• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21.06.2022
Сколтех
666

Химики обнаружили причину потерь энергии в катодных материалах для высокоемких литий-ионных аккумуляторов

4.6

Международный коллектив, в который вошли ученые Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных аккумуляторов с катодами из обогащенных литием сложных оксидов переходных металлов. Они показали, что различие в рабочем напряжении при заряде и разряде, приводящее к низкой энергоэффективности, связано с образованием кинетически заторможенных долгоживущих промежуточных состояний никеля.

Химики обнаружили причину потерь энергии в катодных материалах для высокоемких литий-ионных аккумуляторов / ©Getty images / Автор: Татьяна Соловьёва

Развитие индустрии электротранспорта требует создания литий-ионных аккумуляторов с более высокой энергоемкостью для того, чтобы обеспечить привлекательный для потребителя диапазон пробега. Тяговые батареи нового поколения могут быть созданы на основе перспективных катодных материалов, представляющих собой сложные оксиды лития и переходных металлов с избыточным содержанием лития.

Такие материалы обеспечивают рекордную на сегодняшний день электрохимическую емкость за счет участия в окислительно-восстановительных реакциях как катионов переходных металлов (никель и кобальт), так и анионов кислорода. К сожалению, из-за разницы напряжений заряда и разряда (гистерезис напряжения) работа такого аккумулятора сопровождается потерями энергии, что создает препятствие для практического использования.

«В процессе работы литий-ионного аккумулятора положительно заряженные катионы лития покидают свои места в структуре катодного материала при заряде и встраиваются обратно при разряде. Одновременно катодный материал должен отдать или принять эквивалентное количество электронов, чтобы сохранить электронейтральность.

В нашей работе показано, что кинетические затруднения и энергетические барьеры связаны не только с перемещением катионов лития, но в значительной степени с перемещением электронов. В особенности заторможенной может быть передача электронов между катионами переходного металла и атомами кислорода, что как раз и приводит к энергетическим потерям», — рассказывает директор Центра энергетических технологий (CEST) Сколтеха профессор Артем Абакумов.

«Для того, чтобы „поймать“ такие заторможенные электронные состояния, нам было необходимо в первую очередь исключить другие возможные причины гистерезиса рабочего напряжения, например изменения в кристаллической структуре катода за счет миграции катионов переходных металлов. Мы убедительно показали отсутствие таких необратимых процессов с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Нам позволил это сделать уникальный микроскоп Titan Themis Z, установленный в ЦКП „Визуализация высокого разрешения“ в Сколтехе. Этот прибор обеспечивает пространственное разрешение до 0,06 нм, что позволяет получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением», — отмечает аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.

«Наш микроскоп представляет собой материаловедческую лабораторию, которая может быть использована для анализа вещества различными методами с высокой локальностью. 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.

«Наше исследование показывает, какие уникальные возможности открывает современная просвечивающая электронная микроскопия для исследования практически важных материалов. Направленная разработка материалов с уникальными функциональными свойствами невозможна без знания их кристаллической и электронной структуры на локальном уровне. Возможность проводить такие исследования является серьезным конкурентным преимуществом Сколтеха», — отмечает руководитель ЦКП «Визуализация высокого разрешения» Ярослава Шахова.

В исследовании также приняли участие специалисты Коллеж де Франс, Университета Сорбонна, Сети электрохимического хранения энергии (RS2E), Университета Иллинойса, Института Пауля Шеррера (Швейцария), синхротронного центра SOLEIL (Франция) и Университета По и региона Адур (Франция). Статья была опубликована сегодня в журнале Nature Materials.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Вчера, 14:02
Татьяна

Больше 10 лет Curiosity ищет свидетельства обитаемости Марсе. В его арсенале — инструменты для анализа горных пород и минералов, сформированных в эпохи, когда Красная планета была пригодна для органической жизни. И вот новое открытие: на пути к пику Шарп в ударном кратере Гейла марсоход впервые обнаружил кристаллы серы — необходимого строительного элемента белков.

Вчера, 11:31
ПНИПУ

День металлурга в 2024 году россияне отмечают 21 июля. Ученые Пермского Политеха рассказали, какой металл самый распространенный, какой — не утонет в воде, где можно встретить титан, можно ли потрогать обедненный уран, что опаснее — вдохнуть или проглотить ртуть, есть ли ее безопасный аналог и какой элемент не существует в чистом виде.

Позавчера, 19:04
Александр Березин

По уточненным данным, для свода Международной космической станции с орбиты компания Илона Маска использует сильно измененный грузовой корабль, имеющий рекордно большое количество двигателей (больше, чем у любого другого корабля в истории). Однако это не будет Starship, хотя для него такая задача в теории была бы проще.

15 июля
Александр Березин

Авторы нового исследования впервые показали, что круглые провалы в лунной поверхности не просто близки к многокилометровым пещерам на естественном спутнике Земли, но и располагают тоннелями, ведущими в глубину.

16 июля
Александр Березин

Традиционное представление о роли человека в земных экосистемах известно: он нарушает их нормальную работу и снижает биоразнообразие. Однако первая попытка изучить следы пыльцы за последние 12 тысяч лет принесла скорее противоположные данные — как минимум для континентов, полностью расположенных в Северном полушарии.

16 июля
Татьяна

Аппарат «Кассини», работавший на орбите Сатурна с 2004 по 2017 год, детально картировал его крупнейший спутник — Титан. Выяснилось, что ближе к полярным областям на поверхности есть моря и озера с жидкими углеводородами, куда впадают пополняемые атмосферными осадками реки. По мере изучения этой информации у исследователей возникло все больше вопросов. Каков состав жидкости и что определило очертания береговых линий? Воспользовавшись данными радарной съемки, американские ученые уточнили состав морей Кракена, Лигеи и Пунги и описали свойства их поверхностей.

25 июня
Игорь Байдов

Ученые из Китая и Бельгии воссоздали в лаборатории условия, существовавшие на Меркурии четыре миллиарда лет назад, и выяснили, что они были идеальными для образования слоя алмазов, который с течением времени становился лишь толще.

21 июня
Nadya

Земля начала формироваться примерно 4,5 миллиарда лет назад. Чтобы понять, как это происходило в ранние периоды развития нашей планеты, ученые ищут образцы древних горных пород. Одну из таких, возрастом почти 3,5 миллиарда лет, обнаружили рядом с городом Колли в Австралии.

1 июля
Александр Березин

Необычный биологический вид, по оценке авторов новой научной работы, пригоден для заселения четвертой планеты без каких-либо предварительных условий — уже в том виде, в котором он существует сейчас. Поскольку речь идет о фотосинтетическом организме, он способен нарабатывать существенное количество кислорода. Интересно, что кандидат на терраформирование Марса сохранил жизнеспособность после месяца в жидком азоте.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно