Ученые «реабилитировали» литий-ионные аккумуляторы нового поколения, опровергнув пессимистичную гипотезу
Специалисты Сколтеха совместно с французскими коллегами из Университета Монпелье и Коллеж де Франс опровергли распространенное объяснение проблем литий-ионных аккумуляторов следующего поколения. По мере эксплуатации их характеристики ухудшаются из-за изменений в катоде, что препятствует коммерциализации технологии, способной запасать на треть больше энергии, чем современные литий-ионные аккумуляторы. Анализ данных, полученных на экспериментальной установке класса «мегасайенс», показал, что вредные для аккумуляторов молекулы кислорода, обнаруженные ранее в обогащенных литием катодах, на самом деле образуются под воздействием рентгеновского излучения, используемого для их же поиска. Это хорошая новость, потому что справиться с другими видами деградации катода будет проще.
Исследование опубликовано в журнале Nature Materials при поддержке РНФ. Переход к устойчивой энергетике невозможен без эффективного хранения электроэнергии — от встроенных в энергосеть накопителей до аккумуляторов электромобилей и мобильных устройств. Литий-ионные аккумуляторы остаются наиболее продвинутой технологией, обладающей значительным потенциалом для дальнейшего развития. В частности, аккумуляторы следующего поколения с так называемыми обогащенными литием катодами способны запасать примерно на 30% больше энергии, чем их современные аналоги с «обычными» литий-никель-марганец-кобальт- оксидными катодами (NMC).
Одно из главных препятствий на пути к коммерциализации литий-ионных аккумуляторов следующего поколения — ухудшение их характеристик по мере роста числа циклов заряда и разряда. В процессе эксплуатации катодный материал претерпевает не до конца изученные изменения, которые вызывают постепенное падение напряжения и емкости. Очевидно, что проблема связана с окислительно-восстановительными процессами с участием кислорода, который входит в состав NMC. Но что конкретно происходит с атомами кислорода, непонятно, и этот пробел в теории не позволяет целенаправленно работать над устранением проблемы, чтобы вывести аккумуляторы на рынок.
Одна из ведущих гипотез звучала так: за время срока службы аккумулятора атомы кислорода, изначально встроенные в кристаллическую решетку катода, постепенно высвобождаются и образуют в порах материала молекулы O₂ — такие же, как в воздухе, которым мы дышим. Эти молекулы ранее были обнаружены в обогащенных литием катодных материалах с помощью рентгеноспектрального анализа. Поскольку молекулярный кислород почти не проявляет электрохимической активности, его накопление ухудшает характеристики аккумулятора. Эта гипотеза ставила под сомнение потенциал технологии, поскольку в условиях аккумулятора образование молекулярного кислорода — почти необратимый процесс, на который сложно повлиять.
«К счастью, после выхода нашей статьи можно сказать, что гипотеза о молекулярном кислороде в порах катодного материала остается в прошлом, — прокомментировал результаты исследования старший преподаватель Центра энергетических технологий Сколтеха Дмитрий Аксенов. — Мы проанализировали данные, полученные в ходе масштабных экспериментов по рентгеновскому рассеянию, и показали, что запертые в структуре катода молекулы кислорода — те самые, которые считались причиной ухудшения характеристик, — в действительности с высокой вероятностью являются артефактом измерений. То есть они образовывались под воздействием самого́ рентгеновского излучения, с помощью которого их обнаружили».
Открытие значительно снижает неопределенность, которая долгое время существовала вокруг механизма окисления кислорода в катодах на основе NMC. Теперь область исследований по стабилизации катодного материала сужается до так называемого структурного кислорода — атомов, которые не покидают кристаллическую решетку с последующим образованием молекул, как считалось ранее, а лишь теряют электрон в процессе заряда аккумулятора. По мнению авторов исследования, справиться с этой проблемой будет легче, чем было бы с молекулярным кислородом в порах, что делает коммерциализацию новых аккумуляторов более реалистичной.
«Это исследование — отличный пример синергии между экспериментом, теорией и компьютерным моделированием, — рассказывает научный сотрудник Центра энергетических технологий Сколтеха Андрей Геонджиан, который выполнил моделирование резонансных спектров неупругого рассеяния рентгеновских лучей, что позволило корректно интерпретировать результаты проведенного во Франции эксперимента класса „мегасайенс“. — Без моделирования было бы невозможно однозначно определить, остаются ли молекулы кислорода связанными с кристаллической решеткой или полностью обособлены от нее. С другой стороны, экспериментальные данные задали строгие ограничения, которые позволили нам сузить круг возможных сценариев и в конечном итоге предложить наиболее вероятный механизм образования молекулярного кислорода».
Другой автор исследования — директор Центра энергетических технологий и заслуженный профессор Сколтеха Артем Абакумов — отметил: «Мы надеемся, что наши результаты станут стимулом для разработки новых стратегий оптимизации литий-обогащенных катодных материалов для точной настройки баланса между окислением кислорода, растворением металла и образованием нанопор, а также помогут понять, как эти процессы зависят от покрытий и допирующих элементов. Более глубокое понимание этих аспектов может значительно увеличить срок службы следующего поколения литий-ионных аккумуляторов на основе литий-обогащенных материалов NMC».
Telegram 
Дзен 
VK Полифенолы и другие соединения заваренного кофе в лабораторной модели связывались с ядерным рецептором NR4A1, который участвует в ответе клеток на стресс, воспаление и повреждение. Вещества меняли активность рецептора и тормозили рост опухолевых клеток, а при подавлении рецептора эффект слабел. Ученые предложили молекулярное объяснение части полезных эффектов кофе, но не проверяли их у людей.
По самой распространенной версии, в прошлом климат Венеры был похож на земной, а к нынешнему состоянию пришел из-за парникового эффекта. Недавно ученые попытались смоделировать этот процесс и обнаружили, что перегретая венерианская кора даже вместе с вулканами просто не могла испустить в атмосферу такое количество углекислого газа, какое мы наблюдаем в ней сейчас.
Каждый год на месторождениях происходят десятки плановых остановок скважин для ремонта или профилактики. Чтобы во время простоев предотвратить выброс нефти и газа на поверхность, скважины глушат и закачивают в них специальные жидкости, в качестве которых нередко используют обратные эмульсии. Раньше считалось, что они безвредны и легко удаляются, поэтому, когда после глушения проницаемость уменьшалась, это списывали на другие факторы — например, отложение парафинов. Комплексно не изучалось, как именно эти составы влияют на снижение добычи. Ученые Пермского Политеха изучили обратные эмульсии и впервые объяснили, как они влияют на проницаемость горных пород. Проведенное исследование позволяет заранее определить, насколько опасен тот или иной состав и какой способ очистки сработает лучше. Это поможет нефтяным компаниям минимизировать потери добычи и избежать дорогостоящих восстановительных работ.
Генетика интеллекта сложна и связана с разными психоневрологическими состояниями. Оказалось, то, что повышает эрудицию, может ухудшать способность решать творческие задачи, — и наоборот. Причем паттерны этих связей уникальны для каждого диагноза.
Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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