы продемонстрировали впечатляющую стабильность при циклических нагрузках в течение 1000 циклов с падением емкости всего ∼0.46 мАч / г за цикл. Мы считаем, что наш простой масштабируемый метод синтеза при комнатной температуре и конструкция инкапсулированных полых S-наносфер открывают захватывающие возможности для следующего поколения недорогих и высокоэнергетических аккумуляторов.

Материалы и методы

Синтез и характеристика инкапсулированных полимером полых S-наносфер.

При обычном синтезе 50 мл 80 мМ водного раствора тиосульфата натрия (Na ₂ S ₂ O ₃ ; Aldrich) смешивали с 50 мл 0.4 М ПВП (молекулярная масса ∼55000; Aldrich; концентрация рассчитана в единицах повторяемости) при комнатной температуре. Затем 0,4 мл концентрированной соляной кислоты (HCl) добавляли к раствору Na ₂ S ₂ O ₃ / PVP при перемешивании магнитной мешалкой. После протекания реакции при комнатной температуре в течение 2 часов раствор центрифугировали при 7000 об / мин (Eppendorf, Rotor F-35-6-30) в течение 10 минут для выделения осадка. В процессе промывки осадок промывали 0.8 М водный раствор ПВП один раз и центрифугировали при 6000 об / мин (Eppendorf, Rotor F-35-6-30) в течение 15 мин. Модификация PEDOT на поверхности S наносферы основана на ранее описанном процессе полимеризации (40). Свежеприготовленные S-наносферы, покрытые ПВП, диспергировали в 100 мл воды, в которую добавляли 110 мкл мономера EDOT, 0,1 г камфорсульфоновой кислоты и 0,6 г (NH ₄ ) ₂ S ₂ O _{8 Добавлен окислитель} . Раствор смеси перемешивали при комнатной температуре в течение ночи, а затем центрифугировали при 6000 об / мин (Eppendorf, Rotor F-35-6-30) в течение 10 минут для выделения осадка.СЭМ-изображения были получены с использованием СЭМ FEI XL30 Sirion, работающего при ускоряющем напряжении 5 кВ. Электронная микроскопия изображений выполнялась на ТЕМ FEI Tecnai G2 F20 X-TWIN, работающем при 200 кВ. ИСП-ОЭС проводили с использованием спектрометра Thermo Scientific ICAP 6300 Duo View.

Электрохимические измерения.

Инкапсулированный в полимер полый порошок наносферы S (высушенный в течение ночи) смешивали с углеродной сажей Super-P и связующим из поливинилиденфторида с массовым соотношением 70:20:10 в растворителе N -метил-2-пирролидон для получения электродная суспензия.Суспензию наносили на токосъемник из алюминиевой фольги с помощью ракельного ножа, а затем сушили в вакуумной печи при 40 ° C в течение 3 часов для образования рабочего электрода. Типичная массовая загрузка активной S составляла ~ 1 мг / см ² . Круглые элементы типа 2032 (MTI Corporation) были изготовлены с использованием рабочего электрода и металлической литиевой фольги в качестве противоэлектрода. Электролитом служил 1,0 М бис (трифторметансульфонил) имид лития (LiTFSI) и 0,1 М LiNO ₃ в 1,3-диоксолане и 1,2-диметоксиэтане (объемное соотношение 1: 1).Ячейки для монет были собраны внутри перчаточного ящика, наполненного аргоном. Гальваностатические измерения проводились с использованием анализаторов батарей MTI. Спектроскопию электрохимического импеданса проводили на потенциостате VMP3 (Bio-logic) с амплитудой 10 мВ в диапазоне частот от 200 кГц до 100 мГц.

Благодарности

Y.C. выражает признательность за поддержку со стороны Министерства энергетики, Управления фундаментальных энергетических наук, Отдела материаловедения и инженерии по контракту DE-AC02-76SF00515 в рамках проекта LDRD Национальной ускорительной лаборатории SLAC.

Сноски

• Автор: W.L. и Ю. спланированное исследование; W.L. осуществлено изготовление материалов; W.L., G.Z. и Y.Y. проведены электрохимические испытания; W.L. и Н. проведен ТГА-анализ; и W.L. и Ю. написал газету.

• Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

• Эта статья представляет собой прямое представление PNAS.

• Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org / lookup / suppl / doi: 10.1073 / pnas.1220992110 / — / DCSupplemental.

Доступно бесплатно в Интернете через опцию открытого доступа PNAS.

Нужна ли вентиляция аккумуляторной?

Короткий ответ — да. Однако степень его необходимости полностью зависит от местоположения и местных условий. Например, если вы заряжаете только один грузовик / аккумулятор, вам может не потребоваться вентиляция, или если ваша аккумуляторная комната находится в очень теплой стране, такой как Мексика, и вы решили разместить зону зарядки аккумулятора на улице с крышей над ней, тогда вы конечно, не требует вентиляции, так как он уже открыт для окружающей среды.Однако большинство аккумуляторных находится внутри здания, и именно здесь очень важна надлежащая вентиляция.

Проще говоря, при зарядке свинцово-кислотной батареи выделяются два основных газа. Один из них — газообразный водород , который не имеет цвета, запаха и в 14 раз легче воздуха, что позволяет ему немедленно добраться до потолка. Другой — сероводород , который обычно имеет запах тухлых яиц. Этот газ тяжелый и скатывается с верхней части батареи, поскольку он тяжелее воздуха и летит туда, где в здании есть отрицательное давление.Если ваши батареи не поливают регулярно и одна ячейка начинает выгорать после зарядки, то количество выделяемого сероводорода может быть чрезвычайно высоким.

Наибольшую озабоченность, которую мы наблюдаем в зонах зарядки аккумуляторов, вызывает накопление газообразного водорода, который образуется во время цикла зарядки. Если этот газ достигает точки, в которой смесь составляет примерно 1-2%, он становится чрезвычайно взрывоопасным и может быть воспламенен малейшей искрой. Газообразный сероводород обычно не так опасен для здоровья, но может быть неприятным и вызывать жалобы сотрудников.Оба эти газа следует устранять в зонах зарядки аккумуляторов.

Существует как минимум три различных варианта дизайна помещения для зарядки аккумуляторов в здании, и каждый из них имеет уникальные требования.

Если ваше здание представляет собой морозильную камеру или все здание сильно нагревается из-за производственных процессов, вам, безусловно, следует подумать о полностью закрытом помещении для зарядки, и это потребует особого внимания к вентиляции. Чем меньше площадь, тем больше концентрация водорода.

Другой вариант — установить зону зарядки аккумуляторов в центре завода или распределительного центра и сделать ее полностью открытой, но с защитным ограждением. Кажется, это самый распространенный вариант.

Последний вариант представляет собой комбинацию из двух, когда зарядная комната расположена в углу или рядом с зоной погрузочного дока и частично закрыта.

Закрытые помещения легче всего проветривать, потому что обычно помещения небольшие, автономные и отсутствуют сквозняки, с которыми нужно бороться.Обычной практикой является вентиляция в самой высокой точке потолка для удаления газообразного водорода, а также вентиляция в самой нижней точке пола для сбора любых тяжелых сульфидных газов. В этом типе применения всегда разумно устанавливать датчик водорода на потолке для дополнительной безопасности. Большинство компаний устанавливают детектор водорода в закрытой аккумуляторной комнате, и эти устройства могут отправлять сигналы тревоги или включать вентиляторы, когда концентрация газообразного водорода становится слишком высокой.

Когда комнаты для зарядки аккумуляторов расположены в центре здания, это становится еще более сложной задачей.Любые перекрестные сквозняки или вытяжные вентиляторы в прилегающей зоне будут рассеивать эти газы или перемещать их в другие зоны, что затрудняет их сдерживание, и в большинстве ситуаций вытяжка всей установки является непрактичной или слишком дорогой. Однако есть решение этой проблемы. Компания Carney Battery Handling разработала систему зарядных стоек, которая полностью закрывается с трех сторон, оставляя открытой только переднюю часть. Когда к нему подключаются вытяжной вентилятор и воздуховод, эта система зарядной стойки сразу становится вытяжным шкафом, который улавливает до 95% всех газов из аккумулятора во время процесса зарядки.Есть и другие преимущества использования вытяжного шкафа. Поскольку воздух забирается через верхнюю часть батареи, это помогает охлаждать батареи во время их зарядки и, что наиболее важно, поскольку зарядные стойки закрыты, количество необходимого вытяжного воздуха минимально. Выкачивание холодного воздуха летом или теплого зимой может быть дорогостоящим.

Такой же тип выхлопной системы также очень хорошо работает, когда зарядная комната частично закрыта.

Наш 35-летний опыт подтвердил, что простые потолочные вытяжные шкафы, не полностью закрытые, могут выглядеть хорошо, но они не работают очень хорошо.

Правила вентиляции аккумуляторной комнаты в разных странах сильно различаются. Они также подпадают под действие множества различных органов власти от федерального до штата, провинциального и даже местного.