当前位置:首页 > 电解质
  • 着火了也能继续供电!新电解质可大幅提高锂电池安全性

    着火了也能继续供电!新电解质可大幅提高锂电池安全性

    在日常生活中,手机、电脑、电动汽车等已成为我们生活的一部分,这些电子产品都离不开锂离子电池。 近日,斯坦福大学崔屹教授领衔的团队在锂金属电池安全性方面取得重大突破。 该团队研发出了一种新型锂金属电池电解质,不仅超轻、能量密度高,其安全性能也非常好,就算在着火的情况下也能继续工作! 很长一段时间以来,增加锂电池的能量密度成了锂电池研究的一个重要方向。一般来说,锂电池的能量密度越高,电子产品的续航时间越长。 但锂金属电池也有其自身的缺陷,其安全性还有待提高。 据了解,锂电池主要靠电解质传递正负极之间的电流,电流传递次数的不断增加,锂金属电极的表面会长出一种叫做锂枝晶的东西。 这种锂晶枝能刺穿电池正极负极之间的电解质,让电池的正极负极直接连在一起造成短路,从而导致起火或爆炸。 为此,崔屹团队使用了高机械强度的聚酰亚胺(Polyimide,PI)、阻燃剂十溴二苯乙烷(DBDPE)和高导电性的聚氧化乙烯(PEO)、双三氟甲基磺酰氨基锂(LiTFSI)构成的新型固态电解质。 60°C下300小时的测试证明了这种高强度的电解质材料能很好地压制锂枝晶的生长,且由于新型电解质添加了阻燃剂DBDPE材料,在锂电池点着之后的2秒钟内火焰就自熄了,防火性能非常好。 崔屹团队的这一研究标志着锂金属电池已经可以在拥有高能量密度的同时,也兼具极强的安全性。 显然,这项成果为锂金属电池安全性的研究指明了一条全新的道路。

    时间:2020-05-25 关键词: 锂电池 斯坦福 电解质 阻燃剂 崔屹

  • 聚合物电池和锂电池对比

    聚合物电池和锂电池对比

    什么是聚合物电池和锂电池?他们有什么区别?这个聚合物电池和锂电池,他们到底谁更有发展趋势,以及他们各自有着什么优势和劣势,我们进行PK,条理清晰,即将揭开谜团。 锂电池的概念使用非常频繁,稍加留意,我们会发现用这个概念其实是有广义、较狭义和狭义三种区别的。广义的锂电池包括锂原电池和锂离子电池;由于锂离子电池比锂原电池应用更广,所以锂电池在较狭义上通常是指锂离子电池;在锂离子电池内部又有两种分类:聚合物锂离子电池和液态锂离子电池,因为质量更大、应用更多的是液态锂离子电池,所以锂电池的狭义理解就是指液态锂离子电池,而聚合物锂离子电池又叫锂聚合物电池,人们习惯上简称为聚合物电池。如果在广义和较狭义的意思上比较锂聚合物电池和锂电池的区别,那么,唯一的就是种概念和属概念的关系,锂聚合物电池被包含于锂电池。因此,具有比较意义的就是狭义层面上的比较:即聚合物电池和液态锂离子电池的比较,基于此,以下用锂电池代指液态锂离子电池。 1、根本区别是原材料 这是二者各种不同表现的总根源。聚合物电池是指在正极、负极或电解质三大组件中至少有一项使用高分子材料。高分子的意思是分子量大,与其相对应的概念是小分子,高分子具有高强度、高韧性和高弹性。目前研发的聚合物电池高分子材料主要用于正极与电解质。 ①聚合物电池正极材料除了采用锂电池的无机化合物,还可以采用导电高分子聚合物; ②、聚合物电池的电解质有高分子电解质(固态或胶态)和有机电解液,锂电池使用电解液(液体或胶体) 2、塑形区别 聚合物电池可以做到薄形化、任意面积化和任意形状化,原因在于其电解质可固态可胶态而非液态,锂电池则采用电解液,需要一个坚固的外壳作为二次包装容纳电解液。因此,这也使得锂电池增加了一部分重量。 3、安全性方面 当前的聚合物多是软包电池,采用铝塑膜做外壳,当内部采用有机电解质时,即使液体很热也不爆炸,因为铝塑膜聚合物电池采用固态或胶态而无漏液,只是自然破裂。但是任何事情都不是绝对的,如果瞬间电流足够大,发生短路,则电池自燃或爆裂并非不可能,手机和平板电脑安全事故的发生多由这种情况引起。 4、电芯电压 由于聚合物电池采用高分子材料,可在电芯里做成多层组合达到高电压,而锂电池电芯标称容量是3.6V,要想在实际运用中达到高电压,则需要将多个电芯串联在一起才能形成理想的高电压工作平台。如果用以上几个特点对比聚合物电池和锂电池哪个好,那么结论就是一定的,然而,在市场上还是锂电池的应用占主体地位,这说明锂电池也有相对优势,我们继续比较下去。 5、导电性 聚合物电池的固态电解质离子电导率低,目前主要是加入了一些添加剂使其成为凝胶电解质,以改善电导率。这也只是增加了离子电导,不似锂电池的电导率保持一个稳定的值,而不会受辅助材料质量的影响。 6、容量 聚合物电池的容量并无有效提升,与标准容量的锂电池相比还有所减少。 7、制造工艺 聚合物电池越薄越好生产,锂电池越厚越好生产,这使得锂电池在应用上可拓展领域更多。 8、价格 这是决定二者市场容量的关键因素,目前,市场上聚合物电池价格普遍高于锂电池,这影响到二者的市场容量,前者与后者之比是1:9。聚合物电池在小型应用上多些,而锂电池在大型应用上更有前途,如果聚合物电池能够突破价格和设计的局限性,或许代表了电池发展趋势,因其环保和安全性更符合潮流。以上就是聚合物电池和锂电池的对比解析,希望能给大家参考。

    时间:2020-04-04 关键词: 锂电池 电解质 有机电解液

  • 科学家开发新型电解质系统 助力电动汽车快充技术

    科学家开发新型电解质系统 助力电动汽车快充技术

    从手机快充到电动汽车快充,人们对快速充电的需求一直持续增长。 据最新一期的《自然•材料》(Nature Materials)报道,为了开发锂基电池的替代品,减少对稀有金属的依赖,美国佐治亚理工学院研究人员开发出一种有前景的新型阴极和电解质系统,即用低成本的过渡金属氟化物和固体聚合物电解质代替昂贵的金属和传统的液体电解质。 未来,研究人员将继续改进和开发新的固体电解质,以实现快速充电,并在新设计中融合固体和液体电解质,以与大型电池工厂中使用的传统电池制造技术完全兼容。  

    时间:2019-09-16 关键词: 电解质 电动汽车.快充

  • 电解质组成对锂-硫电池电化学性能的影响

    电解质组成对锂-硫电池电化学性能的影响

    在锂-硫电池中,硫的利用率、电化学反应速率、电池的放电电压和电极|0">电极反应机理与电解质组分密切相关,电解质溶剂或锂盐的选择很重要,目前的研究情况表明,与传统电池要求正负极材料不溶于电解质不同,锂-硫电池的电解质要求对硫或有机硫化物材料及其还原产物有一定的溶解作用。使用能溶解多硫化物放电产物的电解质可以提高锂-硫电池中正极的利用率。在一般情况下,一种单一组分的有机溶剂很难同时满足多种要求,实际生产中为了改善性能常采用混合有机溶剂。选择混合溶剂的基本出发点是借助不同的溶剂体系,解决电解质中制约电极性能的两对矛盾:一是在首次充电过程中,保证负极在较高的电极电位下建立固体电解质相界面膜(SEI),阻止溶剂共插与降低电解质活性,增加电极循环寿命和保证电池安全性之间的矛盾;二是高的Li+迁移速率与保证溶剂较高的介电常数,以削弱阴阳离子问相互作用与实现电解质中导电离子高浓度之间的矛盾。目前对锂-硫电池用电解质的研究还不太深入,使用何种电解质较好,没有完全统一的认识。本文研究了电解质对单质硫电极电化学性能的影响。 1 实验1.1 电解质的配制及其电导率和粘度的测定 实验使用的溶剂是DOL、DME、THF及电解质盐高氯酸锂(LiClO4)(电解质盐纯度>99.9%),从Aldrich Chemoical Indus-try购买。配制电解质前,溶剂经纯化和脱水处理,电解质盐在120℃下真空干燥24 h。电解质在气氛为氩气的干燥手套箱中配制,锂盐浓度均为1 mol/L。使用DDS-12A数字电导率仪测试电解质电导率,粘度的测量使用乌氏粘度计(北京产),测试温度均为18℃。 1.2 电极的制备 按单质硫:乙炔黑:LA132=60:30:10的质量比制备硫电极。首先将单质硫、乙炔黑和LA132球磨混合均匀,然后加入一定量水和正丙醇的混合溶剂(体积比为水:正丙醇=4:1)球磨均匀,制成正极浆料,采用刮刀涂布的方法将浆料均匀地涂于18 μm厚的铝箔集流体上,经过烘干(60℃真空干燥12 h)、压片、分切等工艺过程制成(70+3)μm厚电极。 1.3 电化学性能测试  以锂箔为负极,聚乙烯(PE)/聚丙烯(PP)复合膜为隔膜,硫电极为正极,在手套箱中组装模拟电池。使用LANDBTI-10型蓝电电池测试系统进行恒流充放电测试,电压窗口为1.5~2.6 V。充放电电流密度分别为1.0 mA/cm2和0.2mA/cm2。以金属锂为辅助电极和参比电极,组装三电极体系,用Solartron公司的1280Z电化学工作站进行循环伏安测试,扫描范围为1.5~3.0 V,扫描速度为0.1 mV/s。所有数据均由计算机自动记录,温度为室温。 2 结果与讨论 2.1 粘度和电导率 溶剂是影响电解质性能的关键因素之一。为配制高电导率、低粘度且使用温度范围宽的电解质,需要选择介电常数高、粘度低、沸点高、凝固点低以及具有稳定化学性质的溶剂体系。为了使硫电极具有电化学活性,所选溶剂要对硫及其还原产物具有一定的溶解性,据此配制了表1所示的三种电解质。 从表1可以看出,电解质1与2比较,电解质1的粘度稍大,虽然DME比THF粘度值大,但可能是与DME具有较强的离子鳌合能力、对锂盐具有较强的溶解度能够减小Li+的Stokes半径有关;对比2、3两种电解质发现,电解质2的粘度值较大,这与DOL的粘度较高有关;对比1、3两种电解质发现,电解质1的粘度值较大,这主要与DOL的粘度较高有关;在1、2、3三种电解质中,电解质3具有较高的电导率和较低的粘度,符合电池对电解质的要求。 2.2 溶剂的影响 2.2.1 电池的充放电性能 图1所示是硫电极在三种电解质中的首次放电曲线,各曲线表现出一定的相似性。在2.3 V和2.1 V处三条曲线均存在电压平台,说明硫电极在三种电解质中的放电机制可能相同,为典型的单质硫或有机多硫化物放电机制。第一个放电平台对应长硫链的断裂,硫被还原为可溶解的多硫化物。第二个放电平台则对应多硫离子进一步还原生成S2-的过程。其中低电压平台容量是硫电极放电容量的主要来源,对应的容量贡献为总容量的65%以上。因此,该平台容量大小和电压的高低是衡量电解质性能好坏的主要依据。在不同溶剂的电解质中,其放电容量的大小和电压平台的高低不同。对比图1和表1可知,1号至3号电解质的粘度逐渐减小,硫电极在这三种电解质中放电时的低电压平台依次升高,这说明电解质盐固定时,硫电极低电压平台的高低和电解质的粘度大小相关。硫电极在1号电解质中放电时,虽然表现出最高的放电比容量,达1 034 mAh/g,但与在3号电解质中相比,低电压平台的比容量小、电压低。硫电极在3号电解质巾放电时,表现山了较高的放电比容量986 mAh/g,低电压平台高且平稳,曲线饱满,具有较好的放电性能,这应该与3号电解质具有相对较低的粘度和相对较高的电导率有关。 由图2可以看出,在放电电流密度为1.8 mA/cm2时,电解质3的放电容量和电压平台比其它两种电解质的要高。可见,使用低粘度的电解质3放电过程中溶解的多硫化离子能较快地扩散,不会造成多硫化离子在正极区的累积,在电池充放电过程中产生的极化度小。在放电电流密度为1.8 mA/cm2时首放比容量为844 mAh/g,说明电解质3具有很好的大电流性能。 2.2.2 电池的循环性能 图3为三种电解质组装的锂-硫电池存放电电流密度为1.8 mA/cm2时的循环性能曲线。由图3可知,与首次放电比容量相比,第二次放电比容量显著降低,随后的多次循环容量衰减比较缓慢,曲线趋于平缓。容量衰减源于硫硫键断裂产生的多硫离子与负极锂反应,形成了Li2S钝化层覆盖在电极表面,消耗了部分硫。Li2S钝化层是Li+的良好导体,它的形成不会影响反应的正常进行,但是在充电过程中,这部分损失的硫不能被氧化再形成硫硫键;同时隔膜阻塞、自放电、活性物质发生团聚及在电解质中过饱和沉积等现象也会造成循环性能下降。图中电解质1所组装的电池和电解质3所组装的电池第二次放电比容量比第一次放电比容量高,特别是在大电流密度放电时更容易产生。比较合理的解释有两种:一是由于放电电流密度较大,放电时间短,在短时间里电解质还未充分浸润到正极的内层,从而导致第一次放电容量低于第二次放电;另一种解释为,第一次放电时,由于大电流密度放电时间短,放电电流大,正极表面很快形成一层多硫化物的堆积层,锂离子来不及扩散到正极内层与硫反应,导致活性物质硫的利用率低。而在第二次及以后的放电过程中,由于电解质的充分浸润以及电池更趋于稳定状态,则不再出现后一次放电容量比第一次放电容量高的现象,当然前提条件是电池必须正常放电。从图3可以看出,电解质3所组装的电池,在大电流密度下循环性能最好,20次循环后比容量为709 mAh/g,这可能因为该电解质的粘度较低,而且没有电解质2中充电过程中硫溶解性的问题。电解质1所组装的电池,20次循环后比容量在650 mAh/g,也展现了这种电解质良好的循环性能,在大电流循环性能方面也比电解质2好。 2.2.3 电池的充放电效率 图4为三种电解质在电流密度为0.6 mA/cm2下的放电的充放电效率曲线,由图4可知,电池的充放电效率都是随着循环次数的增加而增大,最后趋于平稳的。前几次的充放电效率都比较低,这是由于前几次电池还没有达到稳定状态,而一部分硫放电后生成不可逆放电产物Li2S,Li2S在电极表面形成不稳定钝化膜,导致过充现象严重,所以效率很低。当放电电流密度为0.6 mA/cm2时,电解质3的充放电效率超过了80%,而电解质1和电解质2明显要低一些。而就电解质1和电解质2来说,电解质2要比电解质1好。 2.2.4 循环伏安测试 由图5可以看出,在这三种电解质中,还原峰在2.4 V和2.0 V两处分别对应了放电曲线中的两个放电电压平台,在2.4~2.5 V之间出现两个氧化峰,也分别对应充电过程中出现的两个充电电压平台。2.0 V的还原峰电位逐渐正移,峰形逐渐变得尖锐,这说明硫在高电导率电解质中的电极极化较小,而电导率只是影响电极极化的一个因素,还可能与电极的表面状态的变化等因素有关。 2.2.5 电池的交流阻抗测试 由图6可以看出,采用电解质2和电解质1组装的电池阻值随放置时间的增长而增大,电解质2要比电解质1的增长幅度大。而电解质3的阻值随放置时间的增长基本上没有太大的变化,电解质3的阻值一直保持在50~80 Ω之间,说明其内阻较小,充放电时产生的极化小,这是因为电解质3有着良好性能。电解质2放置一天后,其阻值达到了280 Ω,说明这种电解质组装的电池其内阻一直在增大,而且幅度相对较大。电解质1的溶液电阻也随放置时间增长而增大,但是增长幅度很小。 3 结论 硫电极在不同电解质中的电化学性能测试结果表明,溶剂组分对硫电极的电化学性能具有一定的影响。硫电极低电压平台的电位和电解质的粘度密切相关。当电解质为1 mol/LLiClO4/(DME+THF)(50:50,体积比)时,硫电极有很好的大电流性能,首放容量高达860 mAh/g,当放电电流密度为0.6mA/cm2时,电解质3的充放电效率超过了80%。

    时间:2018-11-20 关键词: 电极 电源技术解析 电解质 锂-硫电池

  • 便携式电解质分析仪的设计及测试

    电解质分析仪可测定生物标本如血清、血浆、全血及稀释尿液中的值钾(K)、钠(Na)、氯(C1)、钙(Ca)、PH值等,并通过计算提供标准化离子钙(nCa)、总钙(TCa),在临床上具有较重要的意义。自80年代汽巴康宁,奥林巴斯等国外产品进入中国后,国产电解质分析仪迅速跟进,并研制出一批性能较高的产品。近几年随着一些突发事件的发生(如:汶川大地震),对便携式医疗仪器的需求大大增加,便携式电解质分析仪就是其中之一。  这里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28单片机为核心器件设计的由电池供电的便携式电解质分析仪,可以满足野外使用需求。1 XMEGA简介  XMEGA是8位AVR微处理器的强劲性能升级版本。XMEGA采用第二代picoPower技术,是唯一真正使用1.6 V工作电压的闪存微控制器。该器件功耗超低,并具有快速12位模拟功能、1个DMA控制器、1个创新的事件系统,以及1个AES加密引擎,全部都无需占用CPU资源,能够最大限度减少功耗和提高系统性能。XMEGAl28微控制器的闪存容量为128 Kb,采用100引脚的贴片封装,工作电压为1.6~3.6 V,32 MHz频率下处理性能可达到32 MI/s。  由于XMEGAl28的内部丰富的资源和强劲的性能。使其非常适合应用于嵌入式系统。该便携式电解质分析仪采用XMEGAl28作为核心微处理器,使得整个系统外围器件大大减少,在降低成本的同时又提高了系统安全性、可靠性。XMEGAl28较大的程序存储空间能够满足电解质分析仪的大量软件代码的存放。2 系统硬件设计  该系统是以ATxmegal28Al微处理器为核心,外围连接有显示、按键、打印机、传感器放大盒、电源、通讯等模块,其硬件设计结构框图。  显示部分采用320x240通用的LCD,直接由ATxmega128Al总线驱动,为用户提供更多直观信息,也使操作更方便。嵌入式微型打印机采用迅普公司的微型热敏打印机,便于野外现场输出文档型资料,也直接由ATxmegal28A1的总线驱动。  2.1 传感器调理放大电路  该分析仪的样品液经高分子膜传感器测量后得到的电信号的幅度很小,在-250~250 mV之间,无法直接进行A/D转换。因此,需要对这些模拟信号进行调理放大处理。在电路的设计上,为了与离子选择电极的高内阻相匹配,采用CA3140集成运算放大器作为一级放大,二级放大采用高精度低漂移的HAl7741运算放大器。  采用3个运算放大器组成的测量放大电路,前段有2个高输入阻抗的CA3140构成差动输入。后端的HAl7741实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。为了保证放大器的精度,负反馈电阻选择高精度低温漂的精密电阻,且电路闭环增益不太大。同时为防止电路板表面的漏电流,对电路板进行了局部镂空。为了能在野外恶劣环境下工作,对电路板还进行了防潮处理和电子屏蔽。  电极信号有钾、钠、氯、钙和pH共5路,分别经各自的放大电路后连接到ATxmegal28A1微处理器的A/D模块端口。  2.2 键盘接口  为便于用户使用,该系统共36个按键,其中有26个英文字母按键、4个快速功能按键、4个方向按键以及确定和取消按键,这些按键制作成6x6的薄膜开关按键。所有按键均有CH452器件控制,这样可降低主处理器的工作负担,大大简化了软件编写程序。CH452内置64键键盘控制器,基于8x8矩阵键盘扫描;内置按键状态输入的下拉电阻;内置去抖动电路;键盘中断,可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出;提供按键释放标志位,可供查询按键按下与释放;支持按键唤醒,处于低功耗节电状态中的CH452可以被部分按键唤醒。  基于CH452的键盘接口电路。为了防止按键被按下后,CH452的SEG信号线与DIG信号线形成短路,在CH452的DIG0~DIG5引脚与键盘矩阵之间串联有限流电阻,图3中R40~R46,其阻值为10 kΩ。CH452采用4线制与主处理器ATxmegal28A1链接,占用主处理器1个中断接口和l组SPI接口。  2.3 USB通讯接口  为便于仪器现场使用方便,该系统设计了对外信息输送的USB接口,可使仪器便捷地与各类存储器及电脑连接。其中,USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主机方式和USBDEVICE/SLAVE设备方式。在本地端CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可方便地挂接到ATxmegal28Al微控制器的系统总线上。图4为CH375与主控制器的连接电路,CH375的TXD引脚直接接地,从而使CH375工作于并口方式。电容C1201用于CH375内部电源节点退耦,采用0.01μF的高频瓷片电容,可提高接口的EMI要求。电容C47和C1202用于外部电源退耦,采用0.1μF的高频瓷片电容。晶体X11、电容C1203和C1204用于CH375的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确,X11的频率是12 MHz±0.4‰,C1203和C1204是容量约为15 pF的独石电容。LEDl为数据传送指示灯,用户可以直观观察数据传送状态。3 系统软件设计  该系统软件开发采用ATMEL公司提供的AVRStudio开发环境,并在该开发环境中内嵌了支持C语言的GCC。分析仪软件全部采用C语言编写,这样开发周期缩短,维护便捷。该系统软件设计采用层次化模块化结构设计,共分为两个层次,第l层是按照硬件各个功能模块编写相应的驱动和接口程序,包括液晶显示、打印机、按键处理、步进电机、A/D采集转换、系统时钟、检测和电源管理等模块;第2层是在第1层的基础上按照使用功能编写的应用程序模块,有主菜单、样本分析、质控分析、质控统计、系统设定、系统校准、电极清洗、数据储存及查询和系统自检等模块。图5中给出系统整体软件设计流程。4 结论  该设计的便携式电解质分析仪已经完成样机制作,并进行相关测试。测试结果表明,由于采用先进的Xmega微控制器为核心,系统整体功耗较低,使用36 V10Ah的锂电池供电可以连续工作8小时左右。样机已经通过了GE认证的电磁兼容测试,表明该仪器有较好的抗干扰能力。由此可见,所设计的便携式电解质分析仪完全适应野外工作的需求。

    时间:2018-08-29 关键词: 测试 分析仪 电解质 设计教程

  • 三种电解质体系中锂离子的迁移机理

    三种电解质体系中锂离子的迁移机理

    直到目前为止,还没有一款完全理想的、适合于锂电池的电解质。如今最常用的还是有机电解液,因为其具有高的离子电导率和较宽的温度使用范围。 锂电池技术正在新能源的道路上飞速奔跑,现代社会对于锂电池的比能量、安全性有了更加广泛的关注。对于锂电池而言,正负极材料、电解质的革新是提高其性能的根本源泉。 直到目前为止,还没有一款完全理想的、适合于锂电池的电解质。如今最常用的还是有机电解液,因为其具有高的离子电导率和较宽的温度使用范围。由于其本身容易着火,引发安全事故,所以新型电解质的开发势在必行。开发新型电解质需要一套可靠的理论来支持,但是由于电解液涉及了较多的影响因素(例如粘度,盐浓度,溶解,离子缔合和离子-溶剂相互作用)对于离子的迁移机制还不甚清楚。那么,在有机电解液、固态电解质以及离子液体电解质中,锂离子是如何迁移的呢? 一、有机电解液 如图1中所示,电解液在锂电池内部起到一个载体作用,其在正负极材料之间为离子传输提供了传输路径。简单以充电过程举例,Li+从正极活性物质中脱出,正极固相颗粒表面Li+浓度降低,使颗粒内部与表面间出现浓度差异,致使Li+产生颗粒由内向外的固相扩散。同时由颗粒表面电化学反应生成的Li+进入电解液中,溶液相中界面区域的局部浓度提高,使溶液相内部产生浓度差异,导致Li+产生从内向外的扩散与迁移。而在负极区域,由于负极颗粒与电解液中的Li+发生电化学反应,消耗了溶液相中的Li+,使溶液相局部Li+浓度降低,产生浓度差异,导致Li+在溶液相中产生由外向内的扩散与迁移。同时在负极颗粒表面发生电化学反应,嵌入Li+,使颗粒内部出现浓度差异,导致Li+在颗粒内部产生从外向内的固相扩散。在隔膜处,由于正极与负极过程导致的浓度差异,导致该区域的Li+产生从正极到负极的扩散与迁移,放电过程则与上述过程相反。由上述过程可知,锂电池的正常、高效运转,主要决定于锂离子在电池内部的迁移情况。锂离子的迁移情况受到电解液的性质的制约,电解液的性质主要是由以下要素影响的。 1.锂盐溶解 电解液由溶质和溶剂组成,溶质一般选用LiPF6溶剂一般选用多种有机溶剂相组合的液体。当把LiPF6溶入溶剂中后,就形成了锂离子和PF6−负离子。锂盐的溶解与溶剂的介电常数密切相关,介电常数越大对锂盐的溶解能力就越强。当锂离子被溶剂分子完全包围后,负离子对锂离子的影响减弱,就发生了所谓的溶解。对于锂盐而言,阴离子越大越有利于电解液的离子导电性及其自身的溶解,这是因为阴离子越大,越容易分散其负电荷并能防止阳离子的配对。 2.电解液粘度 电解液的粘度会对离子的移动产生重要影响,粘度越低越有利于离子的移动。 正如以上所述的,锂离子在电极液的溶解作用和粘度影响下进行运输和转移。公式1中t+为运输数目,i+和i-分别代表阳离子和阴离子所形成的电流,it代表总电流,u±代表阴阳离子的移动性,D±代表阴阳离子的扩散系数。 实际上,离子阻力不仅跟阴阳离子有关,也跟溶剂有一定关系。离子迁移数目可以用以公式2来表示: 其中,TLi++代表锂离子迁移数目,△V是极化电压,I(∞)是极化后的稳态电流,Rb和Rct是体电阻和充电转移电阻。 单相溶剂系统的电解液很难既有高的电导率又有低的粘度,因此常用的电解液溶剂采用多种溶剂复配的方式来配制,比如二元的电解液我们是这样配制的m(锂盐)+(1-w)(溶剂A)+w(溶剂B),锂盐m单位一般是质量摩尔浓度,mol/kg,w是溶剂的质量分数。对于单元电解液,并没有可靠的理论来预测电解液的粘度和离子电导率。Jones–Dole (JD)和Debye–Hückel–Onsager (DHO)曾经提出过两个经验公式分别是公式3和公式4: 其中,μr是相对粘度,μ是溶液粘度,μ0是纯溶剂粘度,C是锂盐浓度,A、B、D是系数,Λ是摩尔电导率,Λ0是在无限稀释状态下的摩尔电导率,S是受溶剂物理性质和电解质性质影响的参数,C是溶质浓度。如果锂盐和溶剂的种类变化之后,经验公式也需要进行修改。对于混合体系电解液来说,公式会更加复杂。 所以,当配置新的多元复配电解液时,电解液的性能需要试验来测定,而无法进行预先估测。虽然离子电导率对于电池性能影响很大,但是其它因素例如SEI的形成和性能也是非常关键的因素,电解液在高倍率下的稳定性、毒性等也应该考虑到。总之,一切与实际生产应用有关的因素都要考虑,然后才考虑离子电导率参数。 二、固态电解质 固态电解质与液体有机电解液相比用于锂电池后具有更大的优势,例如设计简单、封装方便、抗冲击抗震动性能好、耐温度和压力性能好、电化学稳定性和范围广、安全性好等。然而,固态电解质的离子导电性相对还较受限制。一般来说,固态电解质可以分为凝胶型聚合物、无溶剂聚合物、无机晶体化合物、无机玻璃态物质等。在无机晶体化合物内部,锂离子的传导是因为移动离子在周围电位的能量有利位点之间跳跃形成的,周围离子的运动为移动离子提供激活能量以促使其通过晶体结构中的通道。 聚合物电解质的离子传输机制与无机晶体化合物和液态电解液的传输机制不同。在无溶剂的聚合物电解质中,离子迁移率受聚合物主体材料运动的影响。离子仅在聚合物链段经历与玻璃化转变温度(Tg)有关的相当大振幅运动时才移动。聚合物电解质在高于玻璃转变温度Tg时才表现出快的离子电导率,此时聚合物电解质主要由非晶相构成。因此,低玻璃转变温度Tg的聚合物如PEO( Tg-50至-57℃)已成为无溶剂电解质的重要聚合物主体,并且正在研究该聚合物的非晶化作为增加其离子电导率的方式。由于低分子量溶剂在聚合物中的扩散以及聚合物链段的运动,凝胶型聚合物电解质表现出比无溶剂电解质更快的离子传导。 以PEO为例,该类聚合物的电解质传输机制如上图所示,通电以后,聚合物中非晶部分的链段运动导致Li+的“解络合—再络合”过程的反复进行而促使离子实现快速迁移。 在半导体工业中开发的基于薄膜技术的固体电解质已经作为固态微电池的关键组件被深入研究。由于合成时间长和制造过程中的高温条件需求,为微电池开发的大多数晶态和玻璃态电解质的成本太高。除了这些缺点之外,用于固态电解质的无机材料通常含有昂贵的金属,如Ge,Ti,Sc,In,Lu,La和Y等。由于放大和应用大多数固态电解质时遇到的困难,仅凝胶型聚合物电解质在商业上取得成功。 三、离子液体电解质 另一类被认为是电解质的材料是离子液体。离子液体的定义目前尚不明确,一般认为它是完全由阳离子和阴离子组成的液体,在室温或室温附近呈现为液态的有机盐类。离子液体具有独特的性质,包括不可燃性,低蒸气压,高热稳定性,良好的电化学稳定性,低毒性和高离子含量等。 通常,将离子液体分为AlCl3型离子液体、非AlCl3型离子液体和特殊离子液体三类。各种离子液体的理化性质都可以在相关文献中找到。总体而言,离子液体的粘度比液态电解质高一至两个数量级,因此离子电导率比液体电解质的离子电导率低三至四个数量级。华登定律通常用于离子液体的电导率和粘度之间的关系,表达如下: λi是离子种类i的离子电导率,μ是粘度。 因为粘度很大程度上取决于这些影响因素之间的相互作用,例如范德华相互作用,构象自由度,库仑力和离子形状等,科研人员在研究离子液体中离子物质之间的相互作用上已经付出了很多努力。除了低离子电导率之外,离子液体电解质的应用也不太可能在碳负极材料上形成SEI层,导致循环中的Li离子耗尽。所以,在许多情况下,离子液体需要辅助添加剂以用来作电解质。

    时间:2018-04-13 关键词: 锂电池 电源技术解析 锂离子 电解质

  • 新电池技术问世 充电方法怎么跟加油一样

    新电池技术问世 充电方法怎么跟加油一样

    美国普渡大学开发了一种全新的电池,可为电动车快速充电,而且不像传统充电一样需要大规模的建设充电桩。   这种新型电池是一款无膜流体电池,用新的液态电解质来更换用过的电池液。用过的电池液能够被回收再利用,送到发电厂进行充电,重新变成电解质。由于有膜电池容易受到膜污染,极易引发火灾,所以无膜电池有较高的安全性,状态较为稳定。 由于目前电动车行业所面临的最大问题就是充电效率以及续航时间,单次充满电池需要的时间少则几十分钟,多则整个晚上。而流体电池的更换类似于现在的加油,只不过要将之前用完的电池液放出来,加入新的电解质。加油站也可以直接改造成新的充电站,不必花费大量资金和时间来建造基础设施。

    时间:2017-06-14 关键词: 电池 充电 电解质 电池液

  • 你敢信?钙成为液态金属电池更好配方

     10年前,美国麻省理工学院材料化学教授唐纳德·萨多维与其学生发明了大容量液态金属电池。现在,他的团队又发现了可使这一技术更加廉价、实用的新的化学成分——钙,为液态金属电池的大规模应用开辟了道路。 他们最新发表在《自然通讯》杂志上的研究显示,钙——一种丰富而且廉价的化学元素——可以成为三层液态金属电池的重要原料。 萨多维表示,这一发现实属意料之外,因为钙的属性让它看起来几乎不可能成为液态金属电池的原料。一方面,钙很容易溶解在盐溶液中,然而液态金属电池的主要特征之一就是它的三种关键成分要形成相互独立的层;另一方面,钙具有很高的熔点,如果用它做原料,液态金属电池就不得不在900摄氏度的高温下工作。 然而这种看起来最没戏的材料却激起了研究人员的兴趣。因为廉价的钙可以大大降低液态金属电池的成本,而且其固有的高压性能使其成为液态金属电池负电极层的优秀“候选人”。 为了解决钙的熔点问题,研究人员将钙与廉价且熔点远低于钙的镁进行了合金化处理。二者的结合使原来的熔点降低了300摄氏度,同时依然保持了钙的高压性能。 另一个创新是在液态金属电池中间层即电解质的设计上。电池在使用状态时,电离子会在电解质中游动,伴随着它们的游动,电流会从连接液态金属电池两极的电线中通过。 新设计的电解质包含氯化锂和氯化钙的混合物,而作为负电极层的钙镁合金恰恰不易溶解于这种电解质。这一设计还带来了新的惊喜。通常,在通电的电池中,游动的电离子是单独行动的。例如,在锂离子电池中只有锂离子会游动,在钠硫电池中只有钠离子会游动。但是研究人员发现,在最新设计中,多种电离子会在电解质中游动,增加了电池的整体能量输出。 萨多维表示,这一偶然发现将为电池设计开辟新的道路。他说:“随着时间流逝,大家可以探索化学周期表上更多的元素来找到更好的电池配方。”

    时间:2016-03-25 关键词: 电解质 电源资讯 金属电池 新原料

  • 固态电解质在研究 电池质量将提高

    固态电解质在研究 电池质量将提高

    目前,PATHION正致力于锂硫电池以及钠离子电池的研发及改进工作。与液态电解质不同,固态电解质具有极低的膨胀率,省去析气(out-gassing)过程,抑制了阳极和阴极之间的枝晶生长(可能会影响性能),延长了电池寿命。LiRAP固体电解质中的Li 离子在高电压和高电流状态下导电效果更佳,并能提升能量密度、电池电量以及使用安全。     固态电解质 锂硫电池固态电解质同样基于LiRAP,不过目前高能量密度锂硫电池尚未进行商用化的一大障碍是,其电量损耗较快,稳定性不足且循环效率较低,主要是由于其涉及复杂的反应原理,包括锂离子聚硫化物的可溶性不尽相同。 基于Li3ClO的玻璃电解质则可以充当阻止聚硫化物扩散进锂离子的“屏障”,此外,PATHION经过多项实验还发现,使用高效的硫离子阴极可以带来高达6.9毫克/平方厘米的硫密度。 将上述玻璃电解质和高效的硫离子阴极两种因素结合,将大大改善充电效率,并延长电池寿命。目前市场上最好的商用锂电池比能仅为250瓦时/千克,而锂硫电池比能为前者的三倍多,高达800瓦时/千克。此外,新的锂硫材料既可以用在电池上,也可以应用于超级电容器。 PATHION展示的钠离子电池中使用了一种称作LiGlass的固体电解质。在维持性能的基础上,LiGlass在正常室温下或200℃高温下能够带来超快的离子电导率,能量密度超过1,000瓦时/千克。 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员最初研发LiRAP超离子固态电解质,主要用于与金属锂阳极以及可再充电的阴极。这种新材料具有极大的Li 离子空位和晶格缺陷,从而在低能量壁垒下加快锂离子转化。

    时间:2015-05-06 关键词: 固态 电解质 电源资讯 pathion

  • PATHION新型固态电解质 提升锂电池能量密度

    PATHION新型固态电解质 提升锂电池能量密度

    固态电解质 本月在旧金山召开的2015年材料研究会议上,PATHION公司展示了两种基于LiRAP的超离子导体固态电解质,分别为锂硫电池中的Li3ClO以及钠离子电池中的LiGlass。 不同于液态电解质,固态电解质具有极低的膨胀率,省去析气(out-gassing)过程,抑制了阳极和阴极之间的枝晶生长(可能会影响性能),延长了电池寿命。LiRAP固体电解质中的Li 离子在高电压和高电流状态下导电效果更佳,并能提升能量密度、电池电量以及使用安全。 目前PATHION正致力于锂硫电池以及钠离子电池的研发及改进工作。锂硫电池固态电解质同样基于LiRAP,不过目前高能量密度锂硫电池尚未进行商用化的一大障碍是,其电量损耗较快,稳定性不足且循环效率较低,主要是由于其涉及复杂的反应原理,包括锂离子聚硫化物的可溶性不尽相同。 基于Li3ClO的玻璃电解质则可以充当阻止聚硫化物扩散进锂离子的“屏障”,此外,PATHION经过多项实验还发现,使用高效的硫离子阴极可以带来高达6.9毫克/平方厘米的硫密度。   固态电解质原理图 将上述玻璃电解质和高效的硫离子阴极两种因素结合,将大大改善充电效率,并延长电池寿命。目前市场上最好的商用锂电池比能仅为250瓦时/千克,而锂硫电池比能为前者的三倍多,高达800瓦时/千克。此外,新的锂硫材料既可以用在电池上,也可以应用于超级电容器。 PATHION展示的钠离子电池中使用了一种称作LiGlass的固体电解质。在维持性能的基础上,LiGlass在正常室温下或200℃高温下能够带来超快的离子电导率,能量密度超过1,000瓦时/千克。 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员最初研发LiRAP超离子固态电解质,主要用于与金属锂阳极以及可再充电的阴极。这种新材料具有极大的Li 离子空位和晶格缺陷,从而在低能量壁垒下加快锂离子转化。

    时间:2015-05-06 关键词: 锂电池 电解质 pathion

  • 美研发出柔性电解质材料可防锂离子电池起火

    据报道,一种新的胶状材料可能有助于防止锂离子电池起火。美国华盛顿州立大学的研究人员开发出一种柔性材料,可替代电子设备中可充电锂离子电池常用的液体电解质,这些液体电解质通常有毒性,可能发生泄漏,甚至着火。工程师声称该材料的性能几乎和标准液体电解质一样好,而不像以前实验的固体电解质。固体电解质导电性不好,且难以连接到电池的阳极和阴极。由于波音787梦想飞机电池起火事件等,人们越来越意识到锂离子电池存在的问题。民用航空管理局(CAA)已开始对用于飞机上的结构不佳,价格便宜的电池危险提出警告。该项研究的领导者认为,虽然商业电池制造商有办法解决安全问题,例如温度传感器和阻燃添加剂,但它们无法从根本上解决安全问题。这种新材料结合了允许离子从电池的两边之间通过的液体电解质和固体蜡颗粒或类似材料。如果电池太热,材料将熔化并断开电路。研究人员计划在实际电池中测试该材料。因为电解质柔性、轻质,他们相信这将用于未来的柔性电子器件中。

    时间:2014-02-22 关键词: 锂离子 柔性 智慧工业 起火 电解质

  • 山西开发离子液体电解质甲烷燃料电池发动机

    [摘要] 太原科技大学化学与生物工程学院研究人员开发出离子液体电解质甲烷燃料电池发动机,该发动机能够直接使用甲烷燃料。   近日,记者从太原科技大学化学与生物工程学院获悉,该校科研团队在新能源汽车燃料电池发动机领域获得重大突破。业内人士称,这将对中国乃至世界汽车产业产生巨大的影响。   随着石油价格的迅猛飙升,机动车的行驶成本日益沉重,寻求石油替代资源迫不及待。新能源汽车燃料电池发动机作为一种直接将化学能转变为电能的装置,具有几乎不产生污染的优良环保特性,使之成为世界各国科学研究的前沿领域。   太原科技大学化学与生物工程学院王远洋教授和他的科研团队所研发的离子液体电解质甲烷燃料电池发动机能够直接使用甲烷燃料。王远洋教授表示由于本项目成果属于创新技术,相关技术标准尚未建立,目前只能权且采用《QC/T691车用天然气单燃料发动机技术条件》现行通用标准,”我们将会积极寻求途径参与标准制定,从而确立我们在这一领域的先创性地位”。   王远洋教授特别指出的是,迄今为止中国燃料电池动力汽车尚未实现产业化,主要原因在于没有实现技术突破和难以解决制约产业化的瓶颈问题。”我们技术的先创性丝毫不损害其成熟性。我们的先创性在于应用离子液体技术将原有电池材料予以质的改良,从而显著降低了燃料电池的工作温度。”   山西极为丰富的四气资源中甲烷占有相当大的比重,尤其是煤层气、天然气和煤制气高达90%以上,无疑可以作为机动车的替代燃料,从而为新能源汽车燃料电池发动机的产业化奠定了坚实基础。该技术的产业化进程将对中国乃至世界汽车产业的影响无疑是巨大的,甚至是革命性的。

    时间:2014-01-20 关键词: 燃料 甲烷 电解质 山西

  • 美科学家改用固体电解质 电池高效不易燃

    美国能源部下属的橡树岭国家实验室(ORNL)的科学家设计出了一种全新的全固态锂硫电池,其能量密度约为目前电子设备中广泛使用的锂离子电池的4倍,且成本更低廉。 该研究的领导者梁诚督(音译)表示:;新电池中用到的电解质也是固体,这种设计思路完全颠覆了已延续150年到200年的两个电极加一堆电解液的固有电池概念,也解决了其他化学家一直担心的易燃问题。 几十年来,科学家们一直很看好锂硫电池,其比锂离子电池效率高且成本低。但寿命短是其最大弱点,因此一直未被商用。另外,电池内使用液体电解质也成为科学家们的桎梏。一方面,液体电解质会通过溶解多硫化物从而帮助锂离子在电池中传导。但不利的是,这一溶解过程会使电池过早地被损坏。 现在,该ORNL研究团队的新设计方法清除了这些障碍。首先,他们合成出了一种富含硫的新物质并将其作为电池的阴极,其能传导锂离子和传统电池阴极中使用的硫金属锂化物,随后,再将其同由锂制成的阳极以及固体电解质(也由ORNL的研究人员研发而成)结合在一起,制造出了这种能量密度大的全固态电池。 测试结果表明,新电池在60摄氏度的温度下,经过300次充放电循环后,电容可以维持在1200毫安小时/克,而传统锂离子电池的平均电容为140 至170毫安小时/克。梁诚督表示,因为锂硫电池携带的电压为锂离子电池的一半,平均电容为其8倍,所以,新电池的能量密度约为传统锂离子电池的4倍。

    时间:2013-11-13 关键词: 电池 电解质 电源资讯

  • 基于XMEGA128的便携式电解质分析仪设计

    电解质分析仪可测定生物标本如血清、血浆、全血及稀释尿液中的值钾(K)、钠(Na)、氯(C1)、钙(Ca)、PH值等,并通过计算提供标准化离子钙(nCa)、总钙(TCa),在临床上具有较重要的意义。自80年代汽巴康宁,奥林巴斯等国外产品进入中国后,国产电解质分析仪迅速跟进,并研制出一批性能较高的产品。近几年随着一些突发事件的发生(如:汶川大地震),对便携式医疗仪器的需求大大增加,便携式电解质分析仪就是其中之一。 这里提出一款采用ATMEL公司推出的高性能XMEGAl28单片机为核心器件设计的由电池供电的便携式电解质分析仪,可以满足野外使用需求。 1 XMEGA简介 XMEGA是8位AVR微处理器的强劲性能升级版本。XMEGA采用第二代picoPower技术,是唯一真正使用1.6 V工作电压的闪存微控制器。该器件功耗超低,并具有快速12位模拟功能、1个DMA控制器、1个创新的事件系统,以及1个AES加密引擎,全部都无需占用CPU资源,能够最大限度减少功耗和提高系统性能。 XMEGAl28微控制器的闪存容量为128 Kb,采用100引脚的贴片封装,工作电压为1.6~3.6 V,32 MHz频率下处理性能可达到32 MI/s。 由于XMEGAl28的内部丰富的资源和强劲的性能。使其非常适合应用于嵌入式系统。该便携式电解质分析仪采用XMEGAl28作为核心微处理器,使得整个系统外围器件大大减少,在降低成本的同时又提高了系统安全性、可靠性。XMEGAl28较大的程序存储空间能够满足电解质分析仪的大量软件代码的存放。 2 系统硬件设计 该系统是以ATxmegal28Al微处理器为核心,外围连接有显示、按键、打印机、传感器放大盒、电源、通讯等模块,其硬件设计结构框图如图1所示。 显示部分采用320x240通用的LCD,直接由ATxmega128Al总线驱动,为用户提供更多直观信息,也使操作更方便。嵌入式微型打印机采用迅普公司的微型热敏打印机,便于野外现场输出文档型资料,也直接由ATxmegal28A1的总线驱动。 2.1 传感器调理放大电路 该分析仪的样品液经高分子膜传感器测量后得到的电信号的幅度很小,在-250~250 mV之间,无法直接进行A/D转换。因此,需要对这些模拟信号进行调理放大处理。在电路的设计上,为了与离子选择电极的高内阻相匹配,采用CA3140集成运算放大器作为一级放大,二级放大采用高精度低漂移的HAl7741运算放大器。   如图2所示,采用3个运算放大器组成的测量放大电路,前段有2个高输入阻抗的CA3140构成差动输入。后端的HAl7741实际上是一差动跟随器,其增益近似为1。为了保证放大器的精度,负反馈电阻选择高精度低温漂的精密电阻,且电路闭环增益不太大。同时为防止电路板表面的漏电流,对电路板进行了局部镂空。为了能在野外恶劣环境下工作,对电路板还进行了防潮处理和电子屏蔽。 [!--empirenews.page--] 电极信号有钾、钠、氯、钙和pH共5路,分别经各自的放大电路后连接到ATxmegal28A1微处理器的A/D模块端口。 2.2 键盘接口 为便于用户使用,该系统共36个按键,其中有26个英文字母按键、4个快速功能按键、4个方向按键以及确定和取消按键,这些按键制作成6x6的薄膜开关按键。所有按键均有CH452器件控制,这样可降低主处理器的工作负担,大大简化了软件编写程序。CH452内置64键键盘控制器,基于8x8矩阵键盘扫描;内置按键状态输入的下拉电阻;内置去抖动电路;键盘中断,可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出;提供按键释放标志位,可供查询按键按下与释放;支持按键唤醒,处于低功耗节电状态中的CH452可以被部分按键唤醒。 图3为基于CH452的键盘接口电路。为了防止按键被按下后,CH452的SEG信号线与DIG信号线形成短路,在CH452的DIG0~DIG5引脚与键盘矩阵之间串联有限流电阻,图3中R40~R46,其阻值为10 kΩ。CH452采用4线制与主处理器ATxmegal28A1链接,占用主处理器1个中断接口和l组SPI接口。 2.3 USB通讯接口 为便于仪器现场使用方便,该系统设计了对外信息输送的USB接口,可使仪器便捷地与各类存储器及电脑连接。其中,USB接口控制器采用CH357器件。CH357支持USB-HOST主机方式和USBDEVICE/SLAVE设备方式。在本地端CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出,可方便地挂接到ATXMEGAl28Al微控制器的系统总线上。图4为CH375与主控制器的连接电路,CH375的TXD引脚直接接地,从而使CH375工作于并口方式。电容C1201用于CH375内部电源节点退耦,采用0.01μF的高频瓷片电容,可提高接口的EMI要求。电容C47和C1202用于外部电源退耦,采用0.1μF的高频瓷片电容。晶体X11、电容C1203和C1204用于CH375的时钟振荡电路。USB-HOST主机方式要求时钟频率比较准确,X11的频率是12 MHz±0.4‰,C1203和C1204是容量约为15 pF的独石电容。LEDl为数据传送指示灯,用户可以直观观察数据传送状态。 [!--empirenews.page--] 3 系统软件设计 该系统软件开发采用ATMEL公司提供的AVRStudio开发环境,并在该开发环境中内嵌了支持C语言的GCC。分析仪软件全部采用C语言编写,这样开发周期缩短,维护便捷。该系统软件设计采用层次化模块化结构设计,共分为两个层次,第l层是按照硬件各个功能模块编写相应的驱动和接口程序,包括液晶显示、打印机、按键处理、步进电机、A/D采集转换、系统时钟、检测和电源管理等模块;第2层是在第1层的基础上按照使用功能编写的应用程序模块,有主菜单、样本分析、质控分析、质控统计、系统设定、系统校准、电极清洗、数据储存及查询和系统自检等模块。图5中给出系统整体软件设计流程。 4 结论 该设计的便携式电解质分析仪已经完成样机制作,并进行相关测试。测试结果表明,由于采用先进的Xmega微控制器为核心,系统整体功耗较低,使用36 V10Ah的锂电池供电可以连续工作8小时左右。样机已经通过了GE认证的电磁兼容测试,表明该仪器有较好的抗干扰能力。由此可见,所设计的便携式电解质分析仪完全适应野外工作的需求。  

    时间:2011-08-20 关键词: 便携式 分析仪 电源技术解析 基于 设计 电解质 xmega128

  • 电解质型倾角传感器在天线控制中的应用

    1.引 言  传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,作为信息系统的关键基础器件,近年来,已经受到国内外的广泛关注。倾斜传感器作为经典的传感器之一,也正在被新材料、新原理、多功能、新结构所取代,与数字技术、通信技术的结合越来越密切,朝着集成化、智能化和微型化方向发展。图一2.倾斜传感器原理  为了测知被测物体与标准水平面的倾斜角度,常常用到一种电解质型传感器.图为一双轴传感器在轻微倾斜时单轴向示意图,传感器由密封圆筒构成,圆筒之间充满整个容量一半左右的流体介质,电解质为呈粘滞性液体,圆筒中装有电极,并且浸泡在电解液中,各电极分别有管脚引出。当传感器倾斜时,液面因为重力保持水平,两电极间传导率与电极浸入液体的长度成正比。例如图中所示的倾角下,电极a、b之间的传导率大于电极b、c之间的传导率。可见,在电特性上,传感器类似于分压计,阻抗的变化和倾斜的角度成正比,传感器输出信号随倾斜角度变化的关系如图二所示,注意当倾角大于20°时输出信号变得非线性。可以证明,传感器可以测量的倾角范围为电解液容量、电极间距和电极长度的函数。传感器在某种程度上类似于铅酸电池,电流能引起电解质的化学反应,最终结果使电解质失去导电性,所以为了防止电解反应的发生,传感器的激励必须为频率足够高的交变电流。对于某些电解液,这个频率可以为25Hz,而有些电解液则需要达到1000Hz到4000Hz。图二 传感器输出特性3. 倾斜传感器在舰载天线控制中的应用  3.1舰艇的前进、海浪颠簸都会导致舰载天线随机座发生倾斜,所以为了保证天线能够连续准确地跟踪卫星,就要对天线轴架进行实时调整。由于天线的转动控制除了方位(Azimuth)与俯仰(Level),还有一个俯仰的垂直面(Cross level),因此要用到三个检测电机转速的角速度传感器和一个检测水平度的倾斜传感器。如图所示:图三 舰载卫星天线示意图  3.2传感器参数及应用  测量范围±45°;输入电压+5v;输出+1~4vDC或4~20mA;分辨率为0.01°;非线性为±2°;工作温度为-40°C~+80°C;承受冲击能力为1000g,1msec。  对于双轴传感器则即有与单轴传感器类似的属性,又包含自身的复杂性。由于双轴共享中心电极,四个外围电极理想地分布于正方形的四个角,所以每个轴向的独立测量要用到两种方法:一是同一时刻只有一个轴向激励,二是双轴向同时加载不同频率的激励,如图所示,电极a、c间的激励信号频率为电极d、e间的二倍,要注意方法一中正交的两个轴向分别为对角线ac和de方向,而方法二中正交的两个轴向则是外围电极正方形的边缘ae和ad方向。图四 外围电极波形  3.3传感器接口电路图五 输入电路框图  从图中可以看出,由于传感器输出为微弱的模拟信号,所以必须把传感器输出的模拟量进行预处理,又称信号调理,并且经过A/D转换变成数字量,处理器才能对其进行分析处理。具体到电解质型倾角传感器,以某型舰载天线为例,实际应用电路如下图所示:图六 传感器应用电路  图中U5构成传感器输出CTR端信号的反相放大电路,F1,F2来自处理器输出端口控制信号,为频率50HZ、相位差180°的方波,经过反相器作为传感器的LV和CL电极驱动,既可实现每对电极上信号极性的交替变化,又能提供水平和垂直水平二维倾斜度测量的选择。F1,F2同时又作用于多路输入选择器U6的控制端A和B,对应于每对电极上信号极性的变化,选择控制相应极性的信号作为输出。4.结束语  电解质型倾角传感器具有良好的复现性、可靠性和较高的精度,在应用中需要特别注意的是:⑴驱动信号F1,F2必须为直流分量为零的交流电压信号,因为直流会使电解质产生电解反应而失去导电性,对传感器造成不可逆转的损坏。⑵避免使用波峰焊接以及化学有机溶剂洗刷,以防止传感器输出特性的改变和电解液泄露。  本文作者创新点:为确保其可靠运行,应在处理器端口引脚和传感器之间接上CMOS 反相器。微处理器可以设置成每秒唤醒一次或几次进行新的测量,同时采样驱动信号中点电压作为参考,这样每次测量分两步完成:首先计算传感器信号减去参考信号的值,然后加上反相驱动信号并计算参考信号减去传感器信号的值,将两次测量结果相减得到所需倾斜值的2 倍且使系统产生的偏差相抵消。

    时间:2009-07-20 关键词: 中的应用 电解质 倾角传感器 天线控制

发布文章

技术子站

更多

项目外包