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
Проект «Практика» завершает свою реализацию03:09В Москве пройдут крупные мероприятия в рамках программы «Социокультурные проекты»19:41Проблему просроченной ипотечной задолженности нужно анализировать в масштабах страны09:49В рамках проекта «Искусство нашего времени» создан интересный контент21:10Секреты успешной покупки жилья в Сингапуре: советы риэлтора20:19Деревянная архитектура и инновации: «РОССА РАКЕННЕ СПб» объявлена лауреатом премии «Стиль жизни 2024»11:51Теннисный турнир памяти Юрия Лужкова «Кожаная кепка 2024»: кто станет победителем?00:04Всероссийский теннисный турнир памяти Ю. М. Лужкова победил в номинации "Лучший турнир" национальной теннисной премии18:44Рынок недвижимости в условиях турбулентности: взгляд топ-риелтора Яны Ивановой15:02Создана рабочая группа для разработки методик хирургии стопы11:27Премьера фильма «Злая: Сказка о ведьме Запада» в Москве!19:31Эксперт рассказывает о тренде на подарки, которые дарят опыт и эмоции15:13Дизайнер Тимофей Кузнецов предложил новый логотип и фирменный стиль города Красногорска19:50Геосоциальное приложение Blink преодолело отметку в 10 млн пользователей22:40Тренд на онлайн-покупки среди пенсионеров: исследование «Пятёрочки Доставки»23:27Золотые шедевры русской музыки: Андреевский оркестр рыскрыл в Самаре «Душу России»22:06Новый камерный оркестр «Ансамбль 1703» под управлением известного дирижера Николая Хондзинского выступил в Эрмитажном театре18:41Патриотический конкурс «Театр Победы» привлёк театральные коллективы со всей России19:30