Плотность энергии литий-ионных аккумуляторов может быть улучшена за счет сохранения заряда при высоких напряжениях за счет окисления оксидных ионов в материале катода. Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода (на катоде) в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. В описанном процессе заряда полимерное покрытие катода остается стабильным во всем диапазоне рабочих потенциалов. После чего электроны переносятся на катод, где они используются вместе со свободными протонами для восстановления кислорода до воды», — пояснила Екатерина Вахницкая. Отрицательный заряд катода привлекает положительные ионы и приводит к образованию нейтральных частиц.
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
| Научились заряжать аккумулятор за несколько секунд ученые в России | 3D-модель катода аккумулятора телефона под микроскопом показала, почему одни ячейки стареют быстрее, чем другие. |
| Научились заряжать аккумулятор за несколько секунд ученые в России | При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. |
| Новости | Проект Заряд | Петербургская группа "Катод" рассчитывает стать крупнейшим производителем аккумуляторов в России. |
Новый материал катода ускорит зарядку литий-ионных батарей
Обратимые заряд и разряд стали возможны благодаря наличию множества пор в катоде, которые могут аккумулировать образующийся хлор. История «Катода» — это история развития наукоемкого бизнеса в России, который, несмотря на внутренние и внешние проблемы, все же достиг успеха и мирового признания. Японская компания Taiheiyo Cement предложила использовать для изготовления катодов новый материал, который сократит зарядку аккумулятора в 3-4 раза.
Новый эталон высокопроизводительных углеродных катодов в литий-кислородных батареях
Если есть каркас, то туда всегда можно поместить что-то нужное. Таким образом исследователи создали анод, включив тонкодисперсные активные материалы в пористый углерод МО-каркас. Полученный материал обладал высочайшей кинетикой, позволяя быструю зарядку, и приблизил его по этому параметру к суперконденсаторам. Похожим образом, но с использованием других материалов, был создан катод, отличающийся рекордной ёмкостью. Тем самым учёные как бы сократили дисбаланс в характеристиках между аккумуляторными анодами и катодами суперконденсаторов.
То есть катод будет меньше, вся батарея — компактнее. Значит, заняв тот же объем, аккумулятор сможет запасти больше энергии, и пробег на одной зарядке увеличится», — заявил руководитель исследования, профессор Центра энергетических технологий Сколтеха Артем Абакумов.
Ученым удалось изменить микроструктуру материалов, получив монокристаллы сфероподобной формы. Так как сферическая форма кристаллов уменьшает площадь соприкосновения катода с электролитом, это замедляет процессы старения и деградации.
Кроме того, в работе была еще одна новация.
В некоторых экспериментах ученые использовали не литий-содержащие электролиты, а калий-содержащие и так получали калиевые двухионные аккумуляторы, для работы которых не нужно дорогого лития. На их основе сделали катоды, а в качестве анодов использовали металлический литий и калий - все основные характеристики таких прототипов батарей, которые называются полуячейками, определяются катодной частью и ученые собирают их, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов. PDPAPZ напротив оказался достаточно удачным материалом: литиевые полуячейки с этим полимером могли сравнительно быстро заряжаться и разряжаться, а также показали хорошую стабильность.
Они сохраняли до трети своей ёмкости даже после 25 тысяч рабочих циклов - если бы обычный аккумулятор в телефоне обладал такой же стабильностью, то его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. Таким образом, российские ученые показали, что разработанные полимерные катодные материалы можно использовать для создания эффективных литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов, сообщает пресс-служба Российского химико-технологического университета им. Читайте также:.
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.
Новосибирский завод «Катод» поставил приборы ночного видения бойцам СВО
Подход позволяет создать карту распределения зёрен кристаллов в поликристаллических материалах и отобразить межзёренные границы. Также KPFM даёт возможность измерить потенциалы на поверхности материала оценить величину заряда. Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода на катоде в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. При прохождении через такие скопления ионов лития что происходит в момент зарядки и разрядки аккумуляторов они захватывают электроны и восстанавливаются до металлического лития.
На аноде такие процессы практически не наблюдались.
Частицы нового материала имеют диаметр не более 100 нанометров. Благодаря этому ионы лития будут свободнее перемещаться в катоде. Новый материал позволяет не только сократить время зарядки аккумуляторов, но и продлить их срок службы в три раза. А к 2025 году объемы производства будут увеличены в десять раз.
Если бы аккумулятор в телефоне был так же стабилен, его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. Удельная емкость таких устройств варьировалась от 82 до 101 миллиампер-часа на грамм в зависимости от силы тока при заряде и разряде.
Кроме того, зарядить такие аккумуляторы ученые смогли всего за несколько секунд. Статья об открытии опубликована в журнале Energy Technology. Москва, Большой Саввинский пер. II; Адрес редакции: 119435, г.
Ru, слова одного из соавторов статьи, аспиранта Сколтеха Филиппа Обрезкова. Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы на основе неорганических материалов занимают доминирующее положение на рынке, дальнейшее улучшение их рабочих характеристик затруднено, так как в их составе используются тяжелые элементы, ограничивающие удельные электрохимические емкости материалов. Решить проблему можно путем применения в качестве материалов для катодов органических соединений на основе легких элементов — углерода, гелия, азота, кислорода, серы.
Среди их плюсов по сравнению с неорганическими материалами можно выделить высокую удельную энергоемкость, высокие скорости зарядки и разрядки, устойчивость к механическим деформациям, а также высокую экологичность — переработать их можно так же, как и обычный бытовой пластик.
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
3D-модель катода аккумулятора телефона под микроскопом показала, почему одни ячейки стареют быстрее, чем другие. Анод и катод аккумулятора содержат металлы, которые в зависимости от направления тока (заряд или разряд). Германскими учёными из Технологического института Карлсруэ (KIT) достигнуто повышение стабильности катодов литий-металлических аккумуляторов. 29 июля команда сети магазинов "КАТОД" приняла участие в забеге Trail Run от "Гонки Героев". Известно, что многослойные катоды LMR подвержены явлению, известному как «утечка напряжения», которое влечет за собой быстрый износ катодов и потерю заряда в батарее. Профессор Нисихара и его команда полагают, что GMS-лист станет важной вехой в производстве углеродных катодов для литий-O2-батарей.
Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D
В результате в сернистом катоде использовался катализатор ZIF-67 (названный S / ZIF-67 @ CL), который обеспечивал начальную емкость 1346 мАч г-1 при плотности тока 0,2 C. Исследователи из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов литий-ионных батарей электротранспорта. Литий-ионная батарея заряжается и разряжается в процессе движения ионов лития между двумя электродами — анодом и катодом. В процессе заряда ионы Li⁺ экстрагируются из материала катода, переносятся через электролит к аноду и внедряются в его структуру. В результате в сернистом катоде использовался катализатор ZIF-67 (названный S / ZIF-67 @ CL), который обеспечивал начальную емкость 1346 мАч г-1 при плотности тока 0,2 C. Катод и его отрицательный заряд Отрицательный заряд катода объясняется тем, что во время процесса электролиза, положительно заряженные ионы перемещаются к катоду под.
КАТОД, сеть магазинов и СТО
Так, для получения высокотоковых ячеек используется катодный материал LiMn2O4. Для увеличения проводимости в активную массу катода включают электропроводные добавки. Оксиды кобальта обеспечивают Li-ion аккумуляторам большое напряжение 3,7 В и солидный запас емкости. Иногда для изготовления катода используют смешанные оксиды или фосфаты, которые улучшают эксплуатационные характеристики элементов питания. Ячейки с катодом из литий-железо-фосфата LiFePO4 выдерживают большие токовые нагрузки, отличаются морозоустойчивостью, химической стабильностью и ресурсом свыше 2000 циклов. Но номинальное напряжение у них ниже — 3,2—3,3 В. Кроме экспериментов с разными материалами, изучается возможность покрытия катода тонкодисперсными оксидами. Электрохимические процессы в Li-ion аккумуляторах При разряде элементов питания ионы лития переносят заряд от анода к катоду. Они временно покидают графит анода и встраиваются в кристаллическую решетку оксида на катоде. Во время зарядки аккумулятора протекает обратный процесс: ионы Li покидают катод, проходят через электролит и встраиваются в структуру анода, раздвигая слои его углеродной матрицы.
После многократных циклов работы в структуре Li-ion аккумуляторов наблюдаются изменения: ионы Li утрачивают исходное положение; электролит реагирует с литием; постепенно образуются и растут игольчатые кристаллы — дендриты, которые пронизывают слой электролита и создают риск короткого замыкания.
Большинство современных катодных материалов представляют собой слоистые оксиды переходных металлов, включающие, например, кобальт, никель и марганец. Один из способов исследования включает накопление заряда на ионах оксидов, а также на ионах переходных металлов.
Использование новых кислородно-окислительно-восстановительных материалов для увеличения плотности энергии катода может стать прорывом, но реализация полного потенциала этой новинки в промышленных масштабах была затруднена.
После этого авторы неожиданно обнаружили, что батарею можно перезарядить и затем разрядить снова. Емкость такого цикла оказалась ниже, чем емкость первого разряда — 1200 миллиампер-час на грамм катода при токе 100 миллиампер — однако в дальнейшем емкость больше не снижалась. Батарея пережила 200 циклов заряда и разряда, сохраняя кулоновскую эффективность отношение заряда, который батарея отдает при разряде, к тому, который необходим для заряда около 99 процентов. Чтобы выяснить причины такой неожиданной стабильности, авторы аккуратно вскрыли батарею и изучили ее содержимое с помощью сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и масс-спектрометрии. Они обнаружили, что во время первого разряда образующийся NaCl в основном осел на пористом углеродном катоде, а при последующем заряде хлорид ионы из NaCl окислились до молекулярного хлора Cl2. При последующем разряде хлор снова восстанавливается до хлорид-иона Cl-. Обратимые заряд и разряд стали возможны благодаря наличию множества пор в катоде, которые могут аккумулировать образующийся хлор.
Хлор — активный газ, который может вступить в реакцию и с анодом и с компонентами электролита, но пока он находится в порах катода, вся система остается стабильной. Причем, судя по всему, для удерживания хлора лучше всего подходят микропоры размером менее 2 нанометров. Чтобы проверить эту гипотезу, авторы изготовили несколько ячеек с катодом из другого пористого материала — ketjenblack carbon black.
В CATL утверждают, что им удалось найти решения этих проблем.
Так, в роли катода использовали материал под названием Prussian white ферроцианид железа, или выцветшая и окислившаяся берлинская лазурь с особой структурой, что решило проблему потери ёмкости. А для анода — пористый материал на основе твёрдого углерода, обеспечивший быстрое перемещение ионов натрия и высокий ресурс. При этом плотность энергии у получившейся батареи невелика: всего 160 ватт-часов на килограмм против 285 ватт-часов на килограмм в среднем у литий-ионных ячеек. В сравнении с литий-железо-фосфатными аккумуляторами натрий-ионные лучше работают при низких температурах и быстрее заряжаются.
«Катод»: трудно быть лидером
В отличие от традиционных литиевых аккумуляторов, новые элементы для накопления заряда используют не только катионы Li, но и анионы галогенов LiCl и LiBr. При этом такой аккумулятор намного безопаснее. Команда продемонстрировала обратимость в течение 150 циклов. Помимо портативных аккумуляторов, этот химический состав можно использовать в устройствах, которые требуют больших энергий на уровне киловатт или мегаватт.
А к 2025 году объемы производства будут увеличены в десять раз. Как объяснили представители компании, катоды нового типа не будут требовать при производстве кобальта или никеля. Последний компонент в последнее время дорожает, а также повышает пожароопасность аккумулятора. Из-за пандемии строительная отрасль Японии переживает не лучшие времена, поэтому производители цемента пытаются найти новое применение своим компетенциям.
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. Они хранят в шесть раз больше энергии, а срок их службы — свыше 20 лет.
Увеличение диапазона электромобилей требует материалов для изготовления аккумуляторов, которые смогут хранить больший заряд при более высоких напряжениях, то есть необходимо достичь высокой «плотности энергии». Существует ограниченное количество способов увеличения плотности энергии литий-ионных катодных материалов. Большинство современных катодных материалов представляют собой слоистые оксиды переходных металлов, включающие, например, кобальт, никель и марганец.