Химики обнаружили причину потерь энергии в катодных материалах для высокоемких литий-ионных аккумуляторов
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.
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.
Telegram 
Дзен 
VK Экономисты НИУ ВШЭ выяснили, что российские сотрудники, которые регулярно пользуются искусственным интеллектом в работе, зарабатывают намного больше тех, кто отказывается от новых инструментов или прибегает к ним время от времени. Среди высококвалифицированных специалистов прибавка достигает 41,8%.
17 сентября, в день рождения Константина Циолковского, отмечается Всероссийский день физики. Исследования ученого, посвященные теоретическим основам космонавтики, стали фундаментом для последующего развития ракетной техники. Сегодня похожий путь проходят квантовые технологии: фундаментальные исследования квантовых явлений постепенно превращаются в инженерные решения — от сверхпроводниковых кубитов и квантовых сенсоров до вычислительных систем и новых материалов. О том, какие прикладные задачи уже решаются с помощью квантовых технологий, рассказывает доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической физики и квантовых технологий Сергей Мухин.
Благодаря свинцу, входившему в состав чернил, ученые, возможно, смогут прочитать давно утраченные тексты античных философов на обугленных папирусных свитках, переживших извержение Везувия. Новый метод уже позволил сделать это на точных имитациях древних свитков.
Экономисты НИУ ВШЭ выяснили, что российские сотрудники, которые регулярно пользуются искусственным интеллектом в работе, зарабатывают намного больше тех, кто отказывается от новых инструментов или прибегает к ним время от времени. Среди высококвалифицированных специалистов прибавка достигает 41,8%.
Анализ данных о почти 300 тысячах километров римских дорог, проложенных по территории бывшей империи, показал, что они вовсе не были такими прямыми, как принято считать. Кроме того, выяснилось, что известная поговорка «Все дороги ведут в Рим» тоже не соответствует истине.
Тренды здорового питания постоянно меняются, в том числе на основе научных исследований. Когда-то публика панически боялась жиров, но их реабилитировали. Гарвардская пирамида здорового питания рисовала сложные углеводы в основании пирамиды, а теперь они переместились к вершине. Возможно, и современную моду на приоритет белка придется пересмотреть.
Нейросеть OpenAI добилась серьезного прорыва в математике, решив одну из семи «задач тысячелетия». Получат ли США, чьи нейросети опираются на гораздо более мощное «железо», чем у Китая, монополию на конвейер научных открытий? Даст ли это возможности сравнимые с их атомной монополией 80 лет назад?
Сопротивление жителей Европы самой идее употребления насекомых в пищу может иметь эволюционные корни, уходящие вглубь тысячелетий, пришли к выводу авторы нового исследования. Оказалось, предки современных европейцев ели насекомых лишь эпизодически. Кроме того, из-за генетических мутаций они плохо переваривали их экзоскелеты.
Госдолг США достиг 40 триллионов долларов и растет все быстрее и быстрее. На Западе переполох: при таких размерах его не выплатить. Следовательно, полагают многие, надо решить проблему как древние шумеры — долг обнулить и начать занимать заново. Рецепт кажется здравым, но есть нюансы. Причем поучительнее всего они даже не для Штатов, а, как ни странно, именно для России.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно