1 Научные сотрудники Калифорнийского университета в Риверсайде разработали кремниевый анод, который позволит заряжать литий-ионные батареи в 16 раз быстрее, чем это возможно.
Катод и анод в теории и практике
На отрицательно заряженном катоде (К) осуществляется реакция восстановления, на аноде (А) – процесс окисления. В сборную России вошли 10 школьников, победителей Всероссийской олимпиады по химии, среди которых представитель Республики Башкортостан, выпускник АНОДа Вадим Харисов. С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод. Анод — положительно заряженный электрод электровакуумного прибора, к которому под действием ускоряющего электрического поля движутся электроны, испускаемые катодом. Поскольку при разрядке и зарядке ионы должны обратимо встраиваться в материал анода, межслоевое расстояние должно быть достаточным для интеркаляции ионов натрия.
Что такое анод
Авторы изобретения не пояснили, насколько изменения в технологии повышают расходы на производство литий-ионных батарей. В попытках увеличить производительность современных литий-ионных батарей исследователи пробуют различные альтернативные материалы, от соли до пластика. Ученые из США показали, как свинцовые аноды могли бы вдвое увеличить емкость литиевых батарей.
Диоды используются в барьерах искрозащиты, и ещё в огромном количестве устройств, названия которых могут ничего вам и не сказать, однако, без них, почти ни один ваш электронный гаджет не смог бы работать. Есть, однако, одна разновидность диодов, на которой стоит остановиться поподробнее, так как они настолько тесно интегрированы в нашу повседневную жизнь, что современная цивилизация без них попросту немыслима. Речь идёт о светодиодах англ. По сути, эти устройства являются теми же самыми диодами, то есть в них присутствует P-N переход, а свечение вызвано интересным «побочным» эффектом, который наблюдается при встрече свободного электрона и «дырки». В одном из моих предыдущих постов Как выглядит атом я описал подробно механизм испускания фотонов электронами, так что останавливаться подробно не буду, скажу лишь, что электроны могут испускать фотоны света определённой частоты при переходе с более высокого уровня на более низкий. То же происходит и здесь — электрон, нормально имеющие большую энергию, чем позволяет место в «дырке», отдаёт излишек в виде фотона определённой частоты. Этот процесс происходит в любом диоде и называется «рекомбинация». Однако, видеть эти фотоны мы можем только, если диод состоит из определённых материалов.
Например, разница в энергетических уровнях электронов и «дырок» в стандартном кремниевом диоде настолько мала, что частота испускаемого фотона не попадает в видимый человеческому глазу спектр излучения — по большей части, «светиться» подобный диод будет в инфракрасном диапазоне. Собственно, это не всегда плохо. Например, инфракрасные светодиоды широко используются в пультах дистанционного управления к разнообразной бытовой технике. Если мы хотим получить от диода видимый свет, нам нужна большая разница между энергией электрона и энергией «дырки». Эта разница определяет частоту испускания фотонов, и, соответственно, цвет, с которым будет светиться светодиод. Не все полупроводниковые материалы эффективны для данных целей. Наиболее распространёнными комбинациями полупроводников для данной цели являются арсенид галлия GaAs , фосфит индия InP , селенид цинка ZnSe или теллурид кадмия CdTe. Как жили до полупроводников? Наверное, стоит ещё сказать пару слов о том, как мы жили до эры полупроводников, и какими раньше были диоды. А диоды раньше были тёплыми и ламповыми.
Работа электронных ламп основана на использовании термоэлектронной эмиссии , которая состоит в том, что накалённый до высокой температуры проводник выделяет в окружающее пространство свободные электроны. Это объясняется тем, что в проводнике имеются беспорядочно движущиеся «полусвободные» электроны, скорость которых при нагревании увеличивается. При высокой температуре они движутся так быстро, что некоторые из них вылетают за пределы проводника. Катод служит для эмиссии электронов. Количество электронов, выделяемое катодом за каждую секунду, называют током эмиссии или просто эмиссией При малых температурах эмиссии практически нет, а при увеличении температуры она растёт все быстрее и быстрее, достигая значительной величины при температурах порядка сотен градусов и выше.
Для разработки особого анода специалисты воспользовались специальными наноканалами. На сегодняшний день литий-полимерные и литий-ионные аккумуляторы нашли широчайшее применение в разнообразных электронных устройствах и электроавтомобилях. Известно, что обычная такая батарея при слишком быстрой зарядке существенно теряет в емкости, в дальнейшем АКБ и вовсе может полностью выйти из строя.
В электронике Электроды или ножки полупроводниковых и вакуумных электронных приборов тоже часто называют анодом и катодом.
Рассмотрим условное графическое обозначение полупроводникового диода на схеме: Как мы видим, анод у диода подключается к плюсу батареи. Он так называется по той же причине — в этот вывод у диода в любом случае втекает ток. На реальном элементе на катоде есть маркировка в виде полосы или точки. У светодиода аналогично. На 5 мм светодиодах внутренности видны через колбу. Та половина, что больше — это катод. Также обстоит ситуация и с тиристором, назначение выводов и «однополярное» применение этих трёхногих компонентов делают его управляемым диодом: У вакуумного диода анод тоже подключается к плюсу, а катод к минусу, что изображено на схеме ниже. Хотя при приложении обратного напряжения — названия этих элементов не изменятся, несмотря на протекание электрического тока в обратном направлении, пусть и незначительного. С пассивными элементами, такими как конденсаторы и резисторы дело обстоит иначе.
У резистора не выделяют отдельно катод и анод, ток в нём может протекать в любом направлении. Вы можете дать любые названия его выводам, в зависимости от ситуации и рассматриваемой схемы. У обычных неполярных конденсаторов также. Реже такое разделение по названиям контактов наблюдается в электролитических конденсаторах.
Лимонная кислота и германий помогли создать «зеленый» анод для литиевых аккумуляторов
| Анод и катод: что это такое, плюс или минус, определяем полярность | Практически во внешней цепи заряженные частицы — электроны, будут двигаться от анода (-) к катоду (+), от отрицательного полюса источника тока — к положительному его полюсу, что. |
| Анод какой заряд имеет. Знаем ли мы, что такое анод | В этом разговоре объяснено, как работает лампа, функции анода и катода, в чем различие лампы с катодом прямого накала и косвенного и много другого. |
Анод - Anode
Катод — электрод электронного или электротехнического прибора или устройства, характеризующийся тем, что движение электронов во внешней цепи направлено к нему. Катод и анод заключены в эластичную оболочку с полимерным покрытием, заполненную жидким ионным электролитом, что делает их гибкими и, соответственно. В сборную России вошли 10 школьников, победителей Всероссийской олимпиады по химии, среди которых представитель Республики Башкортостан, выпускник АНОДа Вадим Харисов.
Электролиз расплавов и растворов
В результате апробации выяснилось, что литиевые батареи с никель-ниобатным анодом позволяют в десять раз быстрее заряжать аккумулятор. В трубке анод представляет собой заряженную положительную пластину, которая собирает электроны, испускаемые катодом за счет электрического притяжения. Таким образом, в гальваническом элементе анод заряжен отрицательно, а катод – положительно.
Зачем в водонагревателе нужен магниевый анод?
Если на катоде появился активный металл Li, Na, K то вместо него восстанавливаются молекулы воды, из которых выделяется водород. Если металл средней активности Cr, Fe, Cd - на катоде выделяется и водород, и сам металл. Малоактивные металлы выделяются на катоде в чистом виде Cu, Ag. Замечу, что границей между металлами активными и средней активности в ряду напряжений считается алюминий. При электролизе на катоде металлы до алюминия включительно! При электролизе кислородсодержащих анионов: SO42-, PO43- - на аноде окисляются не анионы, а молекулы воды, из которых выделяется кислород. Бескислородные анионы окисляются и выделяют соответствующие галогены.
Сульфид-ион при оксилении окислении серу. Исключением является фтор - если он попадает анод, то разряжается молекула воды и выделяется кислород. Фтор - самый электроотрицательный элемент, поэтому и является исключением.
Экспериментальные микросферы анодов утроили емкость литиевых батарей 13. Экспериментируя с недавно созданным типом материала, ученые разработали конструкцию батареи, обладающую рядом многообещающих преимуществ в производительности, в частности, способность предлагать в три раза большую емкость по сравнению с сегодняшними решениями.
Прорыв заключается в замене материала, используемого для одного из электродов батареи, на полые наносферы, которые позволяют устройству не только удерживать больший заряд, но и оставаться стабильным в течение впечатляющего периода времени. Литий-ионные аккумуляторы питают все — от смартфонов до ноутбуков и электромобилей, и все они делают это с помощью графита в качестве анода - отрицательного электрода устройства.
Простой катод изготавливается из вольфрама, иногда — из тантала. Достоинством вольфрамового отрицательного электрода является стойкость его изготовления. Из недостатков — имеет низкую эффективность и неэкономичность. Сложные катоды имеют разное устройство. У многих таких типов проводников на чистый металл сверху наносится специальный слой, который активирует получение большей производительности при относительно низких температурах.
Они очень экономичны. Их недостаток состоит в небольшой устойчивости производительности. Готовый чистый металл тоже называется катодом. Например, цинковый или платиновый катод.
По сути, специалисты KAIST просто устранили главный недостаток натрий-ионных батарей — медленную скорость зарядки. А сделать им это удалось при помощи технологий, которые используются в суперконденсаторах — современных элементах питания, способных хранить большие запасы энергии в небольшом объеме. В них можно мгновенно «закачать» энергию, и извлечь ее из них можно так же быстро.
Срок эксплуатации суперконденсаторов практически неограничен. Команда KAIST заменила обычные катодные материалы аккумуляторов на материалы, используемые в суперконденсаторах, в результате чего появилась высокоэнергетическая и мощная гибридная натриевая батарея, которую можно быстро заряжать. Были внесены изменения в анод для повышения емкости, а также был использован особый метод синтеза оптимизированного материала электрода. Погреться у огня не выйдет Натрий-ионные батареи лишены еще двух фундаментальных недостатков своих литий -ионных конкурентов. Во-первых, они в десятки раз безопаснее, поскольку очень плохо горят, во-вторых, их можно разряжать до нуля и потом заново заряжать без каких-либо последствий. С литиевыми батареями такой фокус не проходит — падение напряжения до 0 В в их случае, как правило, означает необходимость покупки новой АКБ или применения специализированных зарядных устройств. Последние, впрочем, при 100-процентной разрядке элемента питания помогают далеко не всегда и даже могут спровоцировать его возгорание.