Полученный материал был применен в качестве катода для литий-ионного аккумулятора и показал хорошую стабильность и высокую емкость. Плотность энергии литий-ионных аккумуляторов может быть улучшена за счет сохранения заряда при высоких напряжениях за счет окисления оксидных ионов в материале катода. В новых батареях ионы натрия заменяют ионы лития в катоде, а соли лития в электролите (жидкость, которая помогает переносить заряд между электродами батареи) заменяются.
Что такое анод и катод, в чем их практическое применение
Катод это электрод, имеющий отрицательный или положительный заряд в зависимости от типа прибора или процесса. Заряд перестает передаваться по внешней цепи, оставаясь внутри аккумулятора. Катод будет иметь чистый отрицательный заряд в электролитических элементах, таких как одноразовая батарея, и положительный заряд. Зарядное устройство забирает электроны с катода, оставляя его с положительным зарядом, и направляет их на анод, сообщая ему отрицательный заряд. Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый квазитвердотельный катод для твердотельных литий-металлических батарей со значительно сниженным.
В Корее разработали натриево-ионный аккумулятор со скоростью зарядки в несколько секунд (2 фото)
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. Этот материал имеет удельный объем пор даже больше, чем у аморфных углеродных наносфер, но большая часть его приходится на мезопоры размером от 2 до 50 нанометров. Ячейка с крупнопористым катодом из ketjenblack carbon black тоже показала обратимый разряд и заряд, но проработала всего сорок циклов, а затем ее кулоновская эффективность резко стала уменьшаться.
Поэтому авторы статьи полагают, что путь к стабильным тионилхлоридным аккумуляторам лежит через поиск катодного материала с еще большим объемом микропор. Кроме того, стабилизировать батарею помогают добавки фтор-содержащих солей в электролит. На натриевом электроде тоже образуется слой хлорида натрия, и ионам натрия постепенно становится труднее проходить через него. Фторид натрия и другие фтор-содержащие соли способствуют образованию пустот в этом слое и облегчают движение ионов натрия.
Авторы также изготовили перезаряжаемый источник тока с литиевым анодом.
На натриевом электроде тоже образуется слой хлорида натрия, и ионам натрия постепенно становится труднее проходить через него. Фторид натрия и другие фтор-содержащие соли способствуют образованию пустот в этом слое и облегчают движение ионов натрия. Авторы также изготовили перезаряжаемый источник тока с литиевым анодом. Он показывал чуть более высокую емкость первого разряда 3250 миллиампер-час на грамм катода , но при последующих разрядах и зарядах емкость была такая же, как и у натриевого варианта.
Впрочем, данных о сходстве и различии двух новых источников тока пока что недостаточно, и авторы собираются продолжить их изучение. Говорить о том, смогут ли подобные устройства в будущем выйти на рынок и составить конкуренцию литий-ионным аккумуляторам, тоже пока преждевременно. Пока что Дай и его коллеги отметили только, что за все время работы над статьей они собрали и испытали несколько сотен ячеек, но ни одна из них не взорвалась. В прошлом году корейские химики разработали новый подход для синтеза галогензамещенного тиофосфата лития со структурой аргиродита и получили электролит для твердотельного литий-ионного аккумулятора с рекордной проводимостью. А об устройстве и истории создания литий-ионных аккумуляторов можно почитать в нашем материале «Заряженный Нобель».
Наталия Самойлова.
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. Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия.
Поэтому нами была поставлена задача смоделировать и исследовать новые макромолекулы, потенциально обладающие более высокой энергоемкостью. Созданный нами новый материал продемонстрировал превосходные характеристики при плотностях тока до 200 С полный заряд и разряд аккумулятора происходит всего за 18 секунд.
Это обеспечило им высокую популярность и повсеместное использование — от фонариков и смартфонов до электромобилей. В отличие от нестабильного металлического лития, его ионы стабильно переносят заряд. Поэтому при соблюдении правил эксплуатации Li-ion элементы питания абсолютно безопасны в использовании. Но со временем протекающие в аккумуляторах электрохимические процессы замедляются. Из-за этого уменьшается восстанавливаемая емкость, батарея быстрее разряжается и хуже держит заряд. У большинства литий-ионных элементов такие симптомы возникают после 700—1000 циклов работы. Срок их службы составляет более 2000 и 7000 соответственно.
Рассмотрим подробнее, какие процессы в АКБ вызывают постепенные изменения внутренней структуры и снижение производительности. Как устроена Li-ion ячейка? Анод из графита или альтернативного материала с пористой структурой, чтобы ионы Li могли на время встраиваться в пространство между слоями. Сепаратор с электролитом на базе этилен-карбоната, разделяющий электроды и проводящий ионы Li.
Читайте также:
- Продолжить чтение
- Новые материалы для катодов ускорят зарядку в 3-4 раза
- Долговечные литий-металлические аккумуляторы разработали в KIT
- В КНР ученые нашли пагубное влияние черного чая на легкие — ведет к онкологии
- Свежие записи
- Ученые сформулировали новую теорию о жизни после смерти
Последние комментарии
- Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D
- Новые материалы для катодов ускорят зарядку в 3-4 раза
- Из полимеров сделали катоды для литиевых аккумуляторов
- Андрей Травников оценил приборы ночного видения завода «Катод» для СВО |
- Ученые сформулировали новую теорию о жизни после смерти
Новый материал для батарей поможет электрокарам ездить дольше на одном заряде
| Исследователи создали энергоемкий органический катод для аккумуляторов | Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25,000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных. |
| КАТОД, сеть магазинов и СТО 2024 | ВКонтакте | Катод будет иметь чистый отрицательный заряд в электролитических элементах, таких как одноразовая батарея, и положительный заряд. |
Новые материалы для катодов ускорят зарядку в 3-4 раза
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 емкости 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.
В этой работе мы использовали не только изображения структур, но и смогли провести спектральный анализ электронного состояния катионов никеля и титана, а также анионов кислорода в разных состояниях заряда аккумулятора. Таким образом мы выяснили, что именно никель в высокой степени окисления является заторможенным электронным состоянием, что также нашло подтверждение при помощи других спектроскопических методик», — объясняет научный сотрудник Сколтеха Ольга Емельянова. Направленная разработка материалов с уникальными функциональными свойствами невозможна без знания их кристаллической и электронной структуры на локальном уровне. Возможность проводить такие исследования является серьёзным конкурентным преимуществом Сколтеха», — отмечает руководитель ЦКП «Визуализация высокого разрешения» Ярослава Шахова. Skoltech Communications.
И всегда основным препятствием в реализации такой батареи была нестабильность этого материала. 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.
У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем, причем выделяющиеся на электродах газы в виде пузырьков поднимаются кверху.
Электрический ток во внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду. При этом раствор обедняется, и для поддержания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать. Так осуществляют извлечение тех или иных веществ из электролита электроэкстракцию. Если же анод может растворяться в электролите по мере обеднения последнего, то частицы его, растворяясь в электролите, приобретают положительный заряд и направляются к катоду, на котором осаждаются, тем самым осуществляется перенос материала с анода на катод. Так как при этом процесс ведут так, чтобы содержащиеся в металле анода примеси не переносились на катод, такой процесс называется электролитическим рафинированием. Если электрод поместить в раствор с ионами того же вещества, из которого он изготовлен, то при некотором потенциале между электродом и раствором не происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из раствора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества. Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то на нем начнется выделение вещества катодный процесс , если же более положительный, то начнется его растворение анодный процесс.
Значение нормальных потенциалов зависит от концентрации ионов и температуры. Принято считать нормальный потенциал водорода за нуль. В табл. Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие меньший отрицательный нормальный потенциал медь, серебро, свинец, никель , щелочноземельные металлы выделить труднее всего. Кроме того, в водных растворах всегда имеются ионы водорода, которые будут выделяться ранее, чем все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, поэтому при электролизе последних значительная или даже большая часть энергии затрачивается на выделение водорода. Два разнополярных электрода Два разнополярных электрода Путем специальных мер можно воспрепятствовать в известных пределах выделению водорода, однако металлы с нормальным потенциалом меньше 1 В например, магний, алюминий, щелочноземельные металлы получить электролизом из водного раствора не удается. Их получают разложением расплавленных солей этих металлов. Нормальные электродные потенциалы веществ являются минимальными, при них начинается процесс электролиза, практически требуются большие значения потенциала для развития процесса.
Разность между действительным потенциалом электрода при электролизе и нормальным для него потенциалом называют перенапряжением. Оно увеличивает потери энергии при электролизе. С другой стороны, увеличивая перенапряжение для ионов водорода, можно затруднить его выделение на катоде, что позволяет получить электролизом из водных растворов ряд таких более отрицательных по сравнению с водородом металлов, как свинец, олово, никель, кобальт, хром и даже цинк. Это достигается ведением процесса при повышенных плотностях тока на электродах, а также введением в электролит некоторых веществ. Течение катодных и анодных реакций при электролизе определяется следующими двумя законами Фарадея. В действительности масса выделившегося вещества всегда меньше указанной, что объясняется рядом побочных процессов, проходящих в ванне например, выделением водорода на катоде , утечками тока и короткими замыканиями между электродами. Выход по току существенно зависит от плотности тока на электроде. С увеличением плотности тока на электроде выход по току растет и повышается эффективность процесса.
Устройство гальванической цепи. Из этой мощности только первая составляющая расходуется на проведение реакций, остальные являются тепловыми потерями процесса. Лишь при электролизе расплавленных солей часть теплоты, выделяющейся в электролите IUэ, используется полезно, так как расходуется на расплавление загружаемых в электролизер солей.
«Катод»: трудно быть лидером
Справиться с внешними угрозами и приблизить успешное завершение спецоперации российской армии помогают новосибирские предприятия, в числе них новосибирский завод «Катод». Катод это электрод, имеющий отрицательный или положительный заряд в зависимости от типа прибора или процесса. Кроме того, использование связующих и несоответствие между катодом и электролитом также могут вызывать побочные реакции. Необходимо изменить свойства как анодов, так и катодов. У первых хромает скорость заряда, а вторые не отличаются высокой ёмкостью. Категория: Новости РЖД. Опубликовано: 19 августа 2022. Рельсовый автобус «Орлан» между Екатеринбургом и Челябинском планируют запустить в октябре 2022 года.
Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D
Категория: Новости РЖД. Опубликовано: 19 августа 2022. Рельсовый автобус «Орлан» между Екатеринбургом и Челябинском планируют запустить в октябре 2022 года. Кроме передачи электронов, отрицательный заряд катода обусловлен свойствами вещества, из которого изготавливается катод. Новая структура микрочастиц катода, разработанная командой, может привести к созданию более долговечных и безопасных батарей, способных работать при очень высоком напряжении. Новости электроники, справочник радиолюбителя, электронные компоненты, радиодетали. Вот казалось бы, только вчера мы начали работу над проектом Заряд.
Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор
Буквально за полгода предприятие увеличило выпуск электронно-оптических приборов в разы. Глава региона Андрей Травников провёл совещание о снабжении и оказании услуг воинским подразделениям-участникам СВО. В Новосибирской области предприятия, которые производят продукцию для военных нужд, поддерживают на уровне правительства региона. Бронежилеты «Архангел» шьют в Новосибирске для добровольцев элитного отряда «Вега» Уникальное производство оптико-электронных приборов налажено на заводе «Катод». На новосибирском предприятии производят оптические преобразователи, приборы ночного видения, фотоумножители и многое другое. Как заявляют на предприятии, серийный выпуск электронно-оптических преобразователей 3-го поколения сейчас налажен только в двух странах: на российском «Катоде» и в США.
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. 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.
Одним из основных является дизайн интерфейса между электродами и твердыми электролитами. Электролиты в литий-ионных батареях обычно жидкие и легко воспламеняются, что представляет угрозу безопасности. Вот почему вместо этого люди пытаются использовать твердотельный электролит. 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.
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.
Ионные жидкости произвели фурор в твердотельных литий-металлических батареях следующего поколения
Мы убедительно показали отсутствие таких необратимых процессов с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Этот прибор обеспечивает пространственное разрешение до 0,06 нм, что позволяет получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением», — отмечает аспирант Сколтеха Анатолий Морозов. В этой работе мы использовали не только изображения структур, но и смогли провести спектральный анализ электронного состояния катионов никеля и титана, а также анионов кислорода в разных состояниях заряда аккумулятора. Таким образом мы выяснили, что именно никель в высокой степени окисления является заторможенным электронным состоянием, что также нашло подтверждение при помощи других спектроскопических методик», — объясняет научный сотрудник Сколтеха Ольга Емельянова.
Направленная разработка материалов с уникальными функциональными свойствами невозможна без знания их кристаллической и электронной структуры на локальном уровне.
Однако основное внимание при тестировании было уделено тому, насколько удалось преодолеть недостатки, вызываемые явлением «утечки напряжения». По оценке исследователей, эта давняя проблема была почти полностью устранена.
Теперь исследовательская группа ставит перед собой задачу поиска решения еще одной сложной проблемы катодных материалов LMR — гистерезиса напряжения. Это явление вызывается разницей в профилях напряжения во время циклов зарядки и разрядки аккумулятора. Ранее широко считалось, что гистерезис напряжения возникает из-за нестабильности сотовой надстройки, но даже с улучшенной стабильностью во время циклов, обеспечиваемой новой разработкой, явление гистерезиса напряжения не было устранено.
Решение этой проблемы, как ожидается, позволит еще больше повысить плотность энергии для многослойных катодных материалов.
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. Источник: CATL.
Это позволило внедрить 17 новейших разработок и приступить к вводу нового изделия в серийное производство. Конечно, сложностей в работе добавилось, но мы находим ресурсы для работы и в этих условиях. А то, что американское правительство ввело санкции против новосибирской компании, только подчеркивает, что в нас видят сильного конкурента», — отметил Владимир Локтионов.
Первые заказы уже поступили. Успешную апробацию в ЦЕРНе Европейский центр ядерных исследований прошли опытные образцы последнего поколения фотоэлектронных умножителей. Мы были включены в перечень поставщиков в случае возможных проектов в этом направлении. Это небольшие деньги. Но это вопрос престижа. Предприятий, обладающих компетенциями для такого производства, в мире не так много», — рассказал Сергей Мурашкин. Работать с удовольствием Своими успехами предприятие обязано прежде всего людям, которые здесь работают. Это выше, чем средняя зарплата в Новосибирской области. За пять лет на предприятии было создано 103 новых рабочих места.
Общая численность сотрудников увеличилась до 750 человек, средний возраст в коллективе — 45 лет. На заводе вот уже 15 лет работает медицинский пункт, где сотрудники могут пройти медицинское обследование. Традиционно компенсируется питание в столовой, также пережившей реконструкцию. Довольно много внимания уделяется спорту — «Катод» проводит как минимум четыре серьезных спартакиады среди работников. Особое отношение культивируется здесь к молодым специалистам и ветеранам труда. Для талантливой молодежи есть несколько программ поддержки: от выделения беспроцентной ссуды на приобретение жилья до оплаты арендованного жилья. Пенсионеры, проработавшие на предприятии более 10 лет, получают от «Катода» надбавку к пенсии.
Научились заряжать аккумулятор за несколько секунд ученые в России
Проблема заключалась в том, что катоды на основе подобных соединений отличаются относительно низким содержанием ионов натрия и энергоемкостью. Построена модель термополевой электронной эмиссии из металлического катода с тонкой поверхностнойдиэлектрической пленкой при его температуре 200–400 К. Получено выражение. Такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных аккумуляторов. Инженеры из США разработали литий-ионную батарею с катодом из органики вместо кобальта или никеля — она может снять зависимость индустрии электротранспорта от редких металлов.