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 Астрономы провели длительную радиодиагностику межзвездного объекта 3I/ATLAS и не нашли признаков искусственных технологий. Наблюдение окончательно подтвердило естественную природу ледяного тела, хотя ученые изначально не ожидали сенсации.
Тысячу лет назад колоссальный степной пояс от Амура до Дуная назывался Великой степью. На Руси его знали как Дикую степь. В этом краю жили кочевники, и среди них — хищная птица сокол-балобан. Сейчас цельной трансконтинентальной популяции балобана больше нет. Небольшой европейский островок уцелел в Венгрии, Австрии и в Крыму. Есть популяция в Казахстане, Монголии и Китае. В России сокол-балобан, помимо Крыма, живет в горах Южной Сибири. И выживание этой популяции, как и всего вида, под угрозой. Как живет эта птица и как ей помогают в нашей стране? Зачем в Хакасии посреди «нигде» построили огромный облёточник? Буквально сегодня в него уже доставили первую партию птиц.
Международная группа ученых впервые определила природу необычных космических вспышек, которые оставались загадкой для науки на протяжении нескольких лет.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Около четырех миллиардов лет назад Солнечная система пребывала в хаосе: гигантские планеты сближались, меняли орбиты и выбрасывали своих соседей в межзвездное пространство. Хотя шансы на «выживание» лун Юпитера и Урана в этот период были крайне малы, астрономы показали, что их судьба может хранить следы древней катастрофы с участием «потерянной» планеты.
На высоте более 90 километров над поверхностью нашей планеты — то есть почти в космосе — мимо нее проследовал метеороид размером всего несколько сантиметров. Сразу три инфразвуковых станции зафиксировали во время этого события шумовой удар, который потребовал объяснения.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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