Алюминиевые батареи расчет по площади: Страница не найдена — Системы отопления

Расчет секций алюминиевых радиаторов отопления

Каждый дом оснащён радиатором отопления. На постсоветском пространстве  самые распространённые батареи – чугунные. Своё широкое распространение такие батареи получили благодаря долговечности. Однако со временем секции батареи забиваются ржавчиной и попавшим в систему отопления илом и мусором, что в свою очередь приводит к ухудшению теплоотдачи. Но на сегодняшний день ситуация кардинально изменилась благодаря  альтернативе в виде биметаллических и алюминиевых радиаторов отопления. Они обладают повышенной стойкостью к коррозии и высокой теплоотдачей, при этом имея небольшие размеры.

Отличительной характеристикой алюминиевого радиатора является наличие большого проходного сечения канала секции, а также наличие специального эпоксидного покрытия, которое защищает алюминий от коррозии.

 

Отличные характеристики и высокое качество алюминиевых радиаторов достигаются благодаря:

• использованию высококачественного алюминия;
• применению автоматизированной системе производства;
• контрольной проверкой при избыточном давлении.

Благодаря такой технологии производства теплоотдача алюминиевых радиаторов на 10-12% выше чугунных.

Расчёт мощности

Ниже приведена таблица изменения показателей мощности радиатора в зависимости от теплового напора.

t_z и t_p — соответственно начальная и конечная температура теплоносителя (на входе и выходе) в отопительном приборе, °С;

t_i — температура помещения, °С

Кол-во секций радиатора	tz/tp/ti, °С	Теплоотдача
		РАП 300	РАП 500
3	90/70/20 75/65/20	302,1 238,2	463,2 365,4
4	90/70/20 75/65/20	402,8 317,6	617,6 487,2
5	90/70/20 75/65/20	503,5 397,0	772,0 609,0
6	90/70/20 75/65/20	604,2 476,4	926,4 730,8
7	90/70/20 75/65/20	704,9 555,8	1080,8 852,6
8	90/70/20 75/65/20	805,6 635,2	1235,2 974,4
9	90/70/20 75/65/20	906,3 714,6	1389,6 1096,2
10	90/70/20 75/65/20	1007,0 794,0	1544,0 1218,0
11	90/70/20 75/65/20	1107,7 873,4	1698,4 1339,8
12	90/70/20 75/65/20	1208,4 952,8	1852,8 1461,6
13	90/70/20 75/65/20	1309,1 1032,1	2007,2 1583,4
14	90/70/20 75/65/20	1409,8 1111,6	2161,6 1705,2
15	90/70/20 75/65/20	1510,5 1191,0	2316,0 1827,0
16	90/70/20 75/65/20	1611,2 1270,4	2470,4 1948,8

При расчёте мощности радиатора не важен его вид. Важен только один показатель – мощность самого радиатора (секции). При покупке радиатора всегда можно узнать этот параметр. В случае отсутствия показателей мощности, можно определить через интернет, зная модель радиатора.

Далее для определения мощности необходимоопределить площадь помещения, которое планируется обогревать.

Формула для расчёта мощности радиатора довольно таки проста. Требуемая мощность берётся из расчёта 100 Ватт на 1квадратный метр при высоте потолка 2,7 метра. Исходя из этого, получается следующая формула:

K=S×100/P,

где

K – количество секций радиатора;
S – площадь обогреваемого помещения;
P – мощность радиатора (секции).

Например: необходимо рассчитать число секций радиатора для комнаты площадью в 30 квадратных метров. Мощность секции составляет 200 Ватт. Исходя из условия, имеем S=30, P=200. Подставив данные в формулу, получаем

K=30×100/200
K=15 секций

При расчёте мощности радиатора необходимо учитывать разные случайные факторы. Исходи из этого лучше всего покупать радиатор с 20% запасом от рассчитываемого показателя. Таким образом, для выше указанного примера с учётом запаса количество секций будет равняться 18.

Расчет количества секций алюминиевых радиаторов отопления

В данный момент заявку на расчет отопления Вы сможете отправить на
Email: [email protected]

Необходимые данные для проведения расчета:

Кол-во кв/м. Количество этажей в доме Ваш этаж Угловая квартира? (Да/Нет) Вид радиаторов отопления (Биметалл, Алюминий, Чугун, Вакуумный, Стальной — конвектор, др.) Модель дома (монолитный/панельный/кирпичный/блочный/др..) Наличие балкона и утеплен ли он? Высота подоконников Высота потолков Кол-во комнат (подкрепить планом или схемой квартиры во вложении для наглядности)

Кол-во окон (подкрепить планом или схемой квартиры во вложении для наглядности) Самая низкая температура в зимнее время +- 10 C Наличие навесного потолка (Да/Нет) Ваше ФИО Ваш телефон (для уточнения возможных деталей при расчетах, укажите удобное для Вас время звонка по Москве)

Расчет производится в течении 1-2 дней, т.к. загрузка наших инженеров очень большая!

Результаты расчета и советы по построению отопления отправляются в ответ на запрос, на Ваш Email!

Расчет мы производим совершенно бесплатно! В замен просим рассказать о нас Вашим друзьям в социальных сетях!

Спасибо!

Получить профессиональный расчет радиаторов отопления БЕСПЛАТНО!

Отправить заявку для расчета радиаторов отопления профессионалами, расчет абсолютно БЕСПЛАТНЫЙ!

От вас требуется сообщить параметры вашей квартиры:

• Кол-во кв/м.
• Количество этажей в доме
• Ваш этаж
• Угловая квартира? (Да/Нет)
• …

ОТПРАВИТЬ ЗАЯВКУ

Расчет алюминиевых радиаторов — это очень важная задача, с которой на отлично справится наш онлайн калькулятор. Тут вы сможете произвести достаточно качественный и точный расчет секций алюминиевых радиаторов отопления требуемых для обогрева нужной вам площади.

Видео с примером расчета секций алюминиевого радиатора

В данном случае мы рассмотрим только расчет количества алюминиевых радиаторов т. к. они в последнее время получают все большую популярность среди населения, их неоспоримыми преимуществами является высокая теплоотдача, быстрый нагрев и удобная терморегуляция, удобство монтажа из-за небольшого веса и невысокая стоимость по фсравнению с другими видами радиаторов отопления.

Для точного расчет алюминиевых радиаторов отопления вам нужно заполнить все дополнительные параметры, не стоит ими пренебрегать!

Расчет количества алюминиевых радиаторов ведется по формуле схожей с расчетом других радиаторов, тут вся соль в мощности одной секции, для расчета при нестандартной мощности, вы можете полученное значение «Требуемая мощность» разделить на мощьность одной секции, что даст вам нужное количество секций алюминиевых радиаторов отопления для вашего жилого помещения.

Как рассчитать алюминиевые радиаторы отопления на площадь

Расчет секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр

Здесь вы узнаете про расчет секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр: сколько нужно батарей на комнату и частный дом, пример вычисления максимального количества обогревателей на необходимою площадь.

Мало знать, что алюминиевые батареи обладают высоким уровнем теплоотдачи.

Перед их установкой обязательно нужно произвести расчет, какое именно их количество должно быть в каждом отдельном помещении.

Только зная, сколько алюминиевых радиаторов нужно на 1 м2, можно с уверенностью покупать необходимое количество секций.

Расчет секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр

Как правило, производителями заранее просчитаны нормы мощности батарей из алюминия, которые зависят от таких параметров, как высота потолков и площадь помещения. Так считается, что на то, чтобы нагреть 1 м2 комнаты с потолком до 3 м высоты потребует тепловая мощность в 100 Вт.

Эти цифры приблизительны, так как расчет алюминиевых радиаторов отопления по площади в данном случае не предусматривает возможных теплопотерь в помещении или более высокие или низкие потолки. Это общепринятые строительные нормы, которые указывают в техпаспорте своей продукции производители.

Кроме них:

1. Немалую важность играет параметр тепловой мощности одного ребра радиатора. Для алюминиевого обогревателя она составляет 180-190 Вт.
2. Температура носителя так же должна учитываться. Ее можно узнать в управляющем тепловом хозяйстве, если отопление централизованное, либо измерить самостоятельно в автономной системе. Для алюминиевых батарей показатель равен 100-130 градусам. Разделив температуру на тепловую мощность радиатора, получается, что для обогрева 1 м2 потребуется 0.55 секций.
3. В том случае, если высота потолков «переросла» классические стандарты, то необходимо применять специальный коэффициент:
   • если потолок равен 3 м, то параметры умножаются на 1.05;
   • при высоте 3.5 м он составляет 1.1;
   • при показателе 4 м – это 1.15;
   • высота стены 4.5 м – коэффициент равен 1.2.
4. Можно воспользоваться таблицей, которую предоставляют производители к своей продукции.

Сколько нужно секций алюминиевого радиатора?

Расчет количества секций алюминиевого радиатора производится по форме, подходящей для обогревателей любого типа:

В данном случае:

• S – площадь помещения, где требуется установка батареи;
• k – коэффициент корректировки показателя 100 Вт/м2 в зависимости от высоты потолка;
• P – мощность одного элемента радиатора.

При расчете количества секций алюминиевых радиаторов отопления получается, что в помещении площадью 20 м2 при высоте потолка 2.7 м для алюминиевого радиатора с мощностью одной секции 0.138 кВт потребуется 14 секций.

Q = 20 х 100 / 0.138 = 14.49

В данном примере коэффициент не применяется, так как высота потолка менее 3 м. Но даже такой секций алюминиевых радиаторов отопления не будут верными, так как не взяты во внимание возможные теплопотери помещения. Следует учитывать, что в зависимости от того, сколько в комнате окон, является ли она угловой и есть ли в ней балкон: все это указывает на количество источников теплопотерь.

Делая расчет алюминиевых радиаторов по площади помещения, следует в формуле учитывать процент потери тепла в зависимости от того, где они будут установлены:

• если они закреплены под подоконником, то потери составят до 4%;
• установка в нише моментально увеличивает этот показатель до 7%;
• если алюминиевый радиатор для красоты прикрыть с одной стороны экраном, то потери составят до 7-8%;
• закрытый экраном полностью, он будет терять до 25%, что делает его в принципе малорентабельным.

Это далеко не все показатели, которые следует учесть при установке алюминиевых батарей.

Пример расчета

Если рассчитывать, сколько секций алюминиевого радиатора надо на комнату площадью 20 м2 при норме 100 Вт/м2, то так же следует вносить корректировочные коэффициенты потери тепла:

• каждое окно добавляет к показателю 0.2 кВт;
• дверь «обходится» в 0.1 кВт.

Если предполагается, что радиатор будет размещен под подоконником, то корректирующий коэффициент составит 1.04, а сама формула будет выглядеть следующим образом:

Q = (20 х 100 + 0,2 + 0,1) х 1,3 х 1,04 / 72 = 37,56

Где:

• первый показатель – это площадь комнаты;
• второй – стандартное количество Вт на м2;
• третий и четвертый указывают на то, что в комнате по одному окну и двери;
• следующий показатель – это уровень теплоотдачи алюминиевого радиатора в кВт;
• шестой – корректирующий коэффициент касаемо расположения батареи.

Все следует разделить на теплоотдачу одного ребра обогревателя. Его можно определить из таблицы от производителя, где указаны коэффициенты нагрева носителя по отношению к мощности устройства. Средний показатель для одного ребра равен 180 Вт, а корректировка – 0.4. Таким образом, умножив эти цифры, получается, что 72 Вт дает одна секция при нагреве воды до +60 градусов.

Так как округление производится в большую сторону, то максимальное количество секций в алюминиевом радиаторе конкретно для этого помещения составит 38 ребер. Для улучшения работы конструкции, ее следует разделить на 2 части по 19 ребер каждая.

Вычисление по объему

Если производить подобные вычисления, то потребуются обратиться к нормативам, установленным в СНиП. В них учитываются не только показатели радиатора, но и то, из какого материала построено здание.

Например, для дома из кирпича нормой для 1 м2 будет 34 Вт, а для панельных строений – 41 Вт. Чтобы рассчитать количество секций батареи по объему помещения, следует: объем помещения умножить на нормы теплозатрат и разделить на теплоотдачу 1 секции.

Например:

1. Чтобы высчитать объем комнаты площадью 16 м2, нужно умножить этот показатель на высоту потолков, например, 3 м (16х3 = 43 м3).
2. Норма тепла для кирпичного здания = 34 Вт, чтобы узнать какое требуется количество для данной комнаты, 48 м3 х 34 Вт (для панельного дома на 41 Вт) = 1632 Вт.
3. Определяем, сколько требуется секций при мощности радиатора, например, 140 Вт. Для этого 1632 Вт/ 140 Вт =11.66.

Округлив этот показатель, получаем результат, что для комнаты объемом 48 м3 требуется алюминиевый радиатор из 12 секций.

Тепловая мощность 1 секции

Как правило, производители указывают в технических характеристиках обогревателей средние показатели теплоотдачи. Так для обогревателей из алюминия он составляет 1.9-2.0 м2. Чтобы высчитать, какое количество секций потребуется, нужно площадь помещения разделить на этот коэффициент.

Например, для той же комнаты площадью 16 м2 потребуется 8 секций, так как 16/ 2 = 8.

Эти расчеты приблизительные и использовать их без учета теплопотерь и реальных условий размещения батареи нельзя, так как можно получить после монтажа конструкции холодную комнату.

Чтобы получить самые точные показатели, придется рассчитать количество тепла, которое необходимо для обогрева конкретной жилой площади. Для этого придется учитывать многие корректирующие коэффициенты. Особенно важен такой подход, когда требуется расчет алюминиевых радиаторов отопления для частного дома.

Формула, необходимая для этого выглядит следующим образом:

КТ = 100Вт/м2 х S х К1 х К2 х К3 х К4 х К5 х К6 х К7

1. КТ – это то количество тепла, которое требуется данному помещению.
2. S – площадь.
3. К1 – обозначение коэффициента для остекленного окна. Для стандартного двойного остекления он равен 1.27, для двойного стеклопакета – 1.0, а для тройного – 0.85.
4. К2 – это коэффициент уровня утепления стены. Для неутепленной панели он = 1.27, для кирпичной стены с кладкой в один слой = 1.0, а в два кирпича = 0.85.
5. К3 – это соотношение площади, занимаемой окном и полом.Когда между ними:
   • 50% — коэффициент составляет 1.2;
   • 40% — 1.1;
   • 30% — 1.0;
   • 20% — 0.9;
   • 10% — 0.8.
6. К4 – это коэффициент, учитывающий температуру воздуха по СНиП в самые холодные дни года:
   • +35 = 1.5;
   • +25 = 1.2;
   • +20 = 1.1;
   • +15 = 0.9;
   • +10 = 0.7.
7. К5 указывает на корректировку при наличии наружных стен.Например:
   • когда она одна, показатель равен 1.1;
   • две наружные стены – 1.2;
   • 3 стены – 1.3;
   • все четыре стены – 1.4.
8. К6 учитывает наличие помещения над комнатой, для которой производятся расчеты.При наличии:
   • неотапливаемого чердака – коэффициент 1.0;
   • чердак с обогревом – 0.9;
   • жилая комната – 0.8.
9. К7 – это коэффициент, который указывает на высоту потолка в комнате:
   • 2.5 м = 1.0;
   • 3.0 м = 1.05;
   • 3.5 м = 1.1;
   • 4.0 м = 1.15;
   • 4.5 м = 1.2.

Если применить эту формулу, то можно предусмотреть и учесть практически все нюансы, которые могут повлиять на обогрев жилой площади. Сделав расчет по ней, можно быть точно уверенным, что полученный результат указывает на оптимальное количество секций алюминиевого радиатора для конкретного помещения.

Какой бы принцип расчетов ни был предпринят, важно сделать его в целом, так как правильно подобранные батареи позволяют не только наслаждаться теплом, но и значительно экономят на энергозатратах. Последнее особенно важно в условиях постоянно растущих тарифов.

Как рассчитать количество радиаторов отопления?

Расчет радиаторов нужно выполнять правильно, иначе малое их количество не сможет достаточно прогреть помещение, а большое, наоборот, создаст некомфортные условия пребывания, и придется постоянно открывать окна. Известны разные методики расчета. На их выбор влияет материал батарей, климатические условия, обустройство дома.

Расчет количества батарей на 1 кв. м

Площадь каждой комнаты, где будут установлены радиаторы, можно посмотреть в документах на недвижимость или измерить самостоятельно. Потребность тепла для каждой комнаты можно узнать в строительных нормах, где приведено, что для отопления 1м2 в определенной зоне проживания потребуется:

• для суровых климатических условий (температура достигает ниже -60 град.) – 150-200 Вт;
• для средней полосы – 60-100 Вт.

Чтобы рассчитать, нужно умножить площадь (P) на значение потребности тепла. Учитывая эти данные, в качестве примера, приведем расчет для климата средней полосы. Чтобы достаточно отопить комнату в 16 кв. м, нужно применить расчет:

16 х 100 = 1600 Вт

Далее рассчитывается количество секций батарей (N) – полученное значение делиться на тепло, которое выделяет одна секция. Принимается, что одна секция выделяет 170 Вт, исходя из этого, проводится расчет:

Лучше округлить в большую сторону – 10 штук. Но для некоторых комнат целесообразней округлять в меньшую сторону, например, для кухни, в которой есть дополнительные источники тепла. Тогда будет 9 секций.

Расчеты можно провести по другой формуле, которая при этом аналогична выше представленным расчетам:

• N – количество секций;
• S – площадь комнаты;
• P – теплоотдача одной секции.

Так, N = 16 / 170 * 100, отсюда N = 9,4.

Выбор точного количества секций биметаллических батарей

Они бывают нескольких видов, каждый из них имеет свою мощность. Минимальное выделение тепла достигает – 120 Вт, максимальное – 190 Вт. При расчете количества секций нужно учитывать необходимое потребление тепла в зависимости от места расположения дома, а также с учетом теплопотерь:

• Сквозняки, которые происходят из-за некачественно выполненных оконных проемов и профиля окон, щелей в стенах.
• Растраты тепла по пути следования теплоносителя от одной батареи к другой.
• Угловое расположение комнаты.
• Количества окон в помещении: чем их больше, тем больше теплопотери.
• Регулярное проветривание комнат зимой также накладывает отпечаток на количество секций.

Для примера, если нужно обогреть комнату в 10 кв. м, расположенную в доме, находящемся в средней климатической полосе, то нужно приобрести батарею с 10 секциями, мощность каждой из них должна быть равна 120 Вт или ее аналог на 6 секций при теплоотдаче в 190 Вт.

Расчет количества радиаторов в частном доме

Если для квартир можно брать усредненные параметры потребляемого тепла, так как они рассчитаны на стандартные габариты комнаты, то в частном строительстве это неправильно. Ведь многие владельцы строят свои дома с высотой потолков, превышающей 2,8 метра, к тому же практически все помещения частного владения получаются угловыми, поэтому для их обогрева потребуется больше мощности.

В таком случае расчеты, основанные на учете площади помещения, не подходят: нужно применять формулу с учетом объема комнаты и делать корректировку, применяя коэффициенты уменьшения или увеличения теплоотдачи.

Значения коэффициентов следующие:

• 0,2 – на этот показатель умножается полученное конечное число мощности, если в доме установлены многокамерные пластиковые стеклопакеты.
• 1,15 – если установленный в доме котел работает на пределе своей мощности. В этом случае каждые 10 градусов нагреваемого теплоносителя понижают мощность радиаторов на 15%.
• 1,8 – коэффициент увеличения, который нужно применить, если комната угловая, и в ней присутствует более одного окна.

Для расчета мощности радиаторов в частном доме применяется следующая формула:

• V – объем помещения;
• 41– усредненная мощность, необходимая для обогрева 1 кв. м частного дома.

Пример расчета

Если имеется комната в 20 кв. м (4х5 м – длина стен) с высотой потолков 3 метра, то ее объем легко рассчитать:

Полученное значение умножается на принятую по нормам мощность:

60 х 41 = 2460 Вт – столько требуется тепла, чтобы отопить рассматриваемую площадь.

Расчет количества радиаторов сводится к следующему (если учесть, что одна секция радиатора в среднем выделяет 160 Вт, а точные их данные зависят от материала, из которого изготовлены батареи):

2460 / 160 = 15,4 штуки

Примем, что всего нужно 16 секций, то есть нужно приобрести 4 радиатора по 4 секции на каждую стену или 2 по 8 секций. При этом не нужно забывать о коэффициентах корректировки.

Расчет отдачи тепла одного алюминиевого радиатора (видео)

В видео вы узнаете, как рассчитать теплоотдачи одной секции батареи из алюминия при разных параметрах входящего и выходящего теплоносителя.

Одна секция алюминиевого радиатора имеет мощность 199 Ватт, но это при условии, что заявленный перепад температур в 70 град. будет соблюдаться. Это означает, что на входе температура теплоносителя составляет 110 град., а на выходе 70 град. Помещение при таком перепаде должно прогреваться до 20 град. Обозначается эта разница температур DT.

В качестве примера, можно рассчитать этот параметр при следующих данных:

• Температура теплоносителя на входе в радиатор – 85 град.;
• Остывание воды при выходе из радиатора – 63 град.;
• Обогрев помещения – 23 град.

Нужно сложить между собой два первых значения, разделить их на 2 и вычесть температуру помещения, наглядно это происходит так:

(85 + 63) / 2 – 23 = 52

Полученное число равняется DT, по предлагаемой таблице можно установить, что при нем коэффициент равняется 0,68. Учитывая это можно определить теплоотдачу одной секции:

199 х 0,68 = 135 Вт

Затем, зная теплопотери в каждом помещении, можно рассчитать, сколько всего нужно секций радиаторов для установки в определенную комнату. Даже если по расчетам получилась одна секция, нужно устанавливать минимум 3, иначе вся система отопления будет выглядеть нелепо и достаточно не обогреет площадь.

Чтобы не было жарко или холодно: как произвести расчет количества секций у алюминиевого радиатора отопления

Правильный расчёт — залог успешного создания системы отопления.

Он важен при использовании любых батарей, но особенно — алюминиевых.

Для расчета мощности радиатора используется несколько методов.

Мощность одной секции алюминиевого радиатора

Заявленные в паспорте изделия параметры не всегда верно отображаются в реальности. Это связано со множеством внешних условий, мешающих идеальной работе прибора.

Фото 1. Алюминиевый радиатор отопления. Прибор состоит из нескольких секций, количество которых можно изменить.

Теплоотдача алюминиевых батарей соответствует заявленным в документах цифрам, если между температурами воздуха и воды составляет 70 °C. Расчёт выглядит следующим образом:

• T_o — температура обратки.
• T_p— подачи.
• T_B— воздуха в комнате.

Последнее значение выбирают по ГОСТ. В большинстве случаев это 22 °C. Для определения нагрева теплоносителя формулу разворачивают:

T_p = (70 + 22) + 10.

Разница в 70 верна при теплоотдаче одной секции радиатора 500 мм в 200 Вт. При использовании 350 мм батарей значение составит 140 Вт.

Внимание! Оба показателя колеблются в пределах 20 Вт.

Методы расчёта мощности

Для определения значений используют 4 формулы:

1. По линейным габаритам комнаты. Для этого нужно измерить её длину и ширину. По строительным нормам и правилам на каждые 10 квадратных метров необходим 1 кВт, поэтому площадь делят на 10. Этот вариант менее точен, поскольку не учитывает один важный показатель, учтённый в следующем вычислении.

1. По полным габаритам, для расчёта которых также нужно измерить высоту помещения. СНиП предлагает умножить объём квартиры на 41 Вт. Так, для помещения 60 квадратов мощность равна: 60 * 2,7 * 41 = 6642 Вт.
2. По конструкционным особенностям. Этот расчёт аналогичен предыдущему, но учитывает детали:

• за каждое окно добавляют 0,2 кВт;
• за двери — по 0,1 кВт;
• сумму умножают на 1,3, когда квартира находится в углу;
• на 1,5 если считают мощность для частного дома;
• вспоминают «поправку», которая зависит от географического расположения объекта.

1. Комплексный расчёт учитывает то же, что и конструкционный, а также:

• толщину и материал утеплителя;
• из чего сделаны пол, стены, потолок;
• вентиляцию помещения, если есть.

Последний метод расчёта сложен, но даёт наиболее точный результат. Для вычислений рекомендуется пригласить специалиста. Он самостоятельно определит вид труб и радиаторов, которые следует разместить в определённой отопительной системе.

Справка. Лишь определив необходимую мощность, переходят к подсчёту количества секций батареи для обеспечения устойчивой работы и комфортных условий.

Как рассчитать количество секций радиатора по площади помещения

Усреднённые значения представлены в следующей таблице.

При использовании моделей за буквами Л необходимо добавить соответственно по 3 и 2 части к аналогичным значениям таблицы.

Принцип расчёта заключается в простой формуле:

K = Q/N, где

• Q — общая теплоотдача системы отопления.
• N — одной секции.

Например, при использовании А500 и общем значении мощности в 3515 Вт, количество секций составит: 3515/185 = 19. Несмотря на простоту расчёта, он не идеально точен. Желательно учитывать несколько тонкостей:

• Полученные дробные числа округляют вверх: лучше иметь избыток, чем недостаток.
• Следующее замечание касается исключительно частных домов. В паспорте алюминиевого радиатора значение напора рассчитаны для 70, реже 60 °C, что указано в документе. Нужно учитывать, что рабочая температура будет на 20 °C выше. В зданиях монтируют систему отопления, непригодную для подобных значений, поэтому эффективную теплоотдачу обязательно пересчитывают. Рекомендуется обратиться к специалисту, который учтёт все факторы.
• В многоквартирных домах воду нагревают до меньших показателей, из-за чего требуется большее количество секций.
• Рабочая мощность также зависит от способа включения радиатора в обвязку. Для батарей от 12 частей рекомендуется диагональная, а для остальных — боковая.

Расчёт необходимого числа секций радиатора — один из важнейших шагов в подготовке к созданию отопления. Это особенно сильно касается многоквартирных строений, в которых вычисления проводят для каждого помещения отдельно.

Особенности расчёта в частном доме

Заключаются в учёте различных факторов, из-за которых появляются теплопотери. Недостаточно просто вычислить мощность нагревателя, радиаторов, размер труб и прочие показатели, нужно также учитывать:

• Способ монтажа устройства к системе. Коэффициент полезного действия двухтрубной обвязки составляет:
  • 98% при диагональном;
  • 87% при боковом;
  • 80% при нижнем подключении.
• КПД однотрубного отопления составляет 80%, иногда меньше.
• Регион проживания определяет мощность, которую требуется развивать поздней осенью, зимой и ранней весной. Чем севернее, тем больше показатель.
• Расчёт радиатора должен включать потери, которые образуются из-за наличия некоторых устройств:
  • через дымоход уходит до 10% тепла;
  • неотапливаемый чердак теряет до 20%, а подвал — 10%;
  • стены и окна могут выпускать суммарно до 30% мощности.

Фото 2. Потери тепла в частном доме через разные части здания. Теплопотери необходимо учитывать при установке радиаторов.

Значения можно уменьшить, если выполнить несколько действий, касающихся стен, пола и потолка:

• Когда окна смотрят на север, то их потери больше на 10%, в сравнении с другими.
• Расположение радиатора относительно сторон света не влияет на мощность, но если они греются на солнце, то немного медленнее остывают.
• Следует увеличить количество секций после расчётов по паспортным данным, поскольку действительная мощность изделий ниже. Это связано не только с потерями, описанными выше, но также небольшим завышением показателей производителем.

Лишь учтя все факторы, получится составить и смонтировать качественную обвязку с алюминиевыми радиаторами. Расчёты помогут точно посчитать достаточное количество секций батареи, учесть все потери.

Важно! При использовании дополнительных устройств, возможно увеличение необходимой мощности. Если включить термостат, нужно повысить показатель на 20—25%, поскольку прибор сможет вручную проконтролировать обогрев.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается, как рассчитать мощность батарей отопления.

Тщательный расчёт поможет избежать возникновения разнообразных проблем. При сомнениях в правильности следует пригласить специалиста.

Как рассчитать количество секций радиатора

При модернизации системы отопления кроме замены труб меняют и радиаторы. Причем сегодня они есть из разных материалов, разных форм и размеров. Что не менее важно, имеют они разную теплоотдачу: количество тепла, которые могут передать воздуху. И это обязательно учитывают, когда делают расчет секций радиаторов.

В помещении будет тепло, если количество тепла, которое уходит, будет компенсироваться. Поэтому в расчетах за основу берут теплопотери помещений (они зависят от климатической зоны, от материала стен, утепления, площади окон и т.д.). Второй параметр — тепловая мощность одной секции. Это то количество тепла, которое она может выдать при максимальных параметрах системы (90°C на входе и 70°C на выходе). Эта характеристика обязательно указывается в паспорте, зачастую присутствует на упаковке.

Делаем расчет количества секций радиаторов отопления своими руками, учитываем особенности помещений и системы отопления

Один важный момент: проводя расчеты самостоятельно, учтите, что большинство производителей указывают максимальную цифру, которую они получили при идеальных условиях. Потому любое округление производите в большую сторону. В случае с низкотемпературным отоплением (температура теплоносителя на входе ниже 85°C) ищут тепловую мощность для соответствующих параметров или делают перерасчет (описан ниже).

Расчет по площади

Это — самая простая методика, позволяющая примерно оценить число секций, необходимое для отопления помещения. На основании многих расчетов выведены нормы по средней мощности отопления одного квадрата площади. Чтобы учесть климатические особенности региона, в СНиПе прописали две нормы:

• для регионов средней полосы России необходимо от 60 Вт до 100 Вт;
• для районов, находящихся выше 60°, норма отопления на один квадратный метр 150-200 Вт.

Почему в нормах дан такой большой диапазон? Для того, чтобы можно было учесть материалы стен и степень утепления. Для домов из бетона берут максимальные значения, для кирпичных можно использовать средние. Для утепленных домов — минимальные. Еще одна важная деталь: эти нормы просчитаны для средней высоты потолка — не выше 2,7 метра.

Как рассчитать количество секций радиатора: формула

Зная площадь помещения, умножаете ее норму затрат тепла, наиболее подходящую для ваших условий. Получаете общие теплопотери помещения. В технических данных к выбранной модели радиатора, находите тепловую мощность одной секции. Общие теплопотери делите на мощность, получаете их количество. Несложно, но чтобы было понятнее, приведем пример.

Пример расчета количества секций радиаторов по площади помещения

Угловое помещение 16 м 2 , в средней полосе, в кирпичном доме. Устанавливать будут батареи с тепловой мощностью 140 Вт.

Для кирпичного дома берем теплопотери в середине диапазона. Так как помещение угловое, лучше взять большее значение. Пусть это будет 95 Вт. Тогда получается, что для обогрева помещения требуется 16 м 2 * 95 Вт = 1520 Вт.

Теперь считаем количество радиаторов для отопления этой комнаты: 1520 Вт / 140 Вт = 10,86 шт. Округляем, получается 11 шт. Столько секций радиаторов необходимо будет установить.

Расчет батарей отопления на площадь прост, но далеко не идеален: высота потолков не учитывается совершенно. При нестандартной высоте используют другую методику: по объему.

Считаем батареи по объему

Есть в СНиПе нормы и для обогрева одного кубометра помещений. Они даны для разных типов зданий:

• для кирпичных на 1 м 3 требуется 34 Вт тепла;
• для панельных — 41 Вт

Этот расчет секций радиаторов похож на предыдущий, только теперь нужна не площадь, а объем и нормы берем другие. Объем умножаем на норму, полученную цифру делим на мощность одной секции радиатора (алюминиевого, биметаллического или чугунного).

Формула расчета количества секций по объему

Пример расчета по объему

Для примера рассчитаем, сколько нужно секций в комнату площадью 16 м 2 и высотой потолка 3 метра. Здание построено из кирпича. Радиаторы возьмем той же мощности: 140 Вт:

• Находим объем. 16 м 2 * 3 м = 48 м 3
• Считаем необходимое количество тепла (норма для кирпичных зданий 34 Вт). 48 м 3 * 34 Вт = 1632 Вт.
• Определяем, сколько нужно секций. 1632 Вт / 140 Вт = 11,66 шт. Округляем, получаем 12 шт.

Теперь вы знаете два способа того, как рассчитать количество радиаторов на комнату.

Теплоотдача одной секции

Сегодня ассортимент радиаторов большой. При внешней схожести большинства, тепловые показатели могут значительно отличаться. Они зависят от материала, из которого изготовлены, от размеров, толщины стенок, внутреннего сечения и от того, насколько хорошо продумана конструкция.

Потому точно сказать, сколько кВт в 1 секции алюминиевого (чугунного биметаллического) радиатора, можно сказать только применительно к каждой модели. Эти данные указывает производитель. Ведь есть значительная разница в размерах: одни из них высокие и узкие, другие — низкие и глубокие. Мощность секции одной высоты того же производителя, но разных моделей, могут отличаться на 15-25 Вт (смотрите в таблице ниже STYLE 500 и STYLE PLUS 500) . Еще более ощутимые отличия могут быть у разных производителей.

Технические характеристики некоторых биметаллических радиаторов. Обратите внимание, что тепловая мощность одинаковых по высоте секций может иметь ощутимую разницу

Тем не менее, для предварительной оценки того, сколько секций батарей нужно для отопления помещений, вывели средние значения тепловой мощности по каждому типу радиаторов. Их можно использовать при приблизительных расчетах (приведены данные для батарей с межосевым расстоянием 50 см):

• Биметаллический — одна секция выделяет 185 Вт (0,185 кВт).
• Алюминиевый — 190 Вт (0,19 кВт).
• Чугунные — 120 Вт (0,120 кВт).

Точнее сколько кВт в одной секции радиатора биметаллического, алюминиевого или чугунного вы сможете, когда выберете модель и определитесь с габаритами. Очень большой может быть разница в чугунных батареях. Они есть с тонкими или толстыми стенками, из-за чего существенно изменяется их тепловая мощность. Выше приведены средние значения для батарей привычной формы (гармошка) и близких к ней. У радиаторов в стиле «ретро» тепловая мощность ниже в разы.

Это технические характеристики чугунных радиаторов турецкой фирмы Demir Dokum. Разница более чем солидная. Она может быть еще больше

Исходя из этих значений и средних норм в СНиПе вывели среднее количество секций радиатора на 1 м 2 :

• биметаллическая секция обогреет 1,8 м 2 ;
• алюминиевая — 1,9-2,0 м 2 ;
• чугунная — 1,4-1,5 м 2 ;

Как рассчитать количество секций радиатора по этим данным? Все еще проще. Если вы знаете площадь комнаты, делите ее на коэффициент. Например, комната 16 м 2 , для ее отопления примерно понадобится:

• биметаллических 16 м 2 / 1,8 м 2 = 8,88 шт, округляем — 9 шт.
• алюминиевых 16 м 2 / 2 м 2 = 8 шт.
• чугунных 16 м 2 / 1,4 м 2 = 11,4 шт, округляем — 12 шт.

Эти расчеты только примерные. По ним вы сможете примерно оценить затраты на приобретение отопительных приборов. Точно рассчитать количество радиаторов на комнату вы сможете выбрав модель, а потом еще пересчитав количество в зависимости от того, какая температура теплоносителя в вашей системе.

Расчет секций радиаторов в зависимости от реальных условий

Еще раз обращаем ваше внимание на то, что тепловая мощность одной секции батареи указывается для идеальных условий. Столько тепла выдаст батарея, если на входе ее теплоноситель имеет температуру +90°C, на выходе +70°C, в помещении при этом поддерживается +20°C. То есть, температурный напор системы (называют еще «дельта системы») будет 70°C. Что делать, если в вашей системе выше +70°C на входе на бывает? или необходима температура в помещении +23°C? Пересчитывать заявленную мощность.

Для этого необходимо рассчитать температурный напор вашей системы отопления. Например, на подаче у вас +70°C, на выходе +60°C, а в помещении вам необходима температура +23°C. Находим дельту вашей системы: это среднее арифметическое температур на входе и выходе, за минусом температуры в помещении.

Формула расчета температурного напора системы отопления

Для нашего случая получается: (70°C+ 60°C)/2 — 23°C = 42°C. Дельта для таких условий 42°C. Далее находим это значение в таблице пересчета (расположена ниже) и заявленную мощность умножаем на этот коэффициент. Поучаем мощность, которую сможет выдать эта секция для ваших условий.

Таблица коэффициентов для систем отопления с разной дельтой температур

При пересчете действуем в следующем порядке. Находим в столбцах, подкрашенных синим цветом, строчку с дельтой 42°C. Ей соответствует коэффициент 0,51. Теперь рассчитываем, тепловую мощность 1 секции радиатора для нашего случая. Например, заявленная мощность 185 Вт, применив найденный коэффициент, получаем: 185 Вт * 0,51 = 94,35 Вт. Почти в два раза меньше. Вот эту мощность и нужно подставлять когда делаете расчет секций радиаторов. Только с учетом индивидуальных параметров в помещении будет тепло.

Расчет количества радиаторов отопления на площадь квартиры

Как рассчитать радиаторы отопления так, чтобы температура в квартире была предельно комфортной — вопрос, который возникает у каждого, кто решился на ремонт. Слишком малое количество секций не будет полностью прогревать помещение, а излишек только повлечёт за собой слишком большие траты на коммунальные услуги. Итак, что необходимо учитывать, чтобы правильно подсчитать размеры батарей?

Как рассчитать радиаторы отопления на площадь квартиры

Предварительная подготовка

Что необходимо учитывать для рассчета мощности радиатора отопления на комнату:

• определить температурный режим и потенциальные термопотери;
• разработать оптимальные технические решения;
• определить тип теплового оборудования;
• установить финансовые и тепловые критерии;
• учесть надёжность и технические параметры обогревательных приборов;
• составить схемы теплопровода и расположение батарей для каждого помещения;

Без помощи специалистов и дополнительных программ рассчитать количество секций радиаторов отопления достаточно сложно. Чтобы расчёт был наиболее точен, не обойтись без тепловизора или специально установленных для этого программ.

Необходимая мощность радиаторов отопления

Что будет, если провести вычисления неправильно? Основное последствие — более низкая температура в помещениях, а следовательно, и эксплуатационные условия не будут соответствовать желаемому. Слишком мощные отопительные приборы приведут к избыточным тратам как на сами приборы и их монтаж, так и на коммунальные услуги.

Самостоятельные подсчёты

Можно приблизительно подсчитать, какой должна быть мощность батарей, использовав только рулетку для измерения длины и ширины стен и калькулятор. Но точность таких вычислений крайне мала. Погрешность будет составлять 15-20%, но такое вполне допустимо.

Формула для расчета

Вычисления в зависимости от типа отопительных приборов

При выборе модели учитывайте, что тепловая мощность зависит от материала, из которого они сделана. Методы вычисления размеров секционных батарей не отличаются, а вот итоги выйдут разными. Есть среднестатистические значения. На них и стоит ориентироваться, выбирая оптимальное число отопительных приборов. Мощности отопительных приборов с секциями в 50 см:

• батареи из алюминия — 190 Вт;
• биметаллические — 185 Вт;
• чугунные приборы обогрева — 145 Вт;

Таблица для расчета количества секций батареи

Чтобы правильно рассчитать радиаторы отопления по площади комнаты, важно знать не только мощность, но и сколько квадратов обогревает одна секция, значение этого параметра зависит от металла:

• алюминий — 1,9-2 м кв.;
• алюминий и сталь — 1,8 м кв.;
• чугун — 1,4-1,5 м кв;

Вот пример вычисления количества секций алюминиевых радиаторов отопления. Допустим, что размеры комнаты 16 м. кв. Выходит, что на помещение такого размера нужно 16м2/2м2 = 8 шт. По такому же принципу считайте для чугунных или биметаллических приборов. Важно только точно знать норму — приведённые выше параметры верны для моделей высотой в 0,5 метра.

Виды радиаторов отопления

На данный момент выпускаются модели от 20 до 60 см. Соответственно площадь, которую способна обогреть секция, будет отличаться. Самые маломощные модели — бордюрные, высотой в 20 см. Если вы решили приобрести тепловой агрегат нестандартных размеров, то в вычислительную формулу придётся вносить корректировку. Ищите необходимые данные в техпаспорте.

При внесении корректировок стоит учитывать, что размер батарей напрямую влияет на теплоотдачу. Следовательно, чем меньше высота при той же ширине, тем меньше площадь, а вместе с ними и мощность. Для верных подсчётов найдите соотношение высот выбранной модели и стандартной, а уже с помощью полученных данных подкорректируйте результат.

Расчитываем, насколько сильно должна греть батарея

Допустим, вы выбрали модели высотой 40 см. В этом случае расчёт количества секций алюминиевых радиаторов отопления на площадь комнаты будет выглядеть следующим образом:

• воспользуемся предыдущими подсчётами: 16м2/2м2 = 8штук;
• посчитайте коэффициент 50см/40см = 1,25;
• подкорректируйте вычисления по основной формуле — 8шт*1,25 = 10 шт.

Расчёт количества радиаторов отопления по объёму начинается в первую очередь со сбора необходимой информации. Какие параметры нужно учесть:

• Площадь жилья.
• Высота потолков.
• Число и площадь дверных и оконных проёмов.
• Температурные условия за окном в период отопительного сезона.

Нормы и правила, установленные для мощности отопительных проборов, регламентируют минимально допустимый показатель на кв. метр квартиры — 100 Вт. Расчёт радиаторов отопления по объему помещения будет более точен, чем тот, в котором за основу берётся только длина и ширина. Итоговые результаты корректируются в зависимости от индивидуальных характеристик конкретного помещения. Делается это посредством умножения на коэффициент корректировки.

При вычислении мощности отопительных приборов берётся среднестатистическая высота потолков — 3 м. Для квартир с потолком 2,5 метра этот коэффициент составит 2,5м/3м = 0,83, для квартир с высокими потолками 3,85 метров — 3,85м/3м = 1,28. Угловые комнаты потребуют внесения дополнительных корректировок. Итоговые данные умножаются на 1,8.

Расчёт количества секций радиатора отопления по объему помещения должен проводиться с корректировкой, если в комнате одно окно большого размера или сразу несколько окон (коэффициент 1,8).

Радиаторы отопления с нижним подключением

Нижнее подключение также потребует внести свои корректировки. Для такого случая коэффициент составит 1,1.

В районах с экстремальными погодными условиями, где зимние температуры достигают рекордно низких показателей, мощность должна быть увеличена в 2 раза.

Пластиковые стеклопакеты, наоборот, потребуют корректировку в сторону уменьшения, за основу берётся коэффициент 0,8.

В выше приведённых данных приведены усреднённые значения, поскольку не были дополнительно учтены:

• толщина и материал стен и перекрытий;
• площадь остекления;
• материал напольного покрытия;
• наличие или отсутствие утеплителя на полу;
• занавески и гардины в оконных проёмах.

Дополнительные параметры для более точных вычислений

Работа с тепловизором

Точный расчёт количества радиаторов отопления на площадь не обойдётся без данных из технических документов. Это важно, чтобы точнее определить значение теплопотерь. Лучше всего определить уровень потери тепла с помощью тепловизора. Прибор быстро определит самые холодные области в помещении.

Всё было бы в разы легче, если каждая квартира была построена по стандартной планировке, но это далеко не так. В каждом доме или городской квартире свои особенности. С учётом множества характеристик (числа оконных и дверных проёмов, высоты стен, площади жилья и пр.) резонно возникает вопрос: как же рассчитать количество радиаторов отопления?

Расчет радиаторов отопления по площади

Особенности точной методики в том, что для вычислений необходимо больше коэффициентов. Одно из важных значений, которое нужно вычислить — это количество тепла. Формула отлична от предыдущих и выглядит следующим образом: КТ = 100 Вт/м2*П*К1*К2*К3*К4*К5*К6*К7.

Подробнее о каждом значении:

• КТ — количество тепла, которое нужно для обогрева.
• П — размеры комнаты м2.
• К1 — значение этого коэффициента учитывает качество остекления окон: двойное — 1,27; пластиковые окна с двойным стеклопакетом — 1,0; с тройным — 0,85.
• К2 — коэффициент, учитывающий уровень теплоизоляционных характеристик стен: низкая — 1,27; хорошая (например двухслойная кирпичная кладка) — 1,0; высокая — 0,85.
• К3 — это значение учитывает соотношение площадей оконных проёмов и полов: 50% — 1,2; 40% — 1,1; 30% — 1,0; 20% — 0,9; 10% — 0,8.
• К4 — коэффициент, зависящий от среднестатистических температурных показателей воздуха в зимнее время года: — 35 °С — 1,5; — 25 °С — 1,3; — 20 °С — 1,1; — 15 °С — 0,9; -10 °С — 0,7.
• К5 зависит от числа внешних стен здания, данные этого коэффициента таковы: одна — 1,1; две — 1,2; три — 1,3; четыре — 1,4.
• К6 рассчитывается, исходя из типа помещения, находящегося этажом выше: чердак — 1,0; чердачное отапливаемое помещение — 0,9; отапливаемая квартира — 0,8.
• К7 — последний из корректировочных значений и зависит от высоты потолка: 2,5 м — 1,0; 3,0 м — 1,05; 3,5 м — 1,1; 4,0 м — 1,15; 4,5 м — 1,2.

Описанный расчёт секций батарей отопления по площади — наиболее точный, поскольку учитывает значительно больше нюансов. Полученное в ходе этих подсчётов число делится на значение теплоотдачи. Итоговый результат округляется до целого числа.

Корректировка с учётом температурного режима

В техпаспорте отопительного прибора указана максимальная мощность. Например, при температуре воды в теплопроводе 90°С во время подачи и 70°С в обратном режиме в квартире будет +20°С. Такие параметры обычно обозначают так: 90/70/20, но самые распространённые мощности в современных квартирах — 75/65/20 и 55/45/20.

Параметры теплоносителя системы отопления.

Для правильного расчёта необходимо для начала высчитать температурный напор — это разница между температурой самой батареи и воздуха в квартире. Учтите, что для вычислений берётся усреднённое значение между температурами подачи и обратки.

Как рассчитать количество секций алюминиевых радиаторов с учётом выше перечисленных параметров? Для лучшего понимания вопроса будут произведены вычисления для батарей из алюминия в двух режимах: высокотемпературном и низкотемпературном (расчёт для стандартных моделей высотой 50 см). Размеры комнаты те же — 16 м кв.

Одна секция алюминиевого радиатора в режиме 90/70/20 обогревает 2 кв метра., следовательно, для полноценного обогрева помещения понадобится 16м2/2м2 = 8 шт. При вычислении размера батарей для режима 55/45/20 нужно для начала подсчитать температурный напор. Итак, формулы для обеих систем:

Расчитываем количество секций в радиаторе отопления

Следовательно, при низкотемпературном режиме нужно увеличить размеры отопительных приборов в 2 раза. С учётом данного примера на помещении 16 кв. метров нужно 16 алюминиевых секций. Учтите, что для чугунных приборов понадобится 22 секции при той же площади помещения и при таких же температурных системах. Подобная батарея получится слишком большой и массивной, поэтому чугун меньше всего подходит для низкотемпературных контструкций.

С помощью этой формулы можно легко вычислить, сколько необходимо секций радиаторов на комнату с учётом желаемого температурного режима. Чтобы зимой в квартире было +25°С, просто поменяйте температурные данные в формуле теплового напора, а полученный коэффициент подставьте в формулу вычисления размера батарей. Допустим, при параметрах 90/70/25 коэффициент будет таким: (90+70)/2 — 25 = 55°С.

Далее нужно подсчитать соотношение 60°С/55°С = 1,1. В итоге, чтобы добиться температуры в +25 °С для помещения с высокотемпературным режимом понадобится 8шт*1,1 = 8,8. С округлением получится 9 штук.

Если не хочется тратить время на расчёт радиаторов отопления, можно воспользоваться онлайн-калькуляторами или специальными программами, установленными на компьютер.

Как пользоваться онлайн-калькулятором

Он-лайн калькулятор для расчета мощности радиаторов

Посчитать, сколько секций радиаторов отопления на кв. метр понадобится, можно с помощью специальных калькуляторов, которые всё посчитают в мгновение ока. Такие программы можно найти на официальных сайтах некоторых производителей. Воспользоваться этими калькуляторами легко. Просто введите в поля все соответствующие данные и вам моментально будет выведен точный результат. Чтобы вычислить, сколько секций радиаторов отопления нужно на квадратный метр, надо вводить данные (мощность, температурный режим и т.д.) для каждой комнаты отдельно. Если же помещения не разделены дверями, сложите их общие размеры, а тепло будет распространяться по обоим помещениям.

Интерфейс калькулятора отопления.

Во избежание неточностей при вычислениях, внимательно вводите все параметры и проверьте, насколько точные данные вы указали в соответствующих полях. Лучше несколько раз перепроверить, чем потом испытывать на себе последствия своих ошибок в виде слишком низкой или высокой температуры в доме.

Подведение итогов

Итак, из выше приведённых формул понятно, как правильно сделать расчёт алюминиевых (чугунных, биметаллических и др.) радиаторов для квартиры. Как видите, дело это не такое уж и сложное. Главное, внимательность и точность. Чтобы получить максимально правильные данные, используйте специальное оборудование.

расчет количества секций, как рассчитать мощность батарей по площади для частного дома

Правильный расчёт — залог успешного создания системы отопления.

Он важен при использовании любых батарей, но особенно — алюминиевых.

Для расчета мощности радиатора используется несколько методов.

Мощность одной секции алюминиевого радиатора

Заявленные в паспорте изделия параметры не всегда верно отображаются в реальности. Это связано со множеством внешних условий, мешающих идеальной работе прибора.

Фото 1. Алюминиевый радиатор отопления. Прибор состоит из нескольких секций, количество которых можно изменить.

Теплоотдача алюминиевых батарей соответствует заявленным в документах цифрам, если между температурами воздуха и воды составляет 70 °C. Расчёт выглядит следующим образом:

(T_o + T_p) / 2 — T_B = 70, где

• T_o — температура обратки.
• T_p— подачи.
• T_B— воздуха в комнате.

Последнее значение выбирают по ГОСТ. В большинстве случаев это 22 °C. Для определения нагрева теплоносителя формулу разворачивают:

T_o = (70 + 22) — 10;

T_p = (70 + 22) + 10.

Разница в 70 верна при теплоотдаче одной секции радиатора 500 мм в 200 Вт. При использовании 350 мм батарей значение составит 140 Вт.

Внимание! Оба показателя колеблются в пределах 20 Вт.

Методы расчёта мощности

Для определения значений используют 4 формулы:

1. По линейным габаритам комнаты. Для этого нужно измерить её длину и ширину. По строительным нормам и правилам на каждые 10 квадратных метров необходим 1 кВт, поэтому площадь делят на 10. Этот вариант менее точен, поскольку не учитывает один важный показатель, учтённый в следующем вычислении.

1. По полным габаритам, для расчёта которых также нужно измерить высоту помещения. СНиП предлагает умножить объём квартиры на 41 Вт. Так, для помещения 60 квадратов мощность равна: 60 * 2,7 * 41 = 6642 Вт.
2. По конструкционным особенностям. Этот расчёт аналогичен предыдущему, но учитывает детали:

• за каждое окно добавляют 0,2 кВт;
• за двери — по 0,1 кВт;
• сумму умножают на 1,3, когда квартира находится в углу;
• на 1,5 если считают мощность для частного дома;
• вспоминают «поправку», которая зависит от географического расположения объекта.

1. Комплексный расчёт учитывает то же, что и конструкционный, а также:

• толщину и материал утеплителя;
• из чего сделаны пол, стены, потолок;
• вентиляцию помещения, если есть.

Последний метод расчёта сложен, но даёт наиболее точный результат. Для вычислений рекомендуется пригласить специалиста. Он самостоятельно определит вид труб и радиаторов, которые следует разместить в определённой отопительной системе.

Справка. Лишь определив необходимую мощность, переходят к подсчёту количества секций батареи для обеспечения устойчивой работы и комфортных условий.

Как рассчитать количество секций радиатора по площади помещения

Усреднённые значения представлены в следующей таблице.

Модель алюминиевого радиатора	Теплоотдача, Вт	Площадь помещения, кв. м.(при высоте 2,7 м)
		5,5	7	8,5	10	13	16	19	21	23	25	27	29	32	35	36,5	38	40
		Необходимое количество секций
А350	150	6	7	8	9	11	12	13	15	16	17	18	19	20	20	21	22	23
А500	185	3	4	5	7	8	8	9	11	12	13	14	15	15	16	17	18	19

При использовании моделей за буквами Л необходимо добавить соответственно по 3 и 2 части к аналогичным значениям таблицы.

Принцип расчёта заключается в простой формуле:

K = Q/N, где

• Q — общая теплоотдача системы отопления.
• N — одной секции.

Например, при использовании А500 и общем значении мощности в 3515 Вт, количество секций составит: 3515/185 = 19. Несмотря на простоту расчёта, он не идеально точен. Желательно учитывать несколько тонкостей:

• Полученные дробные числа округляют вверх: лучше иметь избыток, чем недостаток.
• Следующее замечание касается исключительно частных домов. В паспорте алюминиевого радиатора значение напора рассчитаны для 70, реже 60 °C, что указано в документе. Нужно учитывать, что рабочая температура будет на 20 °C выше. В зданиях монтируют систему отопления, непригодную для подобных значений, поэтому эффективную теплоотдачу обязательно пересчитывают. Рекомендуется обратиться к специалисту, который учтёт все факторы.
• В многоквартирных домах воду нагревают до меньших показателей, из-за чего требуется большее количество секций.
• Рабочая мощность также зависит от способа включения радиатора в обвязку. Для батарей от 12 частей рекомендуется диагональная, а для остальных — боковая.

Расчёт необходимого числа секций радиатора — один из важнейших шагов в подготовке к созданию отопления. Это особенно сильно касается многоквартирных строений, в которых вычисления проводят для каждого помещения отдельно.

Вам также будет интересно:

Особенности расчёта в частном доме

Заключаются в учёте различных факторов, из-за которых появляются теплопотери. Недостаточно просто вычислить мощность нагревателя, радиаторов, размер труб и прочие показатели, нужно также учитывать:

• Способ монтажа устройства к системе. Коэффициент полезного действия двухтрубной обвязки составляет:
  • 98% при диагональном;
  • 87% при боковом;
  • 80% при нижнем подключении.
• КПД однотрубного отопления составляет 80%, иногда меньше.
• Регион проживания определяет мощность, которую требуется развивать поздней осенью, зимой и ранней весной. Чем севернее, тем больше показатель.
• Расчёт радиатора должен включать потери, которые образуются из-за наличия некоторых устройств:
  • через дымоход уходит до 10% тепла;
  • неотапливаемый чердак теряет до 20%, а подвал — 10%;
  • стены и окна могут выпускать суммарно до 30% мощности.

Фото 2. Потери тепла в частном доме через разные части здания. Теплопотери необходимо учитывать при установке радиаторов.

Значения можно уменьшить, если выполнить несколько действий, касающихся стен, пола и потолка:

• Когда окна смотрят на север, то их потери больше на 10%, в сравнении с другими.
• Расположение радиатора относительно сторон света не влияет на мощность, но если они греются на солнце, то немного медленнее остывают.
• Следует увеличить количество секций после расчётов по паспортным данным, поскольку действительная мощность изделий ниже. Это связано не только с потерями, описанными выше, но также небольшим завышением показателей производителем.

Лишь учтя все факторы, получится составить и смонтировать качественную обвязку с алюминиевыми радиаторами. Расчёты помогут точно посчитать достаточное количество секций батареи, учесть все потери.

Важно! При использовании дополнительных устройств, возможно увеличение необходимой мощности. Если включить термостат, нужно повысить показатель на 20—25%, поскольку прибор сможет вручную проконтролировать обогрев.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается, как рассчитать мощность батарей отопления.

Итог

Тщательный расчёт поможет избежать возникновения разнообразных проблем. При сомнениях в правильности следует пригласить специалиста.

Теплоотдача алюминиевых радиаторов, расчет количества секций и мощность батарей

При выборе отопительного прибора для жилого помещения необходимо учесть целый ряд технических показателей. Важной задачей при покупке радиатора является обеспечение комфортной температуры в рабочем пространстве при любых колебаниях погодных условий. За это отвечает один из главных параметров радиаторов отопления – тепловая мощность.

Теплоотдача и мощность

Эти две характеристики алюминиевых радиаторов практически всегда приводятся, как идентичные величины и во многих статьях используются, как синонимы. Вместе с тем, каждая из них все же имеет свои нюансы, которые вытекают из их физического определения:

• Теплоотдача – это термодинамический процесс, который заключается в передаче тепла от твердого тела (поверхности радиатора) в окружающую среду через теплоноситель;
  

  Происходит двумя способами – конвекцией и излучением. У алюминиевого прибора отопления соотношение конвекции и излучения составляет примерно 50:50

• Мощность – физическая величина, которая показывает, сколько тепла в единицу времени может произвести то или иное устройство. Чем мощнее радиатор, тем большую площадь он может обогреть.

Установленный в квартире алюминиевый радиатор

Фактически алюминиевый радиатор производит полезную работу по обогреву определенной площади, которая зависит от его мощности, за счет явления теплоотдачи. Обе обсуждаемые величины измеряются в ваттах (Вт) или киловаттах (кВт) и часто отождествляются. Хотя более правильно было бы оперировать понятием мощность, которое определяет количество передаваемой энергии, а не сам процесс передачи. Мы будем употреблять оба выражения, согласно сложившейся в последнее время практике.

Как рассчитать мощность радиатора

На эту тему существует масса статей и обзоров в интернете. Довольно часто обсуждался этот вопрос и на страницах нашего сайта. Поэтому здесь мы приведем лишь самые основные формулы, позволяющие произвести необходимый расчет. Различные методы определяют значение мощности, необходимой обогрева заданной площади, в зависимости от учета тех или иных параметров помещения:

1. Продольные размеры. Зная длину и ширину, можно рассчитать площадь комнаты. Согласно строительным нормам, для отопления 10 м² стандартно утепленного помещения требуется теплоотдача в 1 кВт. Соответственно, полную мощность алюминиевого радиатора в киловаттах можно рассчитать, разделив площадь на 10;
2. Объем. Более точный расчет получается при учете третьего измерения – высоты потолков. В этом случае также применяется заданное в СНиП значение – 41 Вт на 1 м³. Таким образом, требуемая теплоотдача радиатора в ваттах будет равна объему, умноженному на 41;
3. Конструкционные особенности помещения. Фактически это тоже расчет, за основу которого взят объем, но с некоторыми уточнениями. Так, например, для каждой двери необходимо добавить к полученному значению 0,1 кВт, а для окна – 0,2 кВт. При расположении комнаты в углу здания умножаем мощность на 1,3, а для частного дома – на 1,5, чтобы учесть утечку тепла через пол и крышу.
   

   Кроме того, в приведенные формулы необходимо вводить поправочные коэффициенты, учитывающие географическое положение рассматриваемого объекта

4. Комплексный учет всех факторов: толщины утепления, количества окон, материала полов и потолка, наличия или отсутствия естественной вентиляции. Такие методы довольно сложны, полный объем вычислений выполняется лишь специалистами при необходимости проведения точного расчета системы отопления.

Приблизительный расчет количества секций алюминиевых радиаторов на комнату

Определение требуемой мощности является предварительной стадией расчета алюминиевых радиаторов. Далее обычно следует расчет количества секций, необходимого для обеспечения этой мощности.

Считаем количество секций

На этом этапе все, казалось бы, довольно просто: если известна общая теплоотдача, то разделив ее на паспортную мощность одной секции, мы легко получим необходимое значение количества секций радиатора.

Но эта простота является довольно обманчивой: для не очень хорошо разбирающегося в тонкостях пользователя этот расчет может стать источником серьезных ошибок:

• Если у вас в результате получилось дробное число, его надо обязательно округлять в большую сторону;
• Паспортная теплоотдача алюминиевых радиаторов обычно приводится для значения теплового напора 60° С (это значит, что теплоноситель имеет рабочую температуру  90° С). Однако в реальности в частных домах устанавливают системы отопления, рассчитанные на меньшее значение напора. Поэтому перед применением формул эффективную мощность необходимо пересчитать;
  

  Теплоноситель в современных домах обычно нагревается до меньших температур, поэтому эффективная мощность секции становится ниже, а самих секций требуется больше

• Мощность радиатора зависит от схемы его подключения к системе. Для больших радиаторов (12 секций и более) оптимальным является диагональный способ, для менее протяженных батарей лучше использовать боковую схему.

Р

Различные варианты расположения радиатора и сопутствующие теплопотери

асчет количества секций алюминиевых радиаторов является одной из наиболее ответственных операций при проектировании всей системы отопления. От правильности его выполнения напрямую зависит комфорт и уют в доме в самую ненастную погоду.

Практический пример

Любые, даже самые простые способы расчета можно понять намного быстрее, если изучать их на конкретном примере.

Допустим, нам нужно рассчитать радиатор для небольшой комнаты, имеющей размеры 4,2х5 м, высоту потолков 3,3 м, два окна и входную дверь. Комната находится внутри дома, т. е. угловых стен в ней нет. Применим все описанные выше методы по очереди:

1. Площадь помещения равна 5*4,2=21 м². Значит требуемая мощность радиатора, рассчитанная по первому способу, равна 21/10=2,1 кВт;
2. Объем комнаты равен ее площади, умноженной на высоту, т. е. 21*3,3=69,3 м³. Тогда теплоотдача по объемному методу составит 69,3*41=2,84 кВт. Нетрудно заметить, что полученная величина превышает полученное первым способом значение почти на 1 кВт;
3. Дальнейшие поправки лишь еще более увеличивают эту разницу. Так, два окна и дверь добавят к мощности алюминиевых радиаторов еще 0,4 кВт, а при учете поправочного коэффициента на частный дом необходимая мощность достигнет почти 5 кВт.

Алюминиевые радиаторы обычно имеют секции мощностью около 200 Вт при напоре 60° С. Если теплоноситель в вашей системе имеет такие же параметры теплового напора, то, по разным оценкам, вам потребуется от 11 до 25 секций. При таком разбросе окончательное значение необходимо вычислить, применяя более точные методы.

Если число секций получится больше 12, имеет смысл применять не 1, а 2 радиатора, разнеся их по разным углам комнаты.

Приведенный пример свидетельствует о том, что при вычислении размеров и мощности алюминиевого радиатора разные методы могут давать совершенно разные значения. Поэтому такой расчет необходимо проводить максимально тщательно, проверяя границы применимости каждого используемого способа. Ошибки, полученные на этом этапе, могут очень серьезно сказаться на комфортности проживания в доме в течение многих лет его эксплуатации.

Расчет количества секций алюминиевого радиатора

Пример расчета секций алюминиевых радиаторов отоплениия на квадратный метр

Мало знать, что алюминиевые батареи обладают высоким уровнем теплоотдачи.

Перед их установкой обязательно нужно произвести расчет, какое именно их количество должно быть в каждом отдельном помещении.

Только зная, сколько алюминиевых радиаторов нужно на 1 м2, можно с уверенностью покупать необходимое количество секций.

Расчет секций алюминиевых радиаторов на квадратный метр

Как правило, производителями заранее просчитаны нормы мощности батарей из алюминия. которые зависят от таких параметров, как высота потолков и площадь помещения. Так считается, что на то, чтобы нагреть 1 м2 комнаты с потолком до 3 м высоты потребует тепловая мощность в 100 Вт.

Эти цифры приблизительны, так как расчет алюминиевых радиаторов отопления по площади в данном случае не предусматривает возможных теплопотерь в помещении или более высокие или низкие потолки. Это общепринятые строительные нормы, которые указывают в техпаспорте своей продукции производители.

1. Немалую важность играет параметр тепловой мощности одного ребра радиатора. Для алюминиевого обогревателя она составляет 180-190 Вт.
2. Температура носителя так же должна учитываться. Ее можно узнать в управляющем тепловом хозяйстве, если отопление централизованное, либо измерить самостоятельно в автономной системе. Для алюминиевых батарей показатель равен 100-130 градусам. Разделив температуру на тепловую мощность радиатора, получается, что для обогрева 1 м2 потребуется 0.55 секций.
3. В том случае, если высота потолков «переросла» классические стандарты, то необходимо применять специальный коэффициент:
   • если потолок равен 3 м, то параметры умножаются на 1.05;
   • при высоте 3.5 м он составляет 1.1;
   • при показателе 4 м – это 1.15;
   • высота стены 4.5 м – коэффициент равен 1.2.
4. Можно воспользоваться таблицей, которую предоставляют производители к своей продукции.

Сколько нужно секций алюминиевого радиатора?

Расчет количества секций алюминиевого радиатора производится по форме, подходящей для обогревателей любого типа:

• S – площадь помещения, где требуется установка батареи;
• k – коэффициент корректировки показателя 100 Вт/м2 в зависимости от высоты потолка;
• P – мощность одного элемента радиатора.

При расчете количества секций алюминиевых радиаторов отопления получается, что в помещении площадью 20 м2 при высоте потолка 2.7 м для алюминиевого радиатора с мощностью одной секции 0.138 кВт потребуется 14 секций.

Q = 20 х 100 / 0.138 = 14.49

В данном примере коэффициент не применяется, так как высота потолка менее 3 м. Но даже такой секций алюминиевых радиаторов отопления не будут верными, так как не взяты во внимание возможные теплопотери помещения. Следует учитывать, что в зависимости от того, сколько в комнате окон, является ли она угловой и есть ли в ней балкон: все это указывает на количество источников теплопотерь.

Делая расчет алюминиевых радиаторов по площади помещения, следует в формуле учитывать процент потери тепла в зависимости от того, где они будут установлены:

• если они закреплены под подоконником, то потери составят до 4%;
• установка в нише моментально увеличивает этот показатель до 7%;
• если алюминиевый радиатор для красоты прикрыть с одной стороны экраном, то потери составят до 7-8%;
• закрытый экраном полностью, он будет терять до 25%, что делает его в принципе малорентабельным.

Это далеко не все показатели, которые следует учесть при установке алюминиевых батарей.

Пример расчета

Если рассчитывать, сколько секций алюминиевого радиатора надо на комнату площадью 20 м2 при норме 100 Вт/м2, то так же следует вносить корректировочные коэффициенты потери тепла:

• каждое окно добавляет к показателю 0.2 кВт;
• дверь «обходится» в 0.1 кВт.

Если предполагается, что радиатор будет размещен под подоконником, то корректирующий коэффициент составит 1.04, а сама формула будет выглядеть следующим образом:

Q = (20 х 100 + 0,2 + 0,1) х 1,3 х 1,04 / 72 = 37,56

• первый показатель – это площадь комнаты;
• второй – стандартное количество Вт на м2;
• третий и четвертый указывают на то, что в комнате по одному окну и двери;
• следующий показатель – это уровень теплоотдачи алюминиевого радиатора в кВт;
• шестой – корректирующий коэффициент касаемо расположения батареи.

Все следует разделить на теплоотдачу одного ребра обогревателя. Его можно определить из таблицы от производителя, где указаны коэффициенты нагрева носителя по отношению к мощности устройства. Средний показатель для одного ребра равен 180 Вт, а корректировка – 0.4. Таким образом, умножив эти цифры, получается, что 72 Вт дает одна секция при нагреве воды до +60 градусов.

Так как округление производится в большую сторону, то максимальное количество секций в алюминиевом радиаторе конкретно для этого помещения составит 38 ребер. Для улучшения работы конструкции, ее следует разделить на 2 части по 19 ребер каждая.

Узнайте полезную информацию об алюминиевых батареях на нашем сайте:

Вычисление по объему

Если производить подобные вычисления, то потребуются обратиться к нормативам, установленным в СНиП. В них учитываются не только показатели радиатора, но и то, из какого материала построено здание.

Например, для дома из кирпича нормой для 1 м2 будет 34 Вт, а для панельных строений – 41 Вт. Чтобы рассчитать количество секций батареи по объему помещения, следует: объем помещения умножить на нормы теплозатрат и разделить на теплоотдачу 1 секции.

1. Чтобы высчитать объем комнаты площадью 16 м2, нужно умножить этот показатель на высоту потолков, например, 3 м (16х3 = 43 м3).
2. Норма тепла для кирпичного здания = 34 Вт, чтобы узнать какое требуется количество для данной комнаты, 48 м3 х 34 Вт (для панельного дома на 41 Вт) = 1632 Вт.
3. Определяем, сколько требуется секций при мощности радиатора, например, 140 Вт. Для этого 1632 Вт/ 140 Вт =11.66.

Округлив этот показатель, получаем результат, что для комнаты объемом 48 м3 требуется алюминиевый радиатор из 12 секций.

Тепловая мощность 1 секции

Как правило, производители указывают в технических характеристиках обогревателей средние показатели теплоотдачи. Так для обогревателей из алюминия он составляет 1.9-2.0 м2. Чтобы высчитать, какое количество секций потребуется, нужно площадь помещения разделить на этот коэффициент.

Например, для той же комнаты площадью 16 м2 потребуется 8 секций, так как 16/ 2 = 8.

Эти расчеты приблизительные и использовать их без учета теплопотерь и реальных условий размещения батареи нельзя, так как можно получить после монтажа конструкции холодную комнату.

Чтобы получить самые точные показатели, придется рассчитать количество тепла, которое необходимо для обогрева конкретной жилой площади. Для этого придется учитывать многие корректирующие коэффициенты. Особенно важен такой подход, когда требуется расчет алюминиевых радиаторов отопления для частного дома.

Формула, необходимая для этого выглядит следующим образом:

КТ = 100Вт/м2 х S х К1 х К2 х К3 х К4 х К5 х К6 х К7

1. КТ – это то количество тепла, которое требуется данному помещению.
2. S – площадь.
3. К1 – обозначение коэффициента для остекленного окна. Для стандартного двойного остекления он равен 1.27, для двойного стеклопакета – 1.0, а для тройного – 0.85.
4. К2 – это коэффициент уровня утепления стены. Для неутепленной панели он = 1.27, для кирпичной стены с кладкой в один слой = 1.0, а в два кирпича = 0.85.
5. К3 – это соотношение площади, занимаемой окном и полом.Когда между ними:
   • 50% — коэффициент составляет 1.2;
   • 40% — 1.1;
   • 30% — 1.0;
   • 20% — 0.9;
   • 10% — 0.8.
6. К4 – это коэффициент, учитывающий температуру воздуха по СНиП в самые холодные дни года:
   • +35 = 1.5;
   • +25 = 1.2;
   • +20 = 1.1;
   • +15 = 0.9;
   • +10 = 0.7.
7. К5 указывает на корректировку при наличии наружных стен.Например:
   • когда она одна, показатель равен 1.1;
   • две наружные стены – 1.2;
   • 3 стены – 1.3;
   • все четыре стены – 1.4.
8. К6 учитывает наличие помещения над комнатой, для которой производятся расчеты.При наличии:
   • неотапливаемого чердака – коэффициент 1.0;
   • чердак с обогревом – 0.9;
   • жилая комната – 0.8.
9. К7 – это коэффициент, который указывает на высоту потолка в комнате:
   • 2.5 м = 1.0;
   • 3.0 м = 1.05;
   • 3.5 м = 1.1;
   • 4.0 м = 1.15;
   • 4.5 м = 1.2.

Если применить эту формулу, то можно предусмотреть и учесть практически все нюансы, которые могут повлиять на обогрев жилой площади. Сделав расчет по ней, можно быть точно уверенным, что полученный результат указывает на оптимальное количество секций алюминиевого радиатора для конкретного помещения.

Если вы решили установить алюминиевые радиаторы отопления важно знать следующее:

Какой бы принцип расчетов ни был предпринят, важно сделать его в целом, так как правильно подобранные батареи позволяют не только наслаждаться теплом, но и значительно экономят на энергозатратах. Последнее особенно важно в условиях постоянно растущих тарифов.

Полезное видео

Расчет количества секций алюминиевых радиаторов отопления

Расчет мощности алюминиевой батареи можно проводить по-разному. Практически каждый из способов может дать ответ на вопрос, сколько секций нужно установить 1 кв. м. В принципе, ответ на этот вопрос ищут новички, ведь на самом деле, чтобы получить нужную цифру, нужно полностью использовать любой из методов. Потом из результата надо узнавать, сколько секций должно быть на 1 кв. м. Итоговые цифры уже позволяют определить нужное для комнаты количество ребер алюминиевого радиатора отопления, и поэтому расчет числа секций на 1 кв. м становится не совсем целесообразным. Но все-таки есть один простой способ.

Самый простой способ определения числа секций на 1 кв. м

Существует метод расчета алюминиевого радиатора по площади. Он исходит из того, что для обогрева 1 м2 помещения до комфортной температуры (ею является +20 °С) радиатор должен выделять 100 Вт тепла. Эту цифру нужно и использовать.

Итак, нужно выполнить следующие действия:

1. Определить тепловую мощность одного ребра радиатора отопления. Часто она равняется 180 Вт.
2. Рассчитать или измерить температуру теплоносителя в системе отопления. Если температура воды, входящей в батарею, составляет tвх. = 100 °С и, выходящей из нее, составляет tвых. = 80 °С, то цифру 100 делят на 180. Результат составляет 0,55. Именно 0,55 секции нужно использовать для 1 кв. м.
3. Если измеренные показатели ниже, то делают расчет показателя ΔT (в вышеуказанном случае он составляет 70 °С). Для этого используют формулу ΔT = (tвх. + tвых.)/2 — tк, где tк является желаемой температурой комнаты. Стандартно tк составляет 20 °С. Пусть tвх. = 60 °С, а tвых. = 40 °С, тогда ΔT = (60 + 40)/2 — 20 = 30 °С.
4. Найти специальную табличку, в которой определенному значению ΔT соответствует корректирующий коэффициент. Эти таблички нужно спрашивать у производителей. Для некоторых радиаторов отопления при ΔT = 30 °С этот коэффициент составляет 0,4.
5. Умножить тепловую мощность одного ребра на 0,4. 180 * 0,4 = 72 Вт. Именно столько тепла может передать одна секция от теплоносителя, нагретого до 60 °С.
6. Разделить норму на 72. Итого 100/72 = 1,389 секции нужно, чтобы отопить 1 м2.

Далее, этот показатель можно перемножить на площадь. Если помещение имеет 20 кв. м, то нужно установить батарею с 28 ребрами. Понятно, что лучше разбить ее пополам.

Этот метод имеет такие недостатки:

1. Норма 100 Вт рассчитана для помещений, высота которых меньше 3 м. Если комната выше, то нужно использовать корректирующий коэффициент.
2. Не учитываются потери тепла через окна, дверь, а также стены. если помещение является угловым.
3. Не учитывается потеря тепла, вызванная определенным способом установки батареи.

Правильный расчет

Он предусматривает умножение площади комнаты на норму 100. корректировку результата в зависимости от особенностей помещения и деление конечной цифры на мощность одной секции (желательно использовать скорректированную мощность).

Корректируют произведение площади и нормы, равной 100 Вт, таким образом:

1. На каждое окно к нему добавляют 0,2 кВт.
2. На каждую дверь к нему добавляют 0,1 кВт.
3. Для углового помещения конечную цифру умножают на 1,3. Если угловая комната расположена в частном доме, то коэффициент составляет 1,5.
4. Для помещения с высотой, большей 3 м, применяют коэффициенты 1,05 (высота 3 м), 1,1 (высота 3,5 м), 1,15 (высота 4 м), 1,2 (высота 4,5 м).

Нужно учесть и способ размещения батареи, который также приводит к потере тепла. Эти потери являются такими:

• 3-4% — в случае монтажа отопительного устройства под широким подоконником или полочкой;
• 7%. если радиатор отопления устанавливается в нише;
• 5-7%. если находится возле открытой стены, однако частично его закрывает экран;
• 20-25% — в случае полного закрытия экраном.

Пример расчета количества секций

Планируется поставить батарею в помещении с площадью 20 кв. м. Комната является угловой, имеет два окна и одну дверь. Высота стандартная, то есть равна 2,7 м. Радиатор отопления будет размещаться под подоконником (корректирующий коэффициент — 1,04). Котел подает теплоноситель с температурой 60 °С. На выходе из радиатора вода будет иметь температуру, равную 40 °С.

Расчет максимального количества ребер таков:

Q = (20 * 100 + 0,2 + 0,1) * 1,3 * 1,04 / 72 = 37,56 секций.

Поскольку нужно округлять в максимальную сторону, то нужно устанавливать батарею с 38 ребрами. Ее можно разделить на две части и поставить под обоими окнами. Каждая из них будет иметь 19 ребер.

Метод учитывающий высоту

От вышеописанного способа он отличается тем, что предусматривает норму тепла на 1 куб. м. а также использует не площадь помещения, а объем. Нормой в этом случае является 41 Вт. Все другие корректировки являются такими же.

Если взять вышерассмотренный пример, то количество секций радиатора будет таким:

Q = (20 * 2,7 * 41 + 0,2 + 0,1) * 1,3 * 1,04 / 72 = 41,57. то есть 42. Конечно, этот показатель можно считать максимальным.

Похожие статьи:

Расчет количества секций биметаллического радиатора Мощность и количество секций алюминиевых радиаторов Как рассчитать количество секций для радиатора отопления Подключение алюминиевых радиаторов

Главная » Отопление » Как рассчитать количество секций радиатора

Как рассчитать количество секций радиатора

При модернизации системы отопления кроме замены труб меняют и радиаторы. Причем сегодня они есть из разных материалов, разных форм и размеров. Что не менее важно, имеют они разную теплоотдачу: количество тепла, которые могут передать воздуху. И это обязательно учитывают, когда делают расчет секций радиаторов.

В помещении будет тепло, если количество тепла, которое уходит, будет компенсироваться. Поэтому в расчетах за основу берут теплопотери помещений (они зависят от климатической зоны, от материала стен, утепления, площади окон и т.д.). Второй параметр — тепловая мощность одной секции. Это то количество тепла, которое она может выдать при максимальных параметрах системы (90°C на входе и 70°C на выходе). Эта характеристика обязательно указывается в паспорте, зачастую присутствует на упаковке.

Делаем расчет количества секций радиаторов отопления своими руками, учитываем особенности помещений и системы отопления

Один важный момент: проводя расчеты самостоятельно, учтите, что большинство производителей указывают максимальную цифру, которую они получили при идеальных условиях. Потому любое округление производите в большую сторону. В случае с низкотемпературным отоплением (температура теплоносителя на входе ниже 85°C) ищут тепловую мощность для соответствующих параметров или делают перерасчет (описан ниже).

Расчет по площади

Это — самая простая методика, позволяющая примерно оценить число секций, необходимое для отопления помещения. На основании многих расчетов выведены нормы по средней мощности отопления одного квадрата площади. Чтобы учесть климатические особенности региона, в СНиПе прописали две нормы:

• для регионов средней полосы России необходимо от 60 Вт до 100 Вт;
• для районов, находящихся выше 60°, норма отопления на один квадратный метр 150-200 Вт.

Почему в нормах дан такой большой диапазон? Для того, чтобы можно было учесть материалы стен и степень утепления. Для домов из бетона берут максимальные значения, для кирпичных можно использовать средние. Для утепленных домов — минимальные. Еще одна важная деталь: эти нормы просчитаны для средней высоты потолка — не выше 2,7 метра.

Как рассчитать количество секций радиатора: формула

Зная площадь помещения, умножаете ее норму затрат тепла, наиболее подходящую для ваших условий. Получаете общие теплопотери помещения. В технических данных к выбранной модели радиатора, находите тепловую мощность одной секции. Общие теплопотери делите на мощность, получаете их количество. Несложно, но чтобы было понятнее, приведем пример.

Пример расчета количества секций радиаторов по площади помещения

Угловое помещение 16 м 2. в средней полосе, в кирпичном доме. Устанавливать будут батареи с тепловой мощностью 140 Вт.

Для кирпичного дома берем теплопотери в середине диапазона. Так как помещение угловое, лучше взять большее значение. Пусть это будет 95 Вт. Тогда получается, что для обогрева помещения требуется 16 м 2 * 95 Вт = 1520 Вт.

Теперь считаем количество: 1520 Вт / 140 Вт = 10,86 шт. Округляем, получается 11 шт. Столько секций радиаторов необходимо будет установить.

Расчет батарей отопления на площадь прост, но далеко не идеален: высота потолков не учитывается совершенно. При нестандартной высоте используют другую методику: по объему.

Считаем батареи по объему

Есть в СНиПе нормы и для обогрева одного кубометра помещений. Они даны для разных типов зданий:

• для кирпичных на 1 м 3 требуется 34 Вт тепла;
• для панельных — 41 Вт

Этот расчет секций радиаторов похож на предыдущий, только теперь нужна не площадь, а объем и нормы берем другие. Объем умножаем на норму, полученную цифру делим на мощность одной секции радиатора (алюминиевого, биметаллического или чугунного).

Формула расчета количества секций по объему

Пример расчета по объему

Для примера рассчитаем, сколько нужно секций в комнату площадью 16 м 2 и высотой потолка 3 метра. Здание построено из кирпича. Радиаторы возьмем той же мощности: 140 Вт:

• Находим объем. 16 м 2 * 3 м = 48 м 3
• Считаем необходимое количество тепла (норма для кирпичных зданий 34 Вт). 48 м 3 * 34 Вт = 1632 Вт.
• Определяем, сколько нужно секций. 1632 Вт / 140 Вт = 11,66 шт. Округляем, получаем 12 шт.

Теперь вы знаете два способа того, как рассчитать количество радиаторов на комнату.

Теплоотдача одной секции

Сегодня ассортимент радиаторов большой. При внешней схожести большинства, тепловые показатели могут значительно отличаться. Они зависят от материала, из которого изготовлены, от размеров, толщины стенок, внутреннего сечения и от того, насколько хорошо продумана конструкция.

Потому точно сказать, сколько кВт в 1 секции алюминиевого (чугунного биметаллического) радиатора, можно сказать только применительно к каждой модели. Эти данные указывает производитель. Ведь есть значительная разница в размерах: одни из них высокие и узкие, другие — низкие и глубокие. Мощность секции одной высоты того же производителя, но разных моделей, могут отличаться на 15-25 Вт (смотрите в таблице ниже STYLE 500 и STYLE PLUS 500). Еще более ощутимые отличия могут быть у разных производителей.

Технические характеристики некоторых биметаллических радиаторов. Обратите внимание, что тепловая мощность одинаковых по высоте секций может иметь ощутимую разницу

Тем не менее, для предварительной оценки того, сколько секций батарей нужно для отопления помещений, вывели средине значения тепловой мощности по каждому типу радиаторов. Их можно использовать при приблизительных расчетах (приведены данные для батарей с межосевым расстоянием 50 см):

• Биметаллический — одна секция выделяет 185 Вт (0,185 кВт).
• Алюминиевый — 190 Вт (0,19 кВт).
• Чугунные — 120 Вт (0,120 кВт).

Точнее сколько кВт в одной секции радиатора биметаллического, алюминиевого или чугунного вы сможете, когда выберете модель и определитесь с габаритами. Очень большой может быть разница в чугунных батареях. Они есть с тонкими или толстыми стенками, из-за чего существенно изменяется их тепловая мощность. Выше приведены средние значения для батарей привычной формы (гармошка) и близких к ней. У радиаторов в стиле «ретро» тепловая мощность ниже в разы.

Это технические характеристики чугунных радиаторов турецкой фирмы Demir Dokum. Разница более чем солидная. Она может быть еще больше

Исходя из этих значений и средних норм в СНиПе вывели среднее количество секций радиатора на 1 м 2 :

• биметаллическая секция обогреет 1,8 м 2 ;
• алюминиевая — 1,9-2,0 м 2 ;
• чугунная — 1,4-1,5 м 2 ;

Как рассчитать количество секций радиатора по этим данным? Все еще проще. Если вы знаете площадь комнаты, делите ее на коэффициент. Например, комната 16 м 2. для ее отопления примерно понадобится:

• биметаллических 16 м 2 / 1,8 м 2 = 8,88 шт, округляем — 9 шт.
• алюминиевых 16 м 2 / 2 м 2 = 8 шт.
• чугунных 16 м 2 / 1,4 м 2 = 11,4 шт, округляем — 12 шт.

Эти расчеты только примерные. По ним вы сможете примерно оценить затраты на приобретение отопительных приборов. Точно рассчитать количество радиаторов на комнату вы сможете выбрав модель, а потом еще пересчитав количество в зависимости от того, какая температура теплоносителя в вашей системе.

Расчет секций радиаторов в зависимости от реальных условий

Еще раз обращаем ваше внимание на то, что тепловая мощность одной секции батареи указывается для идеальных условий. Столько тепла выдаст батарея, если на входе ее теплоноситель имеет температуру +90°C, на выходе +70°C, в помещении при этом поддерживается +20°C. То есть, температурный напор системы (называют еще «дельта системы») будет 70°C. Что делать, если в вашей системе выше +70°C на входе на бывает? или необходима температура в помещении +23°C? Пересчитывать заявленную мощность.

Для этого необходимо рассчитать температурный напор вашей системы отопления. Например, на подаче у вас +70°C, на выходе 60°C, а в помещении вам необходима температура +23°C. Находим дельту вашей системы: это среднее арифметическое температур на входе и выходе, за минусом температуры в помещении.

Формула расчета температурного напора системы отопления

Для нашего случая получается: (70°C+ 60°C)/2 — 23°C = 42°C. Дельта для таких условий 42°C. Далее находим это значение в таблице пересчета (расположена ниже) и заявленную мощность умножаем на этот коэффициент. Поучаем мощность, которую сможет выдать эта секция для ваших условий.

Таблица коэффициентов для систем отопления с разной дельтой температур

Находим в столбцах, подкрашенных синим цветом, строчку с дельтой 42°C. Ей соответствует коэффициент 0,51. Теперь рассчитываем, тепловую мощность 1 секции радиатора для нашего случая. Например, заявленная мощность 185 Вт, применив найденный коэффициент, получаем: 185 Вт * 0,51 = 94,35 Вт. Почти в два раза меньше. Вот эту мощность и нужно подставлять когда делаете расчет секций радиаторов. Только с учетом индивидуальных параметров в помещении будет тепло.

Источники: http://netholodu.com/elementy-otopleniya/radiatory/alyuminievye/raschet-sektsij.html, http://poluchi-teplo.ru/radiatoryi/alyum/raschet-kolichestva-sektsiy-alyuminievyih-radiatorov-otopleniya.html, http://stroychik.ru/otoplenie/raschet-sekcij-radiatorov

Расчет алюминиевого радиатора на примере 1 комнаты

03.01.18

Расчет алюминиевого радиатора на примере 1 комнаты

Нельзя просто прийти в магазин и купить радиатор, даже если он очень сильно понравился и стоит совсем недорого. Дело в том, что подобная покупка требует точного расчета, из ориентации на различные критерии. Предположим, что нами выбирается радиатор отопления для комнаты в 16 квадратных метров, которая расположена на северной стороне дома, имеет одно большое окно и две ее стены выходят на улицу.

При этом алюминиевый радиатор отопления, в зависимости от количества секций, может иметь разную мощность. Поэтому первое, что требуется посчитать — это мощность, подходящую на условную квадратуру, при высоте потолков до трех метров. Для этого стоит следовать одному простому правилу: В среднем, чтобы протопить 1 квадратный метр помещения, требуется от 70 до 100 Вт мощности. Экономить не будем, и возьмем 100 Вт на 1 квадратный метр. При этом в нашей комнате 16 квадратных метров, а, значит, нам потребуется 1600 условных ватт мощности одной батареи.

Все бы ничего, но есть правило, что если расчетная комната имеет стены, смежные с улицей, есть окно, а сам дом находится на северной стороне, то к полученному результату придется прибавить еще 30 процентов. Исключения могут составить только комнаты частично жилые или нежилые вовсе. Так вот, исходя из нашего запаса, получаем, что нам для комнаты в 16 квадратных метров потребуется примерная мощность радиатора, равная 2000 Вт. Купить радиаторы отопления с такой мощностью не составит труда.

В среднем, 2000 ватт мощности будут представлять собой радиатор, состоящий из 14 секций. При этом нужно условиться, что если мы будем использовать радиаторы отопления с теплым полом, то количество секций можно снизить до 12. Однако отечественные радиаторы отопления «Tipido»  имеют высокую теплоотдачу до 210 Вт, и для обогрева комнаты в 16 квадратных метров достаточно будет 10 секций.  

Читайте о:

Алюминиево-ионные аккумуляторы: разработки и проблемы

Концепция изучения превосходных преимуществ электроположительных металлов в качестве анодов в перезаряжаемых металлических батареях в последнее время всплыла на поверхность в ожидании будущей общественной потребности в батареях с высокой плотностью энергии и доступными по цене батареями. Предполагается, что аккумуляторная батарея на основе химического состава алюминия станет недорогой платформой для хранения энергии, учитывая, что алюминий является самым распространенным металлом в земной коре.Высокая объемная емкость алюминия, которая в четыре и семь раз больше, чем у лития и натрия соответственно, бесспорно имеет потенциал для увеличения удельной энергии алюминиевых батарей в расчете на единицу объема. Попытки разработать перезаряжаемые алюминиевые батареи начались еще в 1970-х годах, однако в этой области исследований наблюдается всплеск активности с 2010 года, когда была убедительно продемонстрирована возможность получения алюминиевой системы с температурой окружающей среды.В последнее время перезаряжаемые алюминиевые батареи были переименованы в алюминиево-ионные батареи. Этот обзор призван всесторонне проиллюстрировать разработки, касающиеся перезаряжаемых неводных алюминиевых батарей или алюминиево-ионных батарей. Кроме того, также обсуждаются проблемы, препятствующие прогрессу в создании практичной алюминиево-ионной батареи.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

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 своего 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 файле cookie 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.

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 своего 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 файле cookie 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.

Алюминиевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой предлагает безопасную альтернативу обычным аккумуляторам

Ученые из Стэнфорда изобрели гибкий высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который заряжается примерно за 1 минуту.Фото: Марк Шварц, Институт энергетики Прекурта, Стэнфордский университет.

Ученые Стэнфордского университета изобрели первую высокопроизводительную алюминиевую батарею, которая быстро заряжается, долговечна и недорога. Исследователи говорят, что новая технология предлагает безопасную альтернативу многим коммерческим батареям, широко используемым сегодня.

«Мы разработали перезаряжаемую алюминиевую батарею, которая может заменить существующие устройства хранения, такие как щелочные батареи, которые вредны для окружающей среды, и литий-ионные батареи, которые иногда воспламеняются», — сказал Хунцзе Дай, профессор химии в Стэнфорде.«Наша новая батарея не загорится, даже если вы просверлите ее».

Дай и его коллеги описывают свою новую алюминиево-ионную батарею в статье «Сверхбыстрая перезаряжаемая алюминий-ионная батарея» в предварительном онлайн-выпуске журнала от 6 апреля Nature .

Алюминий уже давно является привлекательным материалом для аккумуляторов, в основном из-за его низкой стоимости, низкой воспламеняемости и высокой емкости заряда. В течение десятилетий исследователи безуспешно пытались разработать коммерчески жизнеспособную алюминиево-ионную батарею.Ключевой задачей было найти материалы, способные производить достаточное напряжение после повторяющихся циклов зарядки и разрядки.

Катод графитовый

Алюминиево-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: отрицательно заряженного анода из алюминия и положительно заряженного катода.

«Люди пробовали разные материалы для изготовления катода», — сказал Дай. «Мы случайно обнаружили, что простое решение — использовать графит, который в основном состоит из углерода.В нашем исследовании мы определили несколько типов графитового материала, которые дают нам очень хорошие характеристики ».

Для экспериментальной батареи команда Стэнфорда поместила алюминиевый анод и графитовый катод вместе с ионным жидким электролитом в гибкий чехол с полимерным покрытием.

«Электролит — это соль, которая является жидкой при комнатной температуре, поэтому она очень безопасна», — сказал аспирант Стэнфордского университета Мин Гун, соавтор исследования Nature .

Лаборатория Стэнфордского профессора Хунцзе Дая изобрела сверхбыструю алюминиево-ионную батарею с электродами из недорогого алюминия (Al) и листов наноуглерода.Предоставлено: Мэн-Чанг Линь и Хунцзе Дай, Стэнфордский университет. Алюминиевые батареи

безопаснее обычных литий-ионных батарей, используемых сегодня в миллионах ноутбуков и сотовых телефонов, добавил Дай.

«Литий-ионные батареи могут стать причиной возгорания», — сказал он.

В качестве примера он указал на недавние решения авиакомпаний United и Delta запретить массовые перевозки литиевых батарей на пассажирских самолетах.

«В нашем исследовании у нас есть видеоролики, показывающие, что вы можете просверлить алюминиевый отсек для аккумулятора, и он будет продолжать работать еще некоторое время, не загораясь», — сказал Дай.«Но литиевые батареи могут сработать непредсказуемым образом — в воздухе, в машине или в вашем кармане. Помимо безопасности, мы добились значительного прорыва в производительности алюминиевых батарей».

Один из примеров — сверхбыстрая зарядка. Владельцы смартфонов знают, что для зарядки литий-ионного аккумулятора могут потребоваться часы. Но команда Стэнфорда сообщила о «беспрецедентном времени зарядки» до одной минуты с алюминиевым прототипом.

Прочность — еще один важный фактор.Алюминиевые батареи, разработанные в других лабораториях, обычно умирают всего после 100 циклов заряда-разряда. Но батарея Stanford смогла выдержать более 7500 циклов без потери емкости. «Это был первый случай, когда сверхбыстрая алюминий-ионная батарея была сконструирована со стабильностью в течение тысяч циклов», — пишут авторы.

Для сравнения, срок службы типичной литий-ионной батареи составляет около 1000 циклов.

«Еще одна особенность алюминиевой батареи — гибкость», — сказал Гонг.«Его можно сгибать и складывать, поэтому он может использоваться в гибких электронных устройствах. Алюминий также является более дешевым металлом, чем литий».

Приложения

В дополнение к небольшим электронным устройствам, алюминиевые батареи могут использоваться для хранения возобновляемой энергии в электрической сети, сказал Дай.

«Энергосистеме нужна батарея с длительным сроком службы, которая может быстро накапливать и выделять энергию», — пояснил он. «Наши последние неопубликованные данные показывают, что алюминиевый аккумулятор можно заряжать десятки тысяч раз.Трудно представить себе создание огромной литий-ионной батареи для хранения в сети ».

Алюминий-ионная технология также предлагает экологически чистую альтернативу одноразовым щелочным батареям, сказал Дай.

«Миллионы потребителей используют 1,5-вольтовые батарейки типа AA и AAA», — сказал он. «Наша алюминиевая аккумуляторная батарея вырабатывает около двух вольт электричества. Это больше, чем кто-либо достиг с алюминием».

Но для соответствия напряжению литий-ионных аккумуляторов потребуются дополнительные улучшения, добавил Дай.

«Наша батарея вырабатывает примерно половину напряжения типичной литиевой батареи», — сказал он. «Но улучшение материала катода может в конечном итоге увеличить напряжение и плотность энергии. В противном случае в нашей батарее есть все, о чем вы можете только мечтать: недорогие электроды, хорошая безопасность, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный срок службы. I рассматривают это как новую батарею в ее первые дни. Это довольно интересно ».

---

Новый метод визуализации обнаруживает, что образование алюминиевых сплавов является причиной отказов батарей следующего поколения

---

Дополнительная информация: Сверхбыстрая перезаряжаемая алюминий-ионная батарея, DOI: 10.1038 / природа14340 Предоставлено Стэндфордский Университет

Ссылка : Алюминиевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой — безопасная альтернатива обычным аккумуляторам (6 апреля 2015 г.) получено 31 октября 2021 г. с https: // физ.org / news / 2015-04-ultra-fast-aluminium-battery-safe-Alternative.html

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

Аккумуляторы с алюминиевым анодом — экологичная альтернатива

Стоимость сбора солнечной энергии за последние годы упала настолько, что это дает возможность традиционным источникам энергии потратить свои деньги.Однако проблемы накопления энергии, которые требуют наличия мощности для хранения периодических и сезонно изменяющихся поставок солнечной энергии, не позволяют этой технологии быть экономически конкурентоспособной.

Исследователи из Корнелла под руководством Линдена Арчера, декана инженерного факультета Джозефа Силберта и заслуженного профессора инженерии семьи Джеймса А. Френда, изучают возможность использования недорогих материалов для создания перезаряжаемых батарей, которые сделают хранение энергии более доступным.Эти материалы могут также обеспечить более безопасную и более экологичную альтернативу литий-ионным батареям, которые в настоящее время доминируют на рынке, но медленно заряжаются и способны воспламеняться.

Это увеличенное изображение показывает алюминий, нанесенный на углеродные волокна в электроде батареи. Химическая связь увеличивает толщину электрода и ускоряет его кинетику, в результате чего аккумуляторная батарея является более безопасной, менее дорогой и более устойчивой, чем литий-ионные батареи.

Группа ранее продемонстрировала потенциал цинк-анодных батарей. Теперь они применили другой подход к использованию алюминия, в результате чего перезаряжаемые батареи обеспечивают до 10 000 безошибочных циклов.

Их статья «Регулирование морфологии электроосаждения в анодах батарей из алюминия и цинка большой емкости с использованием межфазного соединения металл – подложка», опубликованная 5 апреля в журнале Nature Energy.

Ведущий автор статьи — Jingxu (Kent) Zheng, Ph.D. ’20, в настоящее время доктор наук в Массачусетском технологическом институте.

«Очень интересной особенностью этой батареи является то, что для анода и катода используются только два элемента — алюминий и углерод — оба недорогие и экологически чистые», — сказал Чжэн. «У них также очень долгий жизненный цикл. Когда мы рассчитываем стоимость хранения энергии, нам необходимо амортизировать ее по общей пропускной способности энергии, а это означает, что батарея является перезаряжаемой, поэтому мы можем использовать ее много, много раз.Так что, если у нас будет более длительный срок службы, эта стоимость будет еще больше снижена ».

Одним из преимуществ алюминия является то, что его много в земной коре, он трехвалентен и легок, и поэтому он обладает высокой способностью накапливать больше энергии, чем многие другие металлы. Однако алюминий сложно интегрировать в электроды батареи. Он химически реагирует с сепаратором из стекловолокна, который физически разделяет анод и катод, вызывая короткое замыкание и выход батареи из строя.

Исследователи решили разработать подложку из переплетенных углеродных волокон, которая образует еще более прочную химическую связь с алюминием. Когда батарея заряжена, алюминий осаждается в углеродной структуре посредством ковалентной связи, то есть разделения электронных пар между атомами алюминия и углерода.

В то время как электроды в обычных перезаряжаемых батареях только двухмерные, этот метод использует трехмерную или неплоскую архитектуру – и создает более глубокие и стабильные слои алюминия, которыми можно точно управлять.

«В основном мы используем химическую движущую силу, чтобы способствовать равномерному осаждению алюминия в порах конструкции», — сказал Чжэн. «Электрод намного толще и имеет гораздо более быструю кинетику».

Батареи с алюминиевым анодом могут быть обратимо заряжены и разряжены на один или несколько порядков больше, чем другие алюминиевые аккумуляторные батареи в практических условиях.

«Хотя внешне они отличаются от наших более ранних инноваций для стабилизации цинковых и литий-металлических электродов в батареях, принцип остается тем же — конструкция подложек обеспечивает большую термодинамическую движущую силу, способствующую зародышеобразованию; «Беглый, небезопасный рост металлического электрода предотвращается такими силами, как поверхностное натяжение, которое может быть огромным в небольших масштабах», — сказал Арчер, старший автор статьи.

Соавторы: докторанты Тянь Тан и Юэ Дэн; магистрант Шуо Цзинь; постдокторант Цин Чжао; заведующий лабораторией Цзефу Инь; Сяотунь Лю, доктор философии ’20; и исследователи из Университета Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории.

Исследование было поддержано Программой фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США через Центр мезомасштабных транспортных свойств, исследовательский центр Energy Frontiers, расположенный в Университете Стони Брук.Исследователи использовали Корнельский центр исследования материалов , который поддерживается программой Центра материаловедения и инженерии Национального научного фонда.

Графит с высокой плотностью дефектов для алюминиево-ионных аккумуляторов с улучшенными эксплуатационными характеристиками, сверхбыстрой зарядкой и стабильным длительным сроком службы

Морфологические особенности катодов AEG и BEG

Графитовые катоды с обработанной поверхностью были получены путем кислотной обработки (AEG) и базовое травление (BEG) нетронутый графит (PG).В AEG край графитовых листов расслоился с многочисленными порами микронного или наноразмерного размера во время кислотной обработки, которые могут действовать как окислительно-восстановительные центры для интеркаляции хлоралюминатных анионов во время процесса зарядки. Произошло более высокое объемное расширение AEG (т.е. более чем в три раза) по сравнению с PG и BEG, как показано на оптическом изображении на фиг. S1. В процессе травления KOH образуются открытые края графитовых углеродных участков с множеством отверстий большого размера или более нанопорок, а также дефектные участки на поверхности BEG со значительным содержанием кислородсодержащих функциональных групп, таких как гидроксильные группы (C – OH), карбонильные группы. / карбоксильные группы (C = O / HO – C = O) и эпоксидные группы (C – O – C), которые существуют между слоями BEG, а также на краях и в местах дефектов.Следовательно, обильные кислородсодержащие функциональные группы действуют как доступные интеркаляционные / окислительно-восстановительные центры для интеркаляции хлоралюминат-анионов во время процесса зарядки и деинтеркаляции во время процесса разряда. На рисунке 1 показано изображение FE-SEM образцов PG, AEG и BEG. Частицы PG имели типичную сферическую форму (графит в форме картофеля) со средним диаметром примерно 10–20 мкм (рис. S2), а их поверхность имела относительно гладкую текстуру с неровными внешними поверхностями, что четко обозначено на видах сбоку и сверху. на рис.1а, д. Более того, гладкая поверхность PG была подтверждена изображениями высокого разрешения SEM (рис. 1g). Напротив, морфология поверхности AEG состоит из значительно расширенных графитовых слоев / листов с ячеистыми мезопористыми структурами на виде сбоку по сравнению с образцами PG и BEG (рис. 1b, e), что хорошо видно на высоком СЭМ-изображения с разрешением (рис. 1з). На виде сбоку AEG видны широко расширенные графитовые слои, но некоторые слои прикреплены, и поверхность AEG подобна поверхности PG.Слои БЭГ содержат обильные открытые края графитовых углеродных участков и расширенные графитовые слои, как показано на виде сбоку на СЭМ-изображении на рис. 1с. Более того, вид сверху BEG показывает несколько участков дефектов с морфологией кратеров (например, отверстия большого размера или больше нанопорок) на поверхностях, которые, по оценкам, имеют диаметр приблизительно от 0,5 до 1 мкм и размер глубины около 1-2 мкм ( глубокие отверстия или глубокие кратеры), покрытые примерно 8–10 слоями графита, как показано желтой линией на рис.1i и рис. S3. Эти результаты показывают, что в процессе обработки КОН образуется много пор наноразмеров. Эти поры увеличиваются и становятся дырками большого размера или более нанопастями с последующей термообработкой при 800 ° C, что очевидно подтверждается изображениями SEM (рис. 1i и S3). Эти явления также наблюдались в нашей предыдущей работе [37] и более ранних сообщениях Cheng et al. [35] и Шим и др. [36] Следовательно, эти характеристики более полезны для облегчения предпочтительной (де) интеркаляции хлоралюминатных анионов в дырки большого размера или большее количество нанопорошков и в местах краевых дефектов БЭГ во время циклического заряда / разряда.Этот результат дополнительно подтверждается распределением пор по размерам, полученным с использованием метода Барретта – Джойнера – Халенды (BJH) (рис. 3c), и более раннего отчета Shim et al. [36].

Рис. 1

СЭМ-изображения PG, AEG и BEG; a – c изображения с низким разрешением и d – i с высоким разрешением образцов при разном увеличении

На рис. 2 показаны изображения трех образцов графита, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии. Как показано на рис. 2а, PG не имеет графитовых слоев по краям, что означает, что графитовые слои перекрываются и агрегированы.По сравнению с PG, AEG и BEG имеют четко разделенные слои / листы графена на краю графита (рис. 2b, c). В частности, край AEG содержит много слоев графита по сравнению с краем BEG. Напротив, образовывалось множество отверстий большого размера с размерами ~ 500 нм, а дефектные нанопорывы отчетливо наблюдались на поверхности BEG, что дополнительно подтверждается изображениями ПЭМ (рис. S4). На рис. 2d ‒ f показаны изображения образцов PG, AEG и BEG с высоким разрешением, полученные с помощью ПЭМ (HR-TEM), с полосами решетки соответствующих графитов.Как показано на рис. 2d, PG состоит из четко определенных слоев / листов графитовой решетки с упорядоченными на большом расстоянии стопками, примерно параллельными друг другу, что дает хорошо организованные турбостратные структуры. Направления графитовой решетки были дополнительно выяснены с помощью выбранной области электронной дифракции (SAED) картины (рис. 2g i). PG показывает два направления решетки на графитовых пиках (002) и (004), соответствующие межплоскостным расстояниям (расстояние d ) 0,362 и 0.250 нм соответственно. На рисунке 2e показано, что листы AEG также демонстрируют многочисленные турбостратно упорядоченные структуры с двумя полосами решетки (обозначенными желтыми линиями), индексированными как плоскости (002) и (004) графитовых листов с шагом d 0,360 и 0,299. нм соответственно. Изображения образца с помощью HR-TEM формируются за счет фазового контраста, поэтому расстояние d может быть больше, чем рассчитанное по дифракционной картине. Следовательно, расстояние d , рассчитанное на основе XRD (0.3371 нм) и ПЭМ (0,360 нм) имеет некоторую разницу. BEG показывает множество турбостратически неупорядоченных структур с двумя направлениями решетки в графитовых плоскостях (002) и (004) (рис. 2f), которые связаны с расстоянием d 0,363 и 0,355 нм соответственно. Эти результаты предполагают, что БЭГ, приготовленный из раствора КОН, привел к турбостратным неупорядоченным графитовым структурам (нерегулярная деформация поверхности) с расширением d -пространства ~ 0,003 (002) и ~ 0,057 нм (004) по сравнению с таковым у AEG. .Следовательно, как показано на изображениях SEM (рис. 1i и S3) и изображениях TEM (рис. 2c, f и S4) катода BEG, количество слоев графена было меньше, а наличие нерегулярных искажений поверхности (отверстия большого размера или более нановиды) по сравнению с AEG. Следовательно, наличие высокой плотности дефектных сайтов (дырок большого размера или нанопор), включая значительное содержание окислительно-восстановительных активных центров (кислородсодержащих функциональных групп) на поверхности катода БЭГ, может привлекать и адаптировать больше AlCl ₄ ^— ионы с относительно меньшей глубиной проникновения во время процесса заряда / разряда.Следовательно, быстрая интеркаляция ионов AlCl ₄ ^— и последовательный перенос большего количества ионов AlCl ₄ ^— по всей структуре поверхности, а также меньшее количество ионов AlCl ₄ ^— интеркаляция в пространство БЭГ слой способствовал обеспечению высокой катодной емкости БЭГ [19].

Рис. 2

a – c FE-TEM изображения и d – f HRTEM изображения PG, AEG и BEG. g – i SAED-образцы соответствующих образцов

Характеристика катодов AEG и BEG

На рисунке 3 показаны кристалличность, удельная поверхность, природа химических связей и химический состав образцов PG, AEG и BEG.Спектр XRD PG показывает острый дифракционный пик при 2 θ = 26,39 ° с расстоянием d 3,374 Å, а два других пика отражения при 2 θ = 44,4 ° и 54,5 ° соответствуют ( 002), (101) и (004) графита соответственно (JCPDS № 00-008-0415) [38, 39]. Как показано на рис. 3а, дифракционные пики уменьшились после обработки поверхности в кислой и основной средах. AEG показывает уменьшение дифракционного пика плоскости (002), что почти в пять раз ниже, чем у PG.Кроме того, интенсивности пиков отражения для плоскостей (100), (101), (103) и (110) также уменьшились после кислотной обработки, как видно из спектров XRD (рис. S5a), демонстрируя, что поверхность Обработка кислым раствором вызвала низкую кристалличность частиц графита в образцах АЭГ. Расстояние d было рассчитано с использованием уравнения Брэгга ( nλ = 2 d sin θ ) для графита с модифицированной поверхностью [40]. В AEG пик плоскости (002) смещен в сторону больших углов и расположен на 2 θ = 26.42 °, что соответствует интервалу d 0,3371 нм (рис. S5b) и подразумевает сужение / усадку на расстоянии d объемных прослоек AEG по сравнению с PG (0,3374 нм). Такая усадка в интервале d слоев AEG предполагала окисление интеркалированных / межслоевых групп кислотной обработкой с последующим испарением интеркалированных групп в виде газообразных продуктов, таких как CO ₂ и SO ₂ во время процесс термического отшелушивания при низкой температуре 600 ° C.Этот процесс приводит к уменьшению расстояния d AEG и снижению насыпной плотности PG во время кислотной обработки. Кроме того, объемное расширение происходит с образованием микроструктур, подобных сотам, в которых открытые и полуоткрытые внутренние поры имеют размер от микромасштаба до наномасштаба (изображения СЭМ на рис. 1b, e, h). Напротив, дифракционный пик плоскости (002) для БЭГ смещен в сторону меньших углов в положении 2 θ = 26,31 ° с интервалом d , равным 0.3384 нм, что указывает на расширение интервала d- по сравнению с PG и AEG. Такое увеличенное расстояние d в BEG может быть возможным для ускорения кинетики обратимой интеркаляции анионов хлоралюмината. Другими словами, диффузия и миграция ионов AlCl ₄ ^– и Al ₂ Cl ₇ ^– будут ускоряться за счет меньшей глубины проникновения во время циклов в AIB. Кроме того, рассчитанная степень графитации (DG) с использованием уравнения, приведенного во вспомогательной информации, для BEG намного ниже (65.11%), чем у AEG (80,23%) и PG (76,74%), что указывает на то, что BEG имеет структуру турбостратного беспорядка с значительно расширенным интервалом d ( d ₀₀₂ = 0,3384 нм) по сравнению с более турбостратные упорядоченные структуры AEG ( d ₀₀₂ = 0,3371 нм) и PG ( d ₀₀₂ = 0,3374 нм). Эта особенность была также хорошо подтверждена изображениями HR-TEM (рис. 2). Следовательно, катод БЭГ с турбостратно-неупорядоченной структурой (т.например, уменьшенная степень графитизации) может существенно повлиять на более емкостное поведение, подразумевая интеркалирование большего количества ионов AlCl ₄ ^— через микропоры, отверстия большого размера или нанопаста для улучшения более благоприятной катодной емкости БЭГ по сравнению с AEG и PG. Размер кристалла L каждой частицы можно рассчитать по уравнению Шеррера (\ (L = \ frac {K \ lambda} {{\ beta \ cos \ theta}}}), где K — постоянное значение коэффициента формы (0.9–1.84), λ — длина волны рентгеновского излучения, β — уширение линии на половине максимальной интенсивности (FWHM), а θ — угол дифракции [41]. В AEG размеры кристаллитов, составляющих плоскости (002) и (004), составляют 21,52 и 20,05 нм соответственно, что меньше, чем у PG (28,24 и 25,23 нм). Можно видеть, что мелкие кристаллиты AEG ( L _c = 21,52 нм) приводят к улучшенным электрохимическим характеристикам по сравнению с большими кристаллитами PG ( L _c = 28.24 нм) [42]. Однако размеры кристаллитов BEG ( L _c = 34,74 и 28,52 нм) намного больше, чем у PG и AEG. Большие размеры кристаллитов указывают на высокую способность к интеркалированию хлоралюминат-анионов из-за высокого содержания окислительно-восстановительных центров, доступных в отверстиях большого размера или нанопастах для электрохимических реакций. Некоторые исследователи продемонстрировали, что крупные кристаллиты имеют тенденцию легче выравниваться и ориентироваться, чем более мелкие кристаллиты, что приводит к более высокой ориентации кристаллитов [43].

Рис. 3

a XRD-диаграмма, b спектры комбинационного рассеяния, c изотермические кривые BET (вставка; распределение пор BJH по размерам) и d FTIR-спектры для образцов PG, AEG и BEG. Профили XPS для сигналов e C 1 с и f O 1 с для образцов PG, AEG и BEG

На рис. 3b показаны спектры комбинационного рассеяния трех образцов; спектр PG содержит три пика графита, расположенные при 1350, 1580 и 2715 см ^-1 .Полоса D, расположенная при 1350 см ^-1 , связана с типичными дефектами решетки на краях графитовых слоев. Следовательно, эпоксидные группы ковалентно связаны с базисной плоскостью графита. Полоса G при 1580 см ^-1 связана с графитовой углеродной структурой, что означает, что мода колебаний C – C гибридной связи sp ² присутствует на поверхности графита [44]. Соотношения I _D / I _G для PG, AEG и BEG были рассчитаны как 0.086, 0,142 и 0,097 соответственно. Высокое значение I _D / I _G указывает на наличие высококонцентрированного графитового дефекта в графитовых листах. В результате AEG показывает значительно более высокие значения I _D / I _G по сравнению с PG и BEG, что указывает на то, что процесс окисления и термического отшелушивания PG приводит к высокому содержанию кислородсодержащих функциональных групп. Такой процесс может вызвать частичный беспорядок с большим графитовым дефектом на углеродных краях AEG [45, 46].Рамановский спектр PG, AEG и BEG показывает очень маленькие пики между полосами D и G, которые приписываются пику, вызванному дефектами, что указывает на то, что PG содержит дефекты по краям графитовых слоев, и это может быть результатом поверхностных дислокаций, гофрирования , и углеродные вакансии. Следовательно, эти дефектные участки могут иметь многообещающие электрохимические окислительно-восстановительные свойства. Кроме того, 2D-полоса, расположенная при 2715 см ⁻¹ , приписывается комбинационному рассеянию второго порядка зонно-граничных фононов, возникающих из двухфононного двойного резонанса, который тесно связан с электронной зонной структурой графита [44 ].

На рис. 3с показана изотерма Брунауэра – Эммета – Теллера (БЭТ), которая показывает распределение пор по размерам и удельную поверхность частиц графита. Форма изотермы адсорбции / десорбции азота указывает на тип пористой структуры. Изотермы БЭТ трех образцов представили гистерезис типа h3, который соответствует щелевидным порам с неоднородными размерами, согласно IUPAC [47]. Гистерезис типа h3 демонстрирует диапазон петли гистерезиса P / P ₀ давления от 0.5–1. Барретт – Джойнер – Халенда (BJH) показывает распределение пор по размерам трех образцов (вставка на рис. 3c). Размеры пор PG и BEG были большими с широко распределенными в диапазоне 2–10 нм соответственно. AEG также имеет меньший размер пор в диапазоне 2–5 нм, но больший объем пор по сравнению с PG и BEG. Удельная поверхность по БЭТ PG, AEG и BEG составила 7,85, 14,08 и 5,78 м ² г ^-1 соответственно. Следовательно, BEG имеет структуру турбостратного беспорядка с более обнаженными краями графитовых углеродных вакансий, меньшим количеством микропор и отверстиями большого размера или большим количеством нанопор на поверхности (определяемых как дефектные участки с высокой плотностью).Этот результат также хорошо подтверждается результатами испытаний BHJ (вставные изображения на рис. 3c), в которых BEG показал больший диаметр пор в диапазоне 2–10 нм с уменьшенной удельной площадью поверхности (BET: около 5,78 м ² г ⁻¹ ). Вероятно, это связано с наличием дефектных участков большого размера с высокой плотностью на поверхности ГЭГ по сравнению с более турбостратично упорядоченной структурой AEG (более высокая площадь поверхности по БЭТ: примерно 14,08 м ² г ^-1 и меньшие поры размер диаметр: прибл.2–5 нм). Более ранние отчеты также продемонстрировали, что большое количество дырок и дефектов в активных центрах графитовой плоскости, созданных травлением КОН, может обеспечить достаточное количество поперечных каналов для эффективной ионной диффузии, даже в сильно сжатой форме с малой площадью поверхности. Следовательно, наблюдаемые дырки или нановиды большого размера и активные центры дефектов в BEG могут действовать как отличные центры-хозяева для электрохимических реакций, реализуя легкое движение гостевых хлоралюминатных анионов [36, 37].

Природа химических связей трех образцов графита была исследована с помощью инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR), результаты показаны на рис. 3d. Пики FTIR, появляющиеся при 3600, 3000 (дублетные пики), 2350, 1390 и 1060 см. ⁻¹ соответствуют –OH, C – H, C = O, C – OH и C – O соответственно [48, 49]. Пики FTIR AEG более интенсивны, чем пики PG и BEG, что означает, что AEG имеет больше кислородсодержащих функциональных групп в плоскости графита или на краю, индуцированном окислителем.Углерод графита sp ² разрушается окислителем, что приводит к изменению связей sp ³ , связанных со многими функциональными группами [50]. Следовательно, ионы AlCl ₄ ^– и Al ₂ Cl ₇ ^– могут более легко реагировать с кислородсодержащими функциональными группами в поверхностных структурах AEG и BEG. Результаты XRD и HR-TEM показывают, что усадка / расширение в интервале d- образцов AEG и BEG напрямую коррелирует с природой и содержанием различных углерод- и кислородсодержащих функциональных групп в их промежуточном слое и в межслоевом слое. краевые / дефектные пустоты.Следовательно, химический состав углерода и содержание кислородсодержащих функциональных групп в графитовых материалах исследовались преимущественно с помощью РФЭС, и типичные профили РФЭС высокого разрешения для ПГ, АЭГ и БЭГ показаны на рис. 3e, f. Сигнал C 1 s трех различных химически смещенных компонентов для трех образцов, который можно было разложить на два доминирующих пика при примерно 284,2 и 285 эВ, приписывается связям C – C / C = C и связям C – OH соответственно. Небольшой дополнительный пик находится на 286.5 эВ для трех образцов, что относится к карбонильным группам (т.е. связям C = O) [51]. Сигнал O 1 s для трех образцов разделен на два доминирующих пика с центрами при 531,5 и 533 эВ, обусловленных связями C – OH и C = O [52]. Следовательно, профили XPS сигналов C 1 s и O 1 s для BEG показывают, что более низкая энергия связи смещена вправо по сравнению со спектрами PG и AEG (рис. 3e), указывая на то, что большее количество углерода — кислородсодержащие функциональные группы (особенно для групп C – OH / C – O) образовывались при обработке поверхности раствором КОН.Пик C – OH / C – O для BEG был более смещен вправо, чем для AEG и PG, в то время как группы C = O практически не изменились. Этот результат указывает на образование обильных групп C – OH / C – O во время обработки КОН. Атомные проценты углеродных и кислородсодержащих функциональных групп были рассчитаны как 97,78% и 2,22% для PG, 98,07% и 1,93% для AEG и 97,93% и 2,07% для BEG, соответственно (см. Обзорные спектры XPS на рис. S6). . Видно, что содержание кислородных функциональных групп в БЭГ (2,07%) ниже, чем в ПГ (2.22%), демонстрируя восстановление поверхностных кислородсодержащих групп за счет диссоциации в виде групп C – O / C – OH и K при КОН-обработке и отжиге при 800 ° C [37]. Этот процесс генерирует углеродные вакансии на базовой плоскости графита, что приводит к образованию дефектных участков с высокой плотностью и нанопор, дырок большого размера или нанопор, как показано на рис. 1f, i.

Электрохимические характеристики катодов AEG и BEG в AIB.

Кривые CV были измерены для каждого образца в диапазоне потенциалов 0.От 0 до 2,5 В (по сравнению с Al / Al ³⁺ ) при скорости сканирования 0,5 мВ с ^-1 (рис. 4a – c). Можно видеть, что AEG и BEG имеют хорошо разрешенные пики окислительно-восстановительного потенциала по сравнению с пиком PG, который включает четыре пика окисления (зарядка / вставка) во время процесса интеркаляции и три пика восстановления (разрядка / экстракция) во время процесса деинтеркаляции. Это демонстрирует сильно обратимую кинетику (де) интеркаляции хлоралюминат-анионов в AEG и BEG [25]. На вольтамперограмме BEG видны четыре отчетливых пика окисления при 1.9, 2, 2,18 и 2,35 В во время процесса интеркаляции (рис. 4c), которые приписываются интеркалированию ионов AlCl ₄ ^— в меньшую прослойку и край дырок большого размера или нанопастек (дефект сайтов) БЭГ. Соответствующие три пика восстановления находятся при 1,8, 2 и 2,19 В, которые связаны с извлечением ионов AlCl ₄ ^— из меньшего количества прослойки БЭГ и краев дефектных участков. {-} $$

(2)

, где n — молярное отношение атомов углерода к интеркалированным хлоралюминатным анионам в катодах.Сбалансированные концентрации AlCl ₄ ^– и Al ₂ Cl ₇ ^– в электролите обеспечивали оптимальную зарядную емкость на катоде. Имеется большое количество ионов AlCl ₄ ^— для зарядки / интеркаляции в катоде (уравнение 1) и достаточная концентрация Al ₂ Cl ₇ ^— для разряда / электроосаждения на аноде (уравнение 2) . В ионном жидком электролите AlCl ₃ / [EMIm] Cl анионы хлоралюмината предпочтительно перемещаются через электролит [1].Кроме того, AEG и BEG показывают более высокую интенсивность тока на своих CV-кривых по сравнению с PG, демонстрируя высокую поляризацию для электрохимической интеркаляции ионов AlCl ₄ ^— в промежуточные слои, на краях или в местах дефектов (дырки или нановиды) ) AEG и BEG. Эти результаты дополнительно подтверждаются контролируемыми диффузией процессами AEG и BEG в электролите (рис. 7). Пик окисления, расположенный выше 2,45 В, связан с разложением электролита или реакцией окисления, происходящей на поверхности Мо [54].

Рис. 4

a – c CV-кривые и d – f профили напряжения заряда-разряда при плотности тока 4 A g ⁻¹ от 1-го до 1000-го циклов для образцов PG, AEG и BEG . г Циклическая стабильность выборок PG, AEG и BEG при скорости тока 4 А г ^-1 и ч возможность скорости выборок PG, AEG и BEG при различных плотностях тока от 1 до 20 А g ⁻¹

Чтобы исследовать влияние распределения окислительно-восстановительных центров на (де) -интеркаляционную способность катодов PG, AEG и BEG, гальваностатические циклические зарядно-разрядные циклы в ячейках AIB были выполнены при высоком токе. плотность 4 A г ⁻¹ , как показано на рис.4г – е. Оптимизированные элементы, работающие при 25 ° C, обеспечивали начальную удельную разрядную емкость 54,5 мАч г ^-1 для PG, 73,6 мАч г ^-1 для AEG и 85,7 мАч г ^-1 для BEG с CE приблизительно 86,3%, 95,8% и 94,3% соответственно. Кроме того, все три образца показали три различных плато зарядного напряжения и два плато разрядного напряжения, о чем свидетельствуют их профили дифференциальной емкости-напряжения (dQ / dV) (рис. S7). Два основных и одно второстепенное плато напряжения заряда трех образцов находятся на уровне ~ 1.8, ~ 2 и ~ 2.35 В, а плато разрядного напряжения появились при ~ 2.2 В и ~ 1.7, которые хорошо согласуются с основными окислительно-восстановительными пиками, обнаруженными на ВАХ (рис. 4a – c). Эти три плато зарядного напряжения связаны с интеркалированием ионов AlCl ₄ ^— в промежуточные слои и на поверхностные дефектные структуры PG, AEG и BEG. Наличие промежуточных слоев, микропор и поверхностных дефектных структур могло бы привлечь больше ионов AlCl ₄ ^— и позволить проникнуть в большой объем ионных жидкостей для улучшения катодной емкости.Следовательно, этот процесс мультиинтеркаляции обеспечивает увеличение емкости за счет существующих двух основных и одного второстепенного плато заряда на кривых заряда катодов PG, AEG и BEG (рис. 4d-f). Кроме того, следует отметить, что значительный сдвиг произошел в плато напряжения разряда всех трех ячеек AIB на основе PG, AEG и BEG после начальных циклов (рис. 4d-f). В частности, PG продемонстрировал более значительный сдвиг к плато с более высоким напряжением в последующем цикле заряда-разряда по сравнению с AEG и BEG, демонстрируя высокую поляризацию в катоде PG во время введения / экстракции хлоралюминатных анионов.На рис. 4g показаны циклические характеристики катодов PG, AEG и BEG при высокой плотности тока 4 A g ^-1 . Удельные мощности PG, AEG и BEG постепенно увеличивались от 1-го до 250-го цикла. После цикла более 250 циклов удельная емкость PG, AEG и BEG быстро увеличилась до 82, 88 и 110 мАч g ^-1 соответственно. Впечатляюще, BEG продемонстрировал самую высокую начальную удельную емкость 85,7 мАч g ^-1 в первом цикле и сохранил емкость 110 мАч g ^-1 в течение 1000 циклов по сравнению с PG и AEG.Чтобы исследовать способность к скорости, удельные емкости трех образцов были установлены путем применения высокой плотности зарядного тока от 1 до 20 A g ^-1 в течение 200 последовательных циклов, как показано на рис. 4h. Все три ячейки сначала подвергали циклическому воздействию при высокой плотности тока 4 A g ^-1 в течение 200 циклов для получения стабильных состояний циклирования и активации электрода перед тестом на возможность изменения скорости. В результате BEG продемонстрировал разрядную емкость ~ 116 мАч г ^-1 при 1 А г ^-1 , ~ 110 мАч г ^-1 при 4 А г ^-1 , ~ 108 мАч г ^{— 1} при 5 A g ⁻¹ и ~ 101 мАч g ⁻¹ при 10 A g ⁻¹ .Даже при сверхвысоком уровне тока 20 А (г) ^-1 , BEG показал наивысшую удельную емкость 85 мА · ч г ^-1 , что указывает на значительно лучшую способность интеркаляции хлороалюминатных анионов, чем у PG (42 мА · ч г ^{— 1} ) и AEG (66 мАч г ^-1 ). Когда плотность тока быстро переключалась с высокой (20 A g ⁻¹ ) на низкую (4 A g ⁻¹ ), BEG демонстрировал самую высокую обратимую удельную емкость ~ 110 mAh g ⁻¹ по сравнению с по сравнению с PG (66 мАч г ^-1 ) и AEG (92 мАч г ^-1 ).Эти результаты в основном приписываются следующим критериям высокой эффективности: (i) увеличенное расстояние d- BEG и турбостратно-неупорядоченные структуры с обильными отверстиями большого размера или большим количеством нановидностей на поверхности BEG для обеспечения высокой проницаемости электролита и AlCl _{. 4} ^— / Al ₂ Cl ₇ ^— динамика диффузии ионов между ионным электролитом и катодом; (ii) непрерывная электронная / проводящая заряд матрица / каналы в слоях BEG за счет распределения внутренних активных центров, что обеспечивает быструю, обратимую кинетику интеркаляции / экстракции хлоралюминат-анионов, эффективный перенос заряда / тока и уменьшение внутренней поляризации. {1/2} $$

(3)

, где i _p — максимальный пиковый ток окислительно-восстановительной реакции, n — количество электронов, перенесенных в окислительно-восстановительной реакции (~ 1), A (см ² ) — рабочий электрод площадь, D (см с ^-1 ) — коэффициент диффузии, C (моль см ^-3 ) — концентрация реакционных частиц в AlCl ₃ / [EMIm] Cl и v (V s ^-1 ) — это скорость сканирования CV.Коэффициенты диффузии ( D _o ) всех окислительно-восстановительных пиков для PG, AEG и BEG (рис. S8), а общие результаты собраны в таблице S1. BEG показывает самые высокие значения D _o на всех пиках окислительно-восстановительного потенциала по сравнению с таковыми для PG и AEG. В частности, BEG демонстрирует D _o ~ 5,8 × 10 ^–6 см ² с ^-1 на основе максимальной интенсивности пика окисления, расположенного при 2 В, и D _o ~ 6.82 × 10 ^–6 см ² с ⁻¹ для максимальной интенсивности пика восстановления, появляющегося при 2,2 В. Кроме того, коэффициенты диффузии AlCl ₄ ^— относительно скорости диффузии в PG (5,27 × 10 ^–6 см ² с ^–1 ), AEG (5,71 × 10 ^–6 см ² с ^–1 ) и BEG (5.80 × 10 ^–6 см ² с ^-1 ), примерно в 2390-2640 раз быстрее или больше, чем у объемного графита и нескольких слоев графеновых пленок (графитовой пены), как обобщено и дано подробное описание AlCl ₄ ^{— Коэффициент диффузии ионов} в таблице S2.Эти результаты убедительно указывают на то, что хлоралюминатные анионы хорошо диффундируют через многочисленные отверстия большого размера или нанопоры на краях или в дефектных участках поверхности БЭГ, а также его широкие графитовые прослойки, что приводит к превосходным электрохимическим хлоралюминатным анионам с высокой скоростью. поведение при хранении и превосходная длительная циклическая стабильность BEG (рис. 5). График площади электрохимической поверхности (ECSA) для каждой скорости сканирования и расстояния в изменении плотности тока были получены из кривых циклической вольтамперометрии (рис.S9). Наклон графика ECSA указывает на относительно более высокую электрохимически активную площадь поверхности для BEG (0,468), чем у PG (0,448) и AEG (0,433). График для BEG также имеет увеличенную электрохимически активную площадь поверхности, что указывает на достижимую высокую удельную емкость. Следовательно, BEG обеспечивает чрезвычайно высокую скорость электрохимической интеркаляции анионов хлоралюмината по сравнению с PG и AEG. Таким образом, только BEG был выбран для дальнейших электрохимических испытаний, таких как долговременная циклическая стабильность при различных высоких скоростях зарядки, различные испытания емкости заряда-разряда, показатели производительности AIB при сверхвысоких скоростях зарядки, анализ импеданса при различных окислительно-восстановительных потенциалах, определение отношения емкости / диффузии и посмертный анализ различных состояний электродов БЭГ с использованием различных методик.

Рис. 5

Электрохимические характеристики катода БЭГ. a Оцените производительность для каждой плотности тока и b соответствующие профили напряжения заряда-разряда a . c Циклическая стабильность при быстрой скорости зарядки 10 A g ⁻¹ и медленной скорости разрядки 4 A g ⁻¹ более 1000 циклов, d Допустимая скорость при постоянной скорости зарядки 5 A g ^{— 1} с различными скоростями разрядки и e Сверхдлительная циклическая стабильность при высокой плотности тока 10 A g ⁻¹ более 10 000 циклов.Графики Найквиста для различных потенциалов окисления f, (интеркаляция) и g, потенциалов восстановления (деинтеркаляция) и циклических электродов при часах , окислительном потенциале 2,35 В и i Восстановительном потенциале 2,19 В

Электрохимическое циклирование Стабильность БЭГ оценивалась путем зарядки-разрядки при самых высоких скоростях зарядки в диапазоне от 1 до 10 А g ^-1 в течение 20 последовательных циклов, как показано на рис. 5a, b. БЭГ показал высокую удельную емкость 116 мАч g ^-1 во время разряда и 124 мАч g ^-1 во время зарядки при плотности тока 1 А г ^-1 (рис.5а). При максимальной скорости 10 A g ^-1 удельная емкость поддерживалась на уровне 88 мАч g ^-1 в течение 20 циклов с постепенным увеличением CE до 93% и в конечном итоге стабилизировалась на уровне почти 100%. Видно, что значения CE ниже 100%, наблюдаемые при плотности тока 1 и 2 A g ^-1 , что можно отнести к частично необратимым реакциям, участвующим в формировании благоприятных межфазных границ на катоде и аноде. ячейки. Кроме того, присутствие избыточного количества Al в процессе зарядки приводит к тому, что разрядная емкость немного превышает начальную емкость.На рис. 5б показан соответствующий профиль зарядно-разрядного напряжения, который согласуется с результатом, полученным на рис. 4е. Примечательно, что способность (де) интеркаляции хлоралюминат-анионов БЭГ снижается с увеличением плотности тока, что объясняется тем фактом, что на сверхвысокие скорости зарядки, как правило, может влиять сопротивление ячейки БЭГ из-за недостаточного смачивания электрода [ 55]. Для многих практических энергетических приложений, таких как LIB, это стратегически весьма важно для непрерывного использования в течение длительного периода времени (низкая скорость разряда) и полного процесса зарядки за очень короткое время (высокая скорость заряда) в AIB, потому что кинетическая разница между быстрая зарядка и медленная разрядка могут вызвать ухудшение или снижение производительности аккумуляторной системы.Таким образом, практическая стабильность AIB на основе катода БЭГ была оценена путем быстрой зарядки при 10 A g ^-1 (около 30 с) и медленной разрядки при 4 A g ^-1 за 1000 циклов (рис. 5в). Процесс обеспечивает наивысшую удельную емкость зарядки / разрядки 98,8 / 97,6 мАч g ⁻¹ за 1000 циклов с сохранением емкости почти 100% и стабилизацией CE на уровне более 99,7%. Эти особенности предполагают, что процесс медленной разрядки и быстрой зарядки может быть отнесен к кинетике внедрения / экстракции быстрых хлоралюминат-анионов в последующих циклах из-за широкого распределения окислительно-восстановительных центров и меньшего количества нанопор на краях и дефектных сайтов (отверстия большого размера или нановиды) в БЭГ.Кроме того, фиг. 5d иллюстрирует быстродействие BEG при постоянной скорости зарядки 5 A g ^-1 и при изменении скорости разрядки от 2 до 10 A g ^-1 ; нет четкой разницы в удельной емкости при изменении скорости разряда. При начальной скорости 2 A g ^-1 , BEG показал CE 98%, а затем в конечном итоге приблизился к 99,9% при высокой скорости тока 10 A g ^-1 . Этот результат демонстрирует, что такая высокая скорость зарядки и переменная скорость разрядки могут быть применимы во многих практических системах хранения энергии, таких как общественный транспорт и сотовые телефоны.Чтобы оценить сверхдлительную стабильность цикла, элемент AIB на основе катода BEG был подвергнут быстрой плотности тока 10 A g ^-1 в течение 10 000 циклов (рис. 5e). Было обнаружено, что BEG продемонстрировал самый длинный жизненный цикл (более 10 000 циклов) без потери емкости, а также колебаний по сравнению с PG и AEG (рис. S10). Катод BEG показал наивысшую удельную разрядную емкость ~ 92 мАч g ^-1 после 10000 циклов по сравнению с AEG (~ 80 мАч g ^-1 ), с отличным сохранением емкости почти 100%.Этот результат указывает на сверхдлительный срок службы катодов AEG и BEG, циклически повторяемых более 10 000 раз (рис. 5e и S10). Как показано на изображениях SEM (рис. 1 и S3) и изображениях TEM (рис. 2), BEG имеет меньшее количество слоев графена и турбостратную неупорядоченную структуру из-за нерегулярной деформации поверхности (т. Е. Высокой плотности дефектов), в основном увеличенное расстояние d ( d ₀₀₂ = 0,3384 нм), в то время как AEG показала более турбостратно упорядоченную структуру (менее открытые участки графитового углерода на краях в структуре графена), покрытые обильными порами от микро- до наноразмеров и расширенные d — интервал ( d ₀₀₂ = 0.3371 нм). Следовательно, наличие такой высокой плотности дефектных центров (то есть участков с обнаженным краем графитового углерода и больших отверстий или большего количества нанопор) на поверхности катода БЭГ может привлекать и адаптировать больше ионов AlCl ₄ ^— с относительно более короткими глубина проникновения во время процесса заряда (более емкостный процесс, показанный на рис. S13) по сравнению с катодом AEG. Следовательно, быстрая интеркаляция и последовательный перенос большего количества ионов AlCl ₄ ^— на всю поверхность и промежуточный слой BEG способствовали обеспечению превосходной емкости накопления заряда с наибольшим сроком службы по сравнению с катодом AEG.Напротив, PG-катод имеет удельную емкость ~ 48 мАч g ^-1 с нестабильной циклической стабильностью от 3000 до более 10 000 циклов (рис. S10). Вероятно, это связано с ухудшением смачиваемости PG-электрода и менее длительными активными процессами, возникающими из-за структуры в форме картофеля с однородно расширенными графитовыми слоями (т.е. отсутствием микропор и отверстий или нанопор на поверхности), и, следовательно, PG показал предел достижимые нагрузки ионов AlCl ₄ ^— во время процесса заряда.

Превосходные электрохимические характеристики BEG были исследованы с помощью спектроскопии электрохимического импеданса (EIS) при различных напряжениях процесса внедрения / извлечения хлоралюминат-ионов, как показано на рис. 5f – i и соответствующем дополненном двумерном EIS (рис. S11a и б) с эквивалентной схемой (рис. S11c), и все компоненты импеданса собраны в таблице S3. R _e — это сопротивление электролита (раствора) в начальной области на действительной оси, R _ct — это сопротивление переноса заряда (или сопротивление поляризации), а CPE _dl — элемент постоянной фазы емкости двойного слоя, который параллелен R _ct и сопротивлению Варбурга ( Z _w ).Диаметр полукругов в области высоких и средних частот указывает на R _ct и CPE _dl . В области низких частот Z _w указывает на диффузию хлоралюминатных ионов в объеме электрода. Из таблицы S3 видно, что все пики окислительно-восстановительного потенциала имеют идентичные R _e ~ 1,5 Ом, а R _ct предполагает более низкие значения для потенциалов окисления (AlCl ₄ ^— вставка; Рис.5f), а не потенциалы восстановления (экстракция AlCl ₄ ^— ; рис. 5g), что указывает на преимущественное внедрение / перемещение хлоралюминатных анионов на поверхности электрода БЭГ. На рисунке 5h, i показаны графики Найквиста 1-го, 10-го, 100-го и 1000-го циклов для основного окислительного потенциала при 2,35 В и восстановительного потенциала при 2,19 В. Когда количество циклов увеличилось с 1 до 100, значения R _ct и R _e были менее выражены, чем у 1000-го цикла (рис.S11а, б). Однако разница в R _e на 1000-м цикле составила ~ 0,27 Ом, что незначительно. Таким образом, результаты EIS для сверхдолгосрочной циклической стабильности ячейки BEG в течение 10000 циклов указывают на отсутствие резкого изменения сопротивления ячейки во время цикла заряда-разряда, демонстрируя превосходные электрохимические характеристики катода BEG в AIB по сравнению с катодами PG и AEG. .

Энергия и удельная мощность батареи выражаются графиком Рагона, как показано на рис.6. На основании измеренной емкости катода и плотностей тока плотность энергии и удельная мощность для БЭГ были рассчитаны как 247 Вт · ч · кг ^-1 и 44,5 кВт · кг ^-1 при 10 А · г ^-1 , соответственно. AEG также обеспечивает высокую плотность энергии (201 Вт · ч, ⁻¹ ) и удельную мощность (24,4 кВт · кг, ⁻¹ ). Сводные графики на рис. 6a показывают, что BEG демонстрирует превосходные показатели производительности AIB с точки зрения плотности энергии по сравнению с показателями для современных графитовых углеродных материалов, о которых сообщалось ранее, таких как графитовая пена [1], бездефектный графен [18]. ], углерод с матричным цеолитом [23], мезопористый порошок восстановленного оксида графена (rGO) [56], чешуйки графита Киша [57] и мелкочешуйчатый природный графит [53] (Таблица S4).На рисунке 6b показан график Ragone зависимости плотности энергии от удельной мощности нашей системы Al / BEG, демонстрирующий превосходные запасы энергии для AIB по сравнению с коммерческими литий-ионными батареями, суперконденсаторами и электролитическими конденсаторами. Кроме того, система Al / BEG показывает более высокую удельную мощность, чем полная ячейка.

Рис. 6

График Рагона зависимости плотности энергии от плотности мощности для катодов AEG и BEG: сравнение с современными графитными углеродными материалами a , о которых сообщается в литературе, и b другими системами накопления энергии

Электрохимическое исследование поведения ионов на катодах БЭГ

Чтобы лучше понять превосходные электрохимические характеристики электрода БЭГ, механизм накопления заряда и кинетика реакции были дополнительно изучены в соответствии с методом Данна [58, 59], в котором использовалась CV.Электрохимическая кинетика электрода БЭГ определяется процессами, контролируемыми диффузией и емкостью; важно знать, какой процесс является доминирующим. Емкостной эффект характеризуется анализом постоянного тока при различных скоростях сканирования, как показано на рис. 7a. Текущий отклик ( i ) выражается степенным законом:

, где i — ток, v — скорость развертки, a — константа, а b — важный индикатор кинетика накопления заряда [60].Тип вклада обозначается значением b , которое определяет наклон графика log v относительно log i (рис. 7b). Когда b = 1, доминирующим механизмом накопления заряда является управляемый поверхностью емкостной процесс на поверхности электрода. Однако b = 0,5, предполагая, что накопление заряда контролируется диффузией [61]. На рисунке 7b показаны значения b BEG для каждого окислительно-восстановительного пика, которые составляют ~ 1, за исключением пиков, расположенных на O1 ( b = 0.512) и R1 ( b = 0,714), что указывает на то, что процесс заряда-разряда в электроде БЭГ имеет преимущественно емкостные характеристики, контролируемые поверхностью. Токовый отклик ( i ) при потенциале (V) можно количественно разделить с помощью уравнения, состоящего из двух частей, учитывающего поверхностные емкостные эффекты ( k ₁ v ) и вставку, управляемую диффузией ( k _{). 2} v ^1/2 ):

$$ i \ left (V \ right) = k_ {1} v + k_ {2} v ^ {1/2} $$

преобразуется в

$$ i \ left (V \ right) / v ^ {1/2} = k_ {1} v ^ {1/2} + k_ {2} $$

, где v — скорость сканирования.Процент емкости можно определить, получив значения кОм ₁ и кОм ₂ . Можно определить относительный вклад и общий накопленный заряд, связанный как с емкостным, так и с введением ионов AlCl ₄ ^— [62, 63]. Соотношение вкладов емкостных эффектов было оценено при скорости сканирования 0,5 мВ с ^-1 , как показано на рис. 7c. Оранжевым отмечена область реакции с контролируемой диффузией, что составляет примерно 35.54% от общего накопленного заряда. Синяя область указывает на вклад емкостных эффектов, который составляет примерно 64,46%. При увеличении скорости сканирования доля области с емкостным управлением (синий) была выше, чем в области с контролируемой диффузией (оранжевый), как показано на кривых вклада с контролируемой диффузией / емкостью (рис. S12). Суммарные отношения вкладов емкостных и диффузионных процессов в электроде EPG при различных скоростях сканирования показаны на рис.7г. Следует отметить, что процент емкостной области постепенно увеличивается по мере увеличения скорости сканирования от 0,5 до 10 мВ с ^-1 . Соотношения 55,92% и 85,01% в основном являются результатом процесса с емкостным управлением при 0,5 и 10 мВ с ^-1 , соответственно. Эти результаты убедительно указывают на то, что превосходные характеристики скорости BEG для AIB происходят из-за высокой степени вклада процесса с емкостным управлением. Это указывает на доминирующее емкостное поведение во время процесса заряда-разряда электрода БЭГ при сохранении кинетики быстрой окислительно-восстановительной реакции и независимого от скорости поведения во время циклирования.С увеличением скорости сканирования доля контролируемого диффузией процесса уменьшалась из-за недостаточного времени для ионов AlCl ₄ ^— для предпочтительной вставки во внутренние активные центры электрода БЭГ [64]. Кроме того, общие отношения вкладов емкостных и контролируемых диффузией процессов PG, AEG и BEG показали, что емкостный характер (синяя область) увеличивается с увеличением скорости сканирования, что приводит к линейной зависимости (рис. S13).Наклон показывает, что графиты с модифицированной поверхностью имеют больше центров электрохимической реакции для эффективного накопления ионов хлоралюмината. У AEG было самое высокое значение наклона 4,569 по сравнению с PG (4,521) и BEG (3,701), что указывает на максимальное количество реакционных сайтов. Тем не менее, БЭГ имеет более крупную емкостную область из-за множества отверстий большого размера или большего количества нановидных образований и дефектных участков на поверхности графитовых слоев БЭГ. Возможная причина заключается в том, что электрохимические величины (т.е.е. скорость переноса электронов, емкость и плотность электронных состояний) в основном зависят от плотности дефектов базисной плоскости графита. Как показано на изображениях SEM (фиг. 1 и S3) и изображениях TEM (фиг. 2 и S4), BEG содержит дефектные участки высокой плотности на поверхностной структуре с отверстиями большого размера или большим количеством нанопастек по сравнению с AEG. Вот почему BEG показал больший диаметр пор в диапазоне 2–10 нм со значительно уменьшенной расчетной площадью поверхности (BET: ~ 5,78 м ² г ^-1 ) по сравнению с AEG (более высокая площадь поверхности BET: ~ 14.08 м ² г ⁻¹ и уменьшенный диаметр пор: 2–5 нм). В результате эти отверстия большого размера или большее количество нанопространств на поверхности / краю дефекта БЭГ будут притягивать и адаптировать больше ионов AlCl ₄ ^— за счет проникновения большого объема ионных жидкостей, создавая надежную псевдемкостную величину накопления заряда по сравнению с к с PG и AEG (рис. S13). Следовательно, BEG продемонстрировал большую долю емкостного эффекта во всей емкости по сравнению с AEG и PG.

Рис.7

a CV-кривые для катода БЭГ при различных скоростях сканирования, b b -значения при разных окислительно-восстановительных напряжениях, c Соотношение вкладов емкостного и контролируемого диффузией процесса при скорость сканирования 0,5 мВ с ⁻¹ и d Коэффициент вклада общей емкости для различных скоростей сканирования

Для сравнения микроструктур поверхности BEG до и после заряженных / разряженных циклических электродов, SEM – энергодисперсионный X- лучевое (SEM – EDX) картирование электродов ГЭГ за 1000 циклов показано на рис.8a – c. Перед циклированием чистый электрод микроструктуры БЭГ имел гладкую поверхность с высокой концентрацией углерода и более низким содержанием Al и Cl (рис. 8а). Однако поверхности электродов после циклирования имеют, казалось бы, размытые пленки, как видно на изображениях SEM на рис. 8b, c, что в основном связано с разложением электролита и побочными реакциями, происходящими во время процессов зарядки и разрядки. Изображения SEM-EDX ясно показывают сильные сигналы элементов Al и Cl, равномерно распределенные по всей поверхности электрода БЭГ в заряженном состоянии 2.45 В. Кроме того, распределение сигналов этих элементов (Al и Cl) было заметно слабее в разряженном состоянии (0,0 В). Эти результаты являются убедительным доказательством того, что AlCl ₄ ^— предпочтительно внедряется в дефектные участки (то есть в отверстия или нанопоры большого размера) графитовых слоев БЭГ во время процесса зарядки; этот вывод подтверждается более размытой поверхностью пленки в заряженном состоянии и сильными сигналами Al и Cl на рис. 8б [64]. Более того, оставшиеся сигналы Al в полностью разряженном состоянии предположительно приписываются необратимому внедрению частиц Al (AlCl ₄ ^— и Al ₂ Cl ₇ ^—) в графитовые слои по краям или участки дефекта (рис.8c). Слабые сигналы Cl также наблюдались в разряженном состоянии, что приписывается необратимым побочным реакциям между углеродом sp ² и частицами Cl ^— при высоких напряжениях [65]. Ex-situ XPS-исследования были проведены для выявления химического состояния электродов БЭГ в состояниях зарядки / разрядки. На рис. 8d – f показаны XPS-профили сигналов C 1s, Al 2p и Cl 2p для исходного электрода BEG, электрода BEG, полностью заряженного до 2,45 В, и электрода BEG, разряженного до 0.0 В соответственно. XPS-профиль сигналов C 1s показывает два доминирующих пика при 284,3 и 286 эВ для исходного, заряженного и разряженного состояний электрода БЭГ (рис. 8d), которые соответствуют энергиям связи связей C – C / C = C. и группы C – OH соответственно. Небольшой пик, возникающий при 290 эВ, можно отнести к группам CF ₂ связующего PVDF в электроде БЭГ [66]. Когда электроды были полностью заряжены до 2,45 В и разряжены до 0,0 В, интенсивности доминирующих пиков C – C / C = C и C – OH заметно уменьшаются, демонстрируя уменьшение окислительно-восстановительных центров и групп C – OH как в результате внедрения AlCl ₄ ^— в многоканальную, открытую, дефектную, дырочную или нановидную структуру БЭГ.На рис. 8e, f показано, что пик Al 2p (74,5 эВ) и пик Cl 2p (200,5 эВ) становятся более выраженными в полностью заряженном состоянии (2,45 В) по сравнению с полностью разряженным состоянием (0,0 В). Эти пики относительно слабы для исходного электрода БЭГ. Профиль XPS сигнала Cl 2p показывает уменьшение интенсивности пика органического Cl 2p _1/2 (202,1 эВ) после разряда до 0,0 В, демонстрируя образование связей C – Cl в результате деинтеркаляции. ионов AlCl ₄ ^—.Эти результаты показывают интеркалирование AlCl ₄ ^— и Al ₂ Cl ₇ ^— во время процесса зарядки [67, 68]. Более того, значительное уменьшение сигналов элементов Al и Cl было очевидно в полностью разряженном состоянии, что указывает на извлечение ионов AlCl ₄ ^— . Ex situ XRD также использовался для мониторинга изменений кристаллической структуры в различных состояниях электрода БЭГ, как показано на рис. 8g, h. Когда заряженное состояние равно 2.45 В, интенсивность пика плоскости (002) снижена по сравнению с исходным BEG. Это может быть связано с внедрением ионов AlCl ₄ ^— в дырки или нановиды большого размера и на краях / дефектах слоев БЭГ во время процесса зарядки. Когда электрод БЭГ был полностью разряжен до 0,0 В, пик плоскости (002) увеличился по интенсивности по сравнению с заряженным состоянием, демонстрируя извлечение ионов AlCl ₄ ^— из дефектных участков слоев БЭГ.Кроме того, пик плоскости (002) значительно смещен в сторону более низких значений 2 θ (2 θ = 26,52 °, d ₀₀₂ ~ 3,367 Å) в заряженном состоянии (2,45 В) относительно этого в исходном (2 θ = 26,56 °, d ₀₀₂ ~ 3,362 Å) и в разряженном состоянии (2 θ = 26,55 °, d ₀₀₂ ~ 3,363 Å). Этот результат убедительно свидетельствует о том, что механизм накопления энергии ГЭГ включает в себя включение большего количества ионов AlCl ₄ ^— в открытые участки графитного углерода и отверстия или нанопасточки большого размера в слоях БЭГ [67].Этот механизм интеркаляции AlCl ₄ ^— был дополнительно подтвержден рамановской спектроскопией ex situ электродов БЭГ в состояниях заряда и разряда, как показано на рис. 8i, j. Спектры комбинационного рассеяния показали два основных пика при 1350 и 1592 см ^-1 , соответствующие полосам D и G, соответственно. Эти пики становятся более интенсивными и смещаются в сторону более низкой частоты комбинационного рассеяния (1591,5 см, ^-1, ) при заряде до 2,45 В по сравнению с пиками в разряженном состоянии и исходными электродами БЭГ.Соотношения I _D / I _G для исходного, заряженного и разряженного состояний электрода БЭГ были рассчитаны как 0,045, 0,138 и 0,063, соответственно (рис. 8i). Эти результаты убедительно показывают, что ионы AlCl ₄ ^— в основном участвуют в накоплении энергии во время процесса зарядки. Полоса 2D также стала шире со значительным увеличением интенсивности при 2,45 В по сравнению с полосой разряженных и чистых электродов. Более того, пик полосы G для заряженного и разряженного состояний смещен в область более низких частот (1581.7 и 1581,9 см ^-1 соответственно) относительно исходного состояния (1584,1 см ^-1 ), как указано стрелкой на фиг. 8j. На рис. 8k представлена ​​принципиальная схема введения / извлечения AlCl ₄ ^— в графитовые слои БЭГ. В процессе зарядки хлоралюминат-анионы (AlCl ₄ ^— и ионы Al ₂ Cl ₇ ^— ) вставляются в графитовые листы через отверстия большого размера или нановидные поверхности, края и участки дефектов, которые могут быстро образовываться. кинетика введения.Кроме того, когда ионы AlCl ₄ ^— извлекаются из слоев BEG (процесс разряда), что обеспечивает быструю, обратимую кинетику экстракции и эффективный перенос заряда. В сравнительной таблице представлены наши результаты (Таблица S5), которые показывают, что катоды из графита с обработанной поверхностью (AEG и BEG) имеют превосходные показатели производительности AIB с точки зрения высокой удельной емкости при сверхвысоких скоростях зарядки; сверхстабильный, долгий срок службы до 10 000 циклов; и КЭ, стабилизированный почти на 100% по сравнению с показателями современных графитовых углеродных материалов, о которых сообщалось ранее.Мы также суммировали внедрение различных технологий, которые могли бы генерировать адекватные различные поверхностные дефекты на графитовых углеродных материалах, и их влияние на (де) интеркаляционную способность, как показано в Таблице S6. Среди различных методов обработки поверхностных дефектов с различной высокой плотностью, таких как вакансионные отверстия и многоугольники, глубокие кратеры, дефекты большого размера, трехмерная сетка и нановиды, регулярность пор с большим объемом и фрагментированные частицы, наши методы кислотной и щелочной обработки -травленое лечение (т.е., AEG и BEG), как было показано, оказывают сильное влияние на притяжение и поглощение большего количества ионов AlCl4 — за счет проникновения ионных жидкостей большого объема в поверхностные дефекты, а не только катодных материалов с модифицированной поверхностью / пространством, что в конечном итоге приводит к лучшему производительность AIB при сверхбыстрых токах зарядки. Таким образом, эти результаты показали, что увеличение промежутка между графитом d , образование открытых участков графитового углерода, отверстий большого размера или большего количества нанопорок на краях / дефектах в графитовой плоскости более выгодны для достижения эффективной динамики диффузии и обратимости (de ) -интеркаляция анионов хлоралюмината в сторону чрезвычайно высокой емкости хранения и стабильной работы в AIB.

Рис. 8

SEM – EDX-анализ a нетронутого, b заряженного и c разряженного электрода BEG. Профили XPS сигналов d, C 1s, e, Al 2p и f, Cl 2p, g, рентгенограммы, h — увеличенный спектр пиков плоскости (002) для различных состояний электрода БЭГ. — Рамановский спектр для различных состояний исходного, заряженного и разряженного БЭГ-электрода и — — увеличенный спектр пиков G-полосы для сравнения. k Принципиальная схема транспортировки хлоралюминат-анионов в электрод БЭГ во время цикла заряда-разряда

Литий-металлический анод для аккумуляторов

Литий-металлический анод для аккумуляторов

Мун Сек Ким

23 октября 2020 г.

Представлено как курсовая работа для Ph340, Стэнфордский университет, осень 2020 г.

Преимущества использования литий-металлических анодов

Фиг.1: Площадь металлического анода Li Q A в сравнении с толщиной Li T Li , вычисленной с использованием Уравнение (1). (Источник: М.С. Ким)

Металлический литий — идеальный анодный материал для лития. батареи из-за следующих свойств. [1]

• Низкая плотность: 0,534 г · см ^-3

• Низкий потенциал восстановления: -3,04 В по сравнению с SHE

• Высокая теоретическая удельная емкость: 3861 мАч г ^-1 и 2061 мАч см ^-3

Низкая плотность Li помогает уменьшить общее количество элементов масса и объем, что помогает улучшить как гравиметрические, так и объемные емкости и плотности энергии литиевой батареи.Кроме того, низкий восстановительный потенциал Li позволяет ячейке работать при относительно высоком уровне заряда ячейки. напряжение, которое также увеличивает плотность энергии литиевой батареи.

Теоретические гравиметрические и объемные емкости металлического анода Li

Q г	=	n · F · M w = 3861,328 мАч г -1
Q v	=	Q г · ρ = 2061.949 мАч см -3

где

Q г	≡	Гравиметрическая емкость Li [мАч г -1 ]
n	≡	Количество переданных электронов = 1
ф	≡	Постоянная Фарадея = 26,8014814 [Ач-моль -1 ]
M w	≡	Молекулярная масса Li = 6.941 [г моль -1 ]
Q v	≡	Объемная емкость Li [мАч см -3 ]
ρ	≡	Плотность Li = 0,534 [г · см -3 ]

Вычисленные выше значения грузоподъемности являются верхними. предел всех возможных анодных материалов, которые могут быть использованы в качестве анод для литиевых батарей, что означает, что литий по своей природе является самым высоким энергоемкий анодный материал для литиевых аккумуляторов.[1-3] Однако эти теоретические значения трудно достичь в реальности, так как высокие химические и электрохимическая активность Li вызывает побочные реакции во время батарея работает на велосипеде. [4]

Повышение плотности энергии батареи за счет замены графита на Li Металлический анод

В общем, есть два типичных источника энергии. метрики плотности для аккумуляторов: 1) гравиметрическая плотность энергии (энергия хранится на единицу веса батареи) и 2) объемная плотность энергии (энергия, запасенная на единицу объема батареи).Низкая плотность Li помогает улучшить гравиметрическую и объемную плотности энергии за счет уменьшение веса и объема анода в аккумуляторах. Его низкое сокращение потенциал необходим для увеличения рабочего напряжения ячейки (V _ячейка ).

Графитовый анод широко используется в коммерческих литий-ионных батареях. аккумуляторы (LiB). Графитовый анод демонстрирует теоретические особенности емкость 372 мАч г ^-1 . Сравнение расчетных теоретических емкость Li (3861 мАч г ^-1 ), металлический анод Li вмещает около 10 в разы более высокая удельная емкость, чем у графита.Однако основная емкость, определяющая удельную энергию батареи, — это разрядная емкость, зависящая от катода. Это потому, что электрическая энергия получается от аккумулятора во время разряда процесс. С другой стороны, емкость анода определяет общую количество накопленных ионов Li в процессе зарядки. В целом неравное соотношение емкостей анода и катода используется, когда построение литиевых батарей. Соотношение емкостей анода ( отрицательный электрод) и катод (положительный электрод), известный как N / P соотношение, является важным параметром проектирования ячейки для определения практического производительность аккумулятора и удельная энергия.[2] Приведенные ниже уравнения проиллюстрируйте, как рассчитывается удельная энергия батареи.

Рис. 2: Левое изображение представляет обычная конструкция литий-ионного элемента с проектируемым гравиметрическая и объемная плотности энергии. Правильное изображение представляет собой структуру ячейки Li-Metal в заряженном состоянии с N / P = 0.2 вместе с проектируемыми гравиметрическим и объемным плотности энергии. Прогнозируемые значения взяты из Альбертус и др. [4] (Источник: М.С. Ким)

V ячейка	=	V катод — V анод
E г	=	Q dis · V ячейка · M ячейка -1
E v	=	Q dis · V ячейка · N ячейка -1

где

V ячейка	≡	Рабочее напряжение элемента [В против Li / Li + ]
V катод	≡	Рабочее напряжение катода [В против Li / Li + ]
V анод	≡	Рабочее напряжение анода [В против Li / Li + ]
Q дис	≡	Разрядная емкость элемента [Ач]
E г	≡	Гравиметрическая плотность энергии [Вт · ч кг -1 ]
M ячейка	≡	Общий вес ячейки [кг]
E v	≡	Объемная плотность энергии [Вт-ч л -1 ]
N ячейка	≡	Общий объем ячейки [л]

Плотность энергии аккумулятора зависит от емкость, рабочее напряжение элемента, вес элемента и объем элемента.В разрядная емкость используется для расчета плотности энергии аккумулятора. Для рабочее напряжение ячейки, опорное напряжение всегда относительно на Li / Li ⁺ для литиевых батарей, и это показывает еще одно преимущество с использованием металлического литиевого анода вместо графитового анода. Поскольку ссылка Li / Li ⁺ , рабочее напряжение для металлического анода Li составляет 0 В, напряжение ячейки является единственной функцией потенциала катода. Однако среднее рабочее напряжение графитового анода составляет примерно 0.1 В, при котором в ячейке происходит снижение примерно на 0,1 В. рабочее напряжение. Это снижение напряжения рабочей ячейки приводит к снижение плотности энергии примерно на 3% при условии, что разрядная емкость равна то же самое, и современные катодные материалы демонстрируют средний рабочее напряжение 3,9 В для Li / Li ⁺ . [2]

Соотношение

N / P для литий-металлической батареи

Соотношение N / P описывает соотношение производительности между электроды в аккумуляторной батарее.Интерпретация отношения N / P такова: немного отличается в зависимости от литиированного состояния катодных материалов. Кроме того, есть два основных типа механизмов, отвечающих за электрохимические реакции в батареях: 1) интеркаляция и 2) Механизмы конверсионного типа. [5,6] Механизм интеркаляции внедрение ионов Li в слоистые структуры (или любые другие термодинамически благоприятные кристаллические структуры) электродных материалов (примерами электродов на основе интеркаляции являются графитовый анод и LiNi _x Mn _y Co _z O ₂ (NMC) катод).Следовательно, электродные материалы на основе интеркаляции являются рассматривается как хозяин для хранения ионов Li. С другой стороны, механизм конверсии предполагает формирование нового продукта после окислительно-восстановительного реакции с ионами Li. Несколько примеров электродов преобразовательного типа материалы: металлический анод Li, катод элементарной серы (S ₈ ), и кислородный (O ₂ ) катод. Следовательно, материалы электродов, которые принять механизм преобразования не рассматриваются в качестве хозяина для Li ионы.Разница в сроках между литий-ионными и литий-металлическими батареями просто возникает из-за типов электродных электрохимических реакций. В В общем, металлический литий-ионный аккумулятор относится к любому типу аккумулятора, в котором используется литий-ионный аккумулятор. металл в качестве анода. Таблица 1 объясняет общие термины, введенные в аккумуляторные поля:

Большинство катодных материалов на основе интеркаляции представляют собой в литиированном состоянии, когда клетки сначала конструируются, тогда как Катодные материалы конверсионного типа не используются.Это связано с термодинамикой связанные с электродными материалами. Таким образом, интерпретация N / P соотношение немного отличается для каждого типа батареи. Таблица 2 обобщенные интерпретации отношения N / P для каждого из точных термины батареи, за которыми следует практический диапазон отношения N / P.

Анод (Тип реакции) Катод (Тип реакции) Точный срок службы батареи (обычно используемый термин) Графит (интеркаляция) NMC (интеркаляция) Литий-ионный аккумулятор (Li-ion) Li металлический (конверсия) NMC (интеркаляция) Литий-ионный аккумулятор (металлический литий-ионный аккумулятор) Li металлический (конверсия) S 8 (Преобразование) Металлический серный аккумулятор (Li-S) Li металлический (конверсия) O 2 (Конверсия) Литий-металлическая кислородная батарея (Li-air)

Таблица 1: В этой таблице поясняется срок службы батареи. о механизмах электродных электрохимических реакций.

Интерпретация отношения N / P определяется электродный механизм электрохимической реакции, при котором интеркаляция Механизм включает литий-ионный хозяин, тогда как тип преобразования включает объемная электрохимическая реакция между Li и катодными частицами. Тем не мение, Литий-ионный аккумулятор в данном случае является исключением, поскольку он включает в себя оба механизмы преобразования и интеркаляции в аноде и катоде, соответственно. Поскольку в катоде уже хранится ион Li материал (т.е. любые литиированные катоды), в идеале не требуется дополнительных ионов лития. необходимо на аноде для работы батареи. Поэтому новый аккумулятор термин введен для нулевого отношения N / P для ионно-литиевой батареи, что это безанодный металлический литий-ионный аккумулятор. [7] Кроме того, обычно используемый металл Li Срок службы батареи представляет собой отношение N / P больше нуля для металлического иона Li аккумулятор. Важно отметить, что термин «металлический литий-ионный аккумулятор» относится к батареи любого типа, в которых в качестве анода используется металлический литий; однако литий металл Аккумулятор в полевых условиях часто имеет в виду литий-ионный аккумулятор.Кроме того, существуют две конфигурации, описывающие ион металла Li. батареи, которые представляют собой безанодную металлическую конфигурацию Li (N / P = 0) и Конфигурация металла Li (N / P> 0).

Срок службы батареи Практический диапазон соотношения N / P Интерпретация Литий-ионный аккумулятор 1,2 ≥ Н / П ≥ 1 Количество литий-ионного узла, доступного в аноде с относительно катода Литий-ионный аккумулятор 1 ≥ Н / П ≥ 0 Количество лишнего Li в ячейке Литий-металлическая серная батарея 2 ≥ Н / П ≥ 1 Количество лишнего Li в ячейке Литий-ионный аккумулятор 2 ≥ Н / П ≥ 1 Количество лишнего Li в ячейке

Таблица 2: Интерпретация отношения N / P в зависимости от батареи термины.Практический диапазон отношения N / P в зависимости от срока службы батареи предоставлен.

Расчет отношения N / P для литий-металлической батареи

Для простоты расчета отношения N / P для металлического Li аккумуляторы, часто емкостью в мАч см ^-2 для металлического Li используются анодный и катодный материал. Стоит отметить, что часто теоретическая емкость Li и практическая емкость катода равны используется для расчета отношения N / P.Это потому, что Li-металл часто промышленно обрабатывается в виде тонкой пленки (от 500 мкм до 20 мкм). мкм по толщине), а начальная емкость Li не равна сильно зависит от условий езды на велосипеде. Однако главная причина для использования практической емкости, эквивалентно измеренной емкости, для катодом является то, что фактическая емкость катода чувствительна к рабочему условия, такие как окно рабочего напряжения, коэффициент C, температура и и т. д. Поэтому в полевых условиях принято рассматривать измеряемые катодные мощность из определенных рабочих условий для расчета отношения N / P.Поскольку электроды батареи относительно тонкие, значения емкости нормированы на размер электрода, чтобы получить площадь поверхности анод и катод. Приведены и гравиметрические возможности, но В полевых условиях стало обычным использование площадных емкостей для определения отношения N / P. Поскольку металлический литиевый анод представляет собой тонкую пленку, полезное уравнение рассчитать отношение N / P с металлической фольгой Li для соотнесения толщины Li с площадью поверхности. емкость. Приведенное ниже уравнение относится к тому, как толщина металлического Li фольга связана с ее теоретической емкостью.

Li Площадь участка Li толщина 1 мАч см -2 4,85 мкм 4 мАч см -2 19,40 мкм 7 мАч см -2 33,95 мкм

Таблица 3: Площадь поверхности Li с относительно его толщины.Обратите внимание, что это теоретические ценности. Толщина рассчитывается исходя из точного предположения плоская и гладкая пленка Ли.

T Li

=

10000 Q A M w n F ρ

(1)

где

T Li	≡	Толщина Li [мкм]
Q A	≡	емкость Li [мАч см -2 ]
M w	≡	Молекулярная масса Li = 6.941 [г моль -1 ]
n	≡	количество переданных электронов = 1
Факс	≡	Константа Фарадея = 26801,4814 [мАч моль -1 ]
ρ	≡	плотность Li = 0,534 [г · см -3 ]

Используя приведенное выше уравнение, толщина Li может быть рассчитывается как функция емкости Li или наоборот.В таблице 3 показаны три соответствующих толщины Li на основе трех репрезентативные площади, обычно используемые в полевых условиях. Рис. 1 показывает более полный спектр соответствующей толщины Li на основе площадная емкость. Кроме того, эту диаграмму можно использовать для быстрой оценки емкость Li в зависимости от толщины используемой фольги Li.

Конфигурации аккумуляторных элементов

Li и соответствующая энергия Плотность

Фиг.2 иллюстрирует сравнение структуры ячеек между Литий-ионный элемент и литий-металлический элемент (N / P> 0) с соответствующими элементами батареи в ячейке, например, токосъемники, сепараторы и электроды. Основываясь на структуре ячеек, конфигурация литий-металлических ячеек увеличивается примерно на В 1,67 раза выше гравиметрическая плотность энергии и в 3 раза выше объемная плотность энергии на основе конфигураций литий-ионных элементов. Обратите внимание, что это прогнозируемые значения, точные значения которых могут изменение в зависимости от характеристик и размеров различных ячеек; тем не мение, относительное увеличение плотности энергии — надежные значения.Следовательно, очевидно, что эта конфигурация литий-металлического элемента имеет большее преимущество улучшения объемной плотности энергии, чем гравиметрическая плотность энергии литиевой батареи. Электромобили требуют высокая объемная плотность энергии из-за ограниченного пространства форм-фактором транспортного средства, и трансмиссия не так сильно зависит от вес, добавленный к транспортному средству. Это стало основным драйвером развития Литий-металлические батареи, и все еще продолжаются исследования улучшить плотность энергии литиевых батарей.

Сообщалось, что гравиметрическая энергия плотность литий-металлических батарей (N / P> 0) может быть увеличена за счет систематическая оптимизация параметров аккумулятора. [2-4] Есть множество параметры, которые влияют на плотность энергии батареи, такие как соотношение N / P, загрузка электролита, типы и емкости катодов, плотность утряски катод, толщина сепаратора, толщина токосъемника, рабочая окно напряжения, неактивные компоненты батареи и т. д.Оптимизируя вышеупомянутые параметры, металлический литий-ионный аккумулятор способен превзойти 500 Втч кг ^-1 . [2] Благодаря улучшенной плотности энергии, пробег для электромобилей может быть увеличено примерно с 300 миль до 600 миль.

Безанодный металлический литий-ионный элемент (N / P = 0) является идеальным конфигурация ячейки, поскольку в ячейке нет избытка Li. Таким образом безанодная металлическая батарея Li считается «святым Граалем» для Li аккумулятор. Благодаря безанодной конфигурации металлического литиевого элемента, практичный объемная плотность энергии 1200 Вт · ч. л ^-1 достигается на уровень стека.[3] Это многообещающий результат для разработки большего количества надежные электромобили. Хотя улучшение аккумуляторов требует интенсивного исследования и разработки, высокопроизводительные литиевые батареи могут скоро быть реализовано, и эта улучшенная технология аккумуляторов действительно будет способствовать 4 ^{-й промышленной революции} .

© Мун Сек Ким. Автор гарантирует, что работа принадлежит автору, и что Стэнфордский университет не предоставил никаких других материалов чем инструкции по набору и реферированию.Автор грантов разрешение на копирование, распространение и отображение данной работы в неизмененном виде, со ссылкой на автора, только для некоммерческих целей. Все другие права, в том числе коммерческие, принадлежат автор.

Список литературы

[1] Д. Линь, Ю. Лю и Ю. Цуй, «Возрождение лития» Металлический анод для высокоэнергетических аккумуляторов, Nat. Nanotechnol. 12 , 194 (2017).

[2] Дж.Лю и др. , «Пути практического Высокоэнергетические литий-металлические батареи с длительным циклом работы, «Nat. Energy» 4 , 180 (2019).

[3] A. J. Louli et al. , «Диагностика и Устранение выхода из строя безанодных ячеек с помощью электролитных и морфологических методов. Анализ », Nat. Energy 5 , 693 (2020).

[4] P. Albertus et al. , «Статус и проблемы» в обеспечении возможности использования литий-металлического электрода для получения высокой энергии и низкой стоимости Аккумуляторы «Нат.Энергетика 3 , 16 (2018).

[5] J. Zheng et al. , «Регулирующий Морфология электроосаждения лития: на пути к коммерческой значимости Вторичные литий-металлические батареи, Chem. Soc. Rev. 49 , 2701 (2020).

[6] X.-B. Cheng et al. , «На пути к безопасному литию» Металлический анод в аккумуляторных батареях: обзор, Chem. Rev. 117 , 10403 (2017).

[7] Ж.-Г. Чжан, «Безанодный», Нат.Энергия. 4 , г. 637 (2019).

.