Показать меню
21 сен 14:00Политика

Предложено новое объяснение низкой энергоэффективности литий-ионных батарей

Предложено новое объяснение низкой энергоэффективности литий-ионных батарей

Международная научная группа с участием ученых Сколковского института науки и технологий предоставила экспериментальное опровержение общепринятому объяснению низкой энергоэффективности литий-ионных батарей. Исследователи объяснили это явление медленным переносом электронов между атомами кислорода и переходных металлов в кристаллической структуре катода, а не миграцией атомов внутри структуры в процессе заряда/разряда, как считалось ранее. Работа опубликована в журнале Nature Chemistry.

Литий-ионные аккумуляторы уже повсеместно используются в портативной электронике и электромобилях. А применение в них перспективных катодных материалов нового поколения на основе литий-обогащенных оксидов позволит в два раза увеличить их емкость и, соответственно, время автономной работы мобильных устройств и пробег электромобилей. Однако коммерческому внедрению подобных материалов препятствует их низкая энергоэффективность. Дело в том, что для заряда такой батареи требуется гораздо большее напряжение, чем она может далее обеспечить на разряде. Этот эффект, называемый гистерезисом напряжения, приводит к существенной потере энергии.

При работе литий-ионной батареи ионы лития перемещаются между двумя ее электродами. Сначала, во время заряда, они мигрируют на анод, оставляя «вакансии» в кристаллической структуре катода. Потом, в процессе разряда, ионы возвращаются на свои места на катоде, обеспечивая электрический ток для работы подключенного устройства. «Но параллельно в процессе заряда батареи часть атомов переходных металлов в катоде мигрирует в освободившиеся вакансии лития, а затем возвращается назад на разряде. На это перемещение туда-обратно и расходуется часть полезной энергии — так объясняли гистерезис раньше», — говорит аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.

Изображения атомной структуры катодного материала в исходном (слева), заряженном (в середине) и разряженном (справа) состоянии, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Белыми стрелками отмечены мигрировавшие атомы переходных металлов. На левом изображении все атомы находятся на своих местах. Миграция атомов, наблюдаемая на двух других изображениях слишком незначительна для объяснения огромного гистерезиса напряжения Li1.17Ti0.33Fe0.5O2. Источник: Бяо Ли и др./Nature Chemistry

Чтобы проверить эту гипотезу, ученые проследили за положением атомов переходных металлов в структуре литий-обогащенного катодного материала Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 на разных стадиях работы батареи. Этот материал был выбран в качестве модельного из-за своего чрезвычайно большого (более 1 вольта) гистерезиса напряжения. Визуализацию атомной структуры Li1.17Ti0.33Fe0.5O2 удалось обеспечить при помощи просвечивающего электронного микроскопа Центра коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколтеха. Оказалось, что при работе батареи значимой миграции атомов железа или титана в структуре катодного материала не происходит, то есть энергия расходуется на какой-то иной внутренний процесс.

«Наши наблюдения подтолкнули команду взглянуть на гистерезис напряжения иначе и объяснить эффект гистерезиса напряжения не обратимой миграцией катионов, а обратимым переносом  электронов между атомами кислорода и переходных металлов. В процессе заряда батареи некоторые электроны железа захватываются атомами кислорода, затем они возвращаются на место при разряде. На этот обратимый процесс и уходит часть энергии, — объяснил профессор Артём Абакумов, директор Центра энергетических наук и технологий Сколтеха. — Понимая природу гистерезиса напряжения как связанного с переносом электронов явления, можно сгладить этот вредный эффект и получить тем самым новое поколение литий-ионных батарей с рекордно высокой удельной энергоемкостью для электрокаров и переносной электроники. Чтобы сделать этот следующий шаг возможным, химики могли бы управлять величиной барьера электронного переноса за счет настройки степени ковалентности связи катион-анион, опираясь на таблицу Менделеева и такие понятия, как "химическая мягкость"».

Помимо химиков Сколтеха, в исследовании принимали участие ученые из Коллеж де Франс, Университета Монпелье, Сорбонны, Мюнхенского технического университета, Института Пауля Шеррера, Университета По и Адурской области, а также Сети по электрохимическому хранению энергии (RS2E).

По материалам: polit
Добавить комментарий
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Введите два слова, показанных на изображении: *
Лента новостей
Ансат с модернизированными системами показал отличные результаты в испытательном полете23:47«Оборона Севастополя» победила на IX Международном Русском кинофестивале19:15Сессии BRICS+ Fashion Summit, которые стоит запомнить12:07Нижегородский эксперимент может нарушить единство экономического пространства08:34Ежегодный теннисный турнир стартовал в столице в память о Юрии Лужкове20:53Sasha Nordic выступит в Санкт-Петербурге в рамках тура «И верить в любовь»20:40Почему на новых шинах можно увидеть цветные полосы09:51Адвокат Геннадий Кузьмин сообщил подробности инцидента на лекции по юридической грамотности22:25Разработчик платформы USEBUS AI-Code и эксперт в области работы с данными MODUS объявили о стратегическом партнерстве22:45Андреа Бочелли и Аида Гарифуллина подарят Узбекистану вечер оперной музыки22:17Fix Price поддержал экопоход в Алтайском крае: два дня на природе с пользой для экологии20:11Более половины дополнительных доходов бюджета пришлись на сокращение нелегального оборота табачной продукции17:15Турнир памяти Юрия Лужкова вошел в календарь Российского теннисного тура19:08Более 1000 десертов в цветах триколора передали защитникам Отечества в Луганске10:22В праздник Преображения Господня в Храме Христа Спасителя состоялось вручение Ордена Святой Ольги Елене Батуриной07:27КумАПП отметил День воздушного флота показательными полетами и награждением ветеранов23:56Юрий Лужков и возрождение Храма Христа Спасителя: новая выставка и памятная марка18:16В Храме Христа Спасителя представили уникальные материалы о его восстановлении и роли Юрия Лужкова01:53
Популярные новости