Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25,000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных. Исследователи из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов литий-ионных батарей электротранспорта. Новая структура микрочастиц катода, разработанная командой, может привести к созданию более долговечных и безопасных батарей, способных работать при очень высоком напряжении. Петербургская группа "Катод" рассчитывает стать крупнейшим производителем аккумуляторов в России.
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
Германскими учёными из Технологического института Карлсруэ (KIT) достигнуто повышение стабильности катодов литий-металлических аккумуляторов. Категория: Новости РЖД. Опубликовано: 19 августа 2022. Рельсовый автобус «Орлан» между Екатеринбургом и Челябинском планируют запустить в октябре 2022 года. Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода (на катоде) в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. Электрохимические процессы в LiIon аккумуляторах При разряде элементов питания ионы лития переносят заряд от анода к катоду. После чего электроны переносятся на катод, где они используются вместе со свободными протонами для восстановления кислорода до воды», — пояснила Екатерина Вахницкая.
Группа "Катод" усиливает заряд
Обратимые заряд и разряд стали возможны благодаря наличию множества пор в катоде, которые могут аккумулировать образующийся хлор. Он отличается беспрецедентной стабильностью работы при высоких скоростях заряда и разряда, а также имеет высокий электрохимический потенциал. Международный коллектив, в который вошли учёные Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных. Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных аккумуляторов. В новых батареях ионы натрия заменяют ионы лития в катоде, а соли лития в электролите (жидкость, которая помогает переносить заряд между электродами батареи) заменяются. Отрицательный заряд катода привлекает положительные ионы и приводит к образованию нейтральных частиц.
Китайская CATL представила первые натрий-ионные аккумуляторы для электромобилей
Литий-ионная батарея заряжается и разряжается в процессе движения ионов лития между двумя электродами — анодом и катодом. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод. "В катодах батарей для электромобилей, как правило, используются слоистые оксиды переходных металлов, в том числе богатые никелем. В описанном процессе заряда полимерное покрытие катода остается стабильным во всем диапазоне рабочих потенциалов.
Ученые создали долговечный катод для натрий-ионных аккумуляторов
Проблема заключалась в том, что катоды на основе подобных соединений отличаются относительно низким содержанием ионов натрия и энергоемкостью. «Сколтех» совместно с МГУ создал катод для натрий-ионных аккумуляторов на замену литию. Международный коллектив, в который вошли учёные Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных. Исследователи из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов литий-ионных батарей электротранспорта. В описанном процессе заряда полимерное покрытие катода остается стабильным во всем диапазоне рабочих потенциалов.
Из полимеров сделали катоды для литиевых аккумуляторов
НазваниеПовышение мощности разряда и эффективности заряд-разрядного цикла водородно-ванадиевого накопителя электроэнергии за счет оптимизации катодного материала. Инженеры из США разработали литий-ионную батарею с катодом из органики вместо кобальта или никеля — она может снять зависимость индустрии электротранспорта от редких металлов. Органические материалы, составляющие катод, в котором функциональные группы в ходе реакций заряда и разряда попеременно окисляются и восстанавливаются. Международный коллектив, в который вошли учёные Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных. Кроме передачи электронов, отрицательный заряд катода обусловлен свойствами вещества, из которого изготавливается катод.
КАТОД, сеть магазинов и СТО
Потому нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто. Инновационный подход в этой области разрабатывается в Лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии Российской ака демии наук ФИЦ ПХФ и МХ РАН. Именн о там неорганические катоды и аноды решили заменить на органические соединения — они, как правило, не имеют жесткой кристаллической решетки, то есть являются аморфными и потому с легкостью принимают катионы не только лития, но также калия и натрия, что очень важно для развития новых аккумуляторных технологий. Однако для создания калий-ионного аккумулятора нужны не только катодные материалы, но и анодные — решением стало использование нового класса редокс-активных полимеров, показавших высокие и обратимые емкости. В последней работе, вышедшей в журнале Molecules и описывающей материал на основе сополимера из производных антрахинона, был сделан значительный шаг в плане обеспечения долговременной стабильности аккумуляторов. Заведующая лабораторией, к. Ольга Александровна Краевая следующим образом характеризует результаты, представленные в недавней публикации ее коллектива: «Разработка нового полимерного катодного материала на основе антрахинона и хинизарина позволила улучшить характеристики как литиевых, так и калиевых источников тока. Высокие емкостные характеристики разработанных электродных материалов в совокупности с великолепной стабильностью и быстродействием калиевых источников тока полный заряд и разряд аккумулятора за несколько минут открывают широкие возможности для их практического использования, например в качестве дешевых и надежных стационарных накопителей энергии высокой емкости.
Любая шероховатость поверхности с обеих сторон приводит к высокому межфазному сопротивлению, что снижает производительность батареи. Была проведена некоторая работа по изучению конструкции твердого электролита , но конструкция катода остается открытым вопросом. Группа под руководством профессора Киёси Канамура из Токийского столичного университета занимается разработкой новых способов улучшения контакта между катодом и твердотельным электролитом в твердотельных литий-металлических батареях. Теперь им удалось создать квазитвердый катод из оксида лития-кобальта LiCoO 2 , который содержит ионную жидкость при комнатной температуре. Ионные жидкости состоят из положительных и отрицательных ионов; они также могут транспортировать ионы. При заполнении пустот межфазное сопротивление значительно уменьшилось.
Метод команды имеет и другие преимущества.
Однако трудно добиться хорошего контакта между электродами и твердыми электролитами. Любая шероховатость поверхности с обеих сторон приводит к высокому межфазному сопротивлению, что снижает производительность батареи. Была проведена некоторая работа по изучению конструкции твердого электролита , но конструкция катода остается открытым вопросом. Группа под руководством профессора Киёси Канамура из Токийского столичного университета занимается разработкой новых способов улучшения контакта между катодом и твердотельным электролитом в твердотельных литий-металлических батареях. Теперь им удалось создать квазитвердый катод из оксида лития-кобальта LiCoO 2 , который содержит ионную жидкость при комнатной температуре. Ионные жидкости состоят из положительных и отрицательных ионов; они также могут транспортировать ионы. При заполнении пустот межфазное сопротивление значительно уменьшилось.
За последние полгода завод увеличил выпуск электронно-оптических приборов в несколько раз. Губернатор Андрей Травников во время выездного совещания на площадке «Катода» отметил, что сейчас наблюдается очень высокий спрос на современное оборудование, которое производит завод. Ведь кратное увеличение объёмов производства, в частности, на «Катоде», — это серьезный вклад в повышение эффективности работы наших бойцов», — сказал Травников.
Ученые создали долговечный катод для натрий-ионных аккумуляторов
Они препятствуют эффективному переносу лития, плохо воздействуют на напряжения внутри частиц и тем самым ускоряют процесс деградации. Материал неоднороден и стремится к разрушению со всеми сопутствующими рисками выхода из строя целой ячейки. Это в очередной раз доказывает нам — брак аккумулятора вероятен даже в самых дорогих и проверенных линейках потребительских устройств. Больше науки Пишите вопросы в комментарии. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте NeovoltRu. Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.
Изучение структуры материала показала, что его энергоемкость достаточно высока для катодов натрий-ионных аккумуляторов. После большого количества циклов перезарядки емкость батарей на основе подобного материала почти не снизилась. Вдобавок исследователи не нашли намеков на то, что вырабатываемое ими напряжение падало, что характерно для батарей с катодами на базе других слоистых соединений лития.
Это относительно много для катодных материалов натрий-ионных аккумуляторов. Более того, сам материал оказался устойчив к воздействию влаги, а его емкость не падает на протяжении большого числа циклов разряда и заряда, что не характерно для подобных соединений Пока у нового материала нашли один крупный недостаток - напряжение вырабатываемого им тока сильно меняется в процессе разряда и заряда. Из-за этого эффективность натрий-ионных аккумуляторов на его основе сильно хуже, чем у конкурентов.
Но у новых аккумуляторов всё же есть ряд преимуществ. Например, восполнить заряд до 80 процентов при комнатной температуре можно всего за 15 минут, а при минус 20 градусах по Цельсию батарея сохраняет больше 90 процентов ёмкости. В CATL видят несколько сценариев использования натрий-ионных источников тока: во-первых, электромобили, особенно если они эксплуатируются в регионах с холодным климатом; во-вторых, буферные накопители энергии, скажем, для солнечных батарей, где низкая масса не является важным условием. И чтобы подкрепить свои слова о перспективности разработки, компания уже приступила к промышленному внедрению натрий-ионных аккумуляторов: базовую производственную цепочку планируют полностью сформировать к 2023 году. Параллельно в CATL Research Institute продолжится работа над совершенствованием натриевых батарей: экземпляры следующего поколения будут иметь удельную ёмкость в 200 ватт-часов на килограмм и выше.
Как отметил Андрей Травников, множество предприятий области сейчас обеспечивает военных всем необходимым. Мы целевым образом помогаем воинским формированиям, которые дислоцируются или были созданы на территории нашего региона — это и «Ермак», и армейские подразделения, составленные из мобилизованных.
Мы оказываем им различные виды помощи», — подчеркнул губернатор. Для поддержки таких предприятий в Новосибирской области есть целый ряд программ и инструментов, утверждённых Правительством региона, уточнил заместитель губернатора Сергей Сёмка. Также Андрей Травников провёл в правительстве региона совещание по вопросам содействия и координации усилий по обеспечению поставок имущества и оказания услуг воинским подразделениям, принимающим участие в СВО. Напомним, бронежилеты «Архангел» производят для добровольцев «Веги» в Новосибирске.
Российские химики разработали полимерные катоды для сверхбыстрых аккумуляторов
Низкая стабильность означает короткий срок службы аккумулятора. Американские ученые в ходе исследований не только нашли причину нестабильности, но и способ устранить ее. Они определили, что литий вызывает асимметрию в атомах ванадия, из-за которого разрушались хлопья VS2. Но если покрыть их нанослоем дисульфида титана, это повысит стабильность материала и улучшит его производительность в батарее. Решив эту проблему, ученые увидели, что электроды VS2-TiS2 работают с высокой удельной емкостью, то есть запасать большой заряд на единицу массы. На смену литий-ионным аккумуляторам могут прийти термобатареи.
Однако у него очень низкая электронная и литий-ионная проводимость и, как следствие, неудовлетворительная циклируемость при больших токах. Однако в ходе многочисленных исследований были разработаны разнообразные методы для улучшения свойств LiFePO4. Например, нанести на поверхность частиц слой высокопроводящего углеродного покрытия, в результате чего электронная проводимость материала может возрасти многократно Ravet, Armand, 1999. Этому же способствует, например, и допирование материала катода алюминием, цирконием и другими металлами Chiang, 2002. Время российского «нано»? В 2000 г. Ямато Sony первым показал, что в наноразмерном состоянии железофосфат лития способен работать даже при высоких скоростях заряда-разряда. На сегодняшний день наноразмерные композиты железо-фосфата лития и углерода практически не уступают по электрохимическим показателям другим известным катодным материалам. Поэтому они являются перспективными для использования в гибридных энергетических системах и крупногабаритных аккумуляторах для электромобилей, где большое значение имеют цена и безопасность. С чем же связано улучшение мощностных характеристик электродных материалов, особенно с низкой электронно-ионной проводимостью, при повышении их дисперсности? Это приводит к ускорению ионного транспорта и, соответственно, процессов заряда-разряда в аккумуляторах. Меньшие по размеру частицы также лучше адаптируются к объемным изменениям в ходе внедрения и экстракции ионов лития, что способствует повышению структурной стабильности материалов. С увеличением дисперсности наблюдается и повышение электрохимической емкости. Особенность этого способа в том, что синтез наночастиц LiFePO4 из исходных реагентов идет параллельно с модифицированием поверхности этих частиц углеродом. В 2011 г. В сфере литий-ионных аккумуляторов все происходит на удивление быстро. Так, кобальтат лития был предложен в качестве катодного материала в 1986 г. Синтезировать железо-фосфат лития сложнее, к тому же он выходил на уже имеющийся рынок, однако в данном случае от идеи до внедрения прошло не более десятка лет. И сразу же после этого многие автомобилестроительные компании, такие как Toyota, Renault, General Motors, Nissan и др. Сейчас разрабатываются новые виды литиевых аккумуляторов — литий-серные и литий-воздушные. При использовании кислорода воздуха в качестве катода плотность аккумулирования энергии может увеличиться в 5—10 раз! Рекордные значения удельной энергии и емкости, характерные для литий-воздушных аккумуляторов, а также низкая стоимость реагентов объясняют большой практический и экономический интерес к этой теме. В последние годы в США на эти исследования тратятся миллиарды долларов, в России же это направление только начинает развиваться.
Ведь кратное увеличение объёмов производства, в частности, на «Катоде», — это серьезный вклад в повышение эффективности работы наших бойцов», — сказал Травников. Серийный выпуск электронно-оптического преобразователя третьего поколения налажен только на российском «Катоде» и в США. Травников также провел в областном правительстве совещание, где обсудили вопросы содействия и координации усилий по поставкам имущества и оказания услуг подразделениям, принимающим участие в СВО.
Плавится сепаратор, расположенный в месте пробоя, увеличивая его размер. В итоге происходит короткое замыкание, устройство возгорается и приходит в негодность, что влечет за собой не только финансовые потери, но и угрозу человеческой жизни, если взрыв происходит, например, в автомобиле. Сейчас существует несколько способов решения этой проблемы. Часто на аккумуляторе устанавливают выключатель, который реагирует на рост температуры и предотвращает перегревание батареи. Однако такая система может слишком поздно выявить неполадки. В этом случае возгорания не произойдет и техника уцелеет, но аккумулятор спасти не удастся. К тому же выключатель значительно увеличивает размеры конечного изделия. Другой метод борьбы с короткими замыканиями — нанесение на катод терморезисторного слоя. Этот процесс требует перестройки производства и специального оборудования, что связано с большими затратами. Кроме того, технологию сложно адаптировать для изготовления аккумуляторов разных видов и размеров.
Аккумуляторы будущего
Самой логичной заменой литию будут натрий и калий — это близкие по природе химические элементы, которые находятся в той же группе периодической таблицы, что и литий. Однако натрия и калия много как в земной коре, так и в мировом океане — эти ресурсы почти безграничны. Потому стоимость натрия и калия на порядки ниже, чем лития. К сожалению, просто так взять и заменить литий в аккумуляторе на натрий или калий не получится.
В качестве типичных электродных материалов в современных аккумуляторах используются оксиды или соли тяжелых металлов катод и графит анод , между которыми в ходе зарядки и разрядки «курсируют» ионы лития. Ионы натрия и калия значительно больше по размеру, потому они попросту не помещаются в структуру тех катодных материалов, которые работают с ионами лития. Аналогично натрий не внедряется в графитовый анод, а калий делает это с трудом.
Потому нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто. Инновационный подход в этой области разрабатывается в Лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии Российской ака демии наук ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
Как заявляют на предприятии, серийный выпуск электронно-оптических преобразователей 3-го поколения сейчас налажен только в двух странах: на российском «Катоде» и в США. И здорово, что коллектив так быстро — буквально за полгода — в разы увеличил объёмы производства. Мы, конечно, будем оказывать всяческую поддержку. Ведь кратное увеличение объёмов производства, в частности, на «Катоде», — это серьезный вклад в повышение эффективности работы наших бойцов», — заявил губернатор во время визита на завод. Фото пресс-службы правительства региона По данным правительства региона, подразделения военнослужащих из Новосибирска полностью обеспечены приборами ночного видения. Как отметил Андрей Травников, множество предприятий области сейчас обеспечивает военных всем необходимым.
Своими выводами учёные поделились в статье в журнале Nature Communications, которая свободна доступна по этой ссылке. Следствием проделанной работы может стать появление намного более безопасных и долговечных батарей с твёрдым электролитом, которые будут невоспламеняемые и более энергоёмкие, чем привычные литиевые аккумуляторы с жидким электролитом. Вечерний 3DNews Каждый будний вечер мы рассылаем сводку новостей без белиберды и рекламы. Две минуты на чтение — и вы в курсе главных событий. Материалы по теме.
При этом в качестве катодов тестировались материалы на основе полимерных ароматических аминов, которые можно синтезировать из различных органических соединений. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов. С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться». Стандартный литий-ионный аккумулятор — это ячейка объем которой заполнен литий-содержащим электролитом и разделен сепаратором на две части — в одной находится анод, а в другой катод. В заряженном состоянии большинство атомов лития встроены в кристаллическую структуру анода, а при разряде они выходят из анода и через сепаратор проникают в катодный материал. В двухионных аккумуляторах, с которыми работали российские ученые, в электрохимических процессах участвуют не только катионы электролита то есть катионы лития , но и анионы, которые то встраиваются, то выходят из структуры катодного материала. За счет этого двухионные аккумуляторы часто могут заряжаться быстрее, чем обычные литий-ионные.