Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Предложен новый взгляд на проблему 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 16 сентября 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 и увеличивает экономические издержки конечного потребителя. Таким образом, чтобы раскрыть потенциал батарей с катодами из литий-обогащенных оксидов, необходимо подавить негативный эффект гистерезиса напряжения, но это невозможно без понимания природы процессов, на которые уходит потерянная энергия.
Авторы опубликованной в журнале Nature Chemistry статьи экспериментально обосновывают несостоятельность принятого до сих пор объяснения гистерезиса напряжения и предлагают новое. 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», — рассказал соавтор работы, аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.
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 (см. изображение ниже) 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 Артем 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, — продолжил ученый. — 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“».
«Наша работа демонстрирует потенциал продвинутых методов просвечивающей электронной микроскопии для визуализации и расшифровки локальной кристаллической структуры материалов высокой сложности, — добавил Морозов. — Здорово, что студенты и молодые ученые Сколтеха имеют прямой доступ к таким высокотехнологичным инструментам, как просвечивающие электронные микроскопы с коррекцией аберраций, и возможность совершенствовать навыки самостоятельной работы с ними.
Это позволяет нам вносить вклад в исследования металл-ионных аккумуляторов на самом высоком уровне и сотрудничать с зарубежными коллегами как из индустрии, так и из научного сообщества». 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).
Telegram 
Дзен 
VK Ученые ТПУ совместно с коллегами провели эксперименты и с высокой точностью предсказали кинетические характеристики воспламенения и сгорания топлива с добавлением воды. Результаты показали, что топливо с небольшой добавкой воды сгорает на 7-14% быстрее по сравнению с однородным углеводородным топливом. В будущем это может помочь в разработке более экологичных и ресурсоэффективных систем сжигания альтернативных топлив.
Недавнее появление в Солнечной системе межзвездного объекта 3I/ATLAS вызвало новую волну обсуждения вопроса о том, как отличить комету или астероид от внеземного космического корабля либо другого артефакта, не созданного человечеством. Астрономы рассказали, что у искусственного объекта могут быть четыре характерные особенности.
В начале 2023 года у самки золотистого ретривера по кличке Лола диагностировали меланому в полости рта — редкую и агрессивную форму рака, которая уже распространилась на легкие. По прогнозам ветеринаров, собаке оставалось жить несколько месяцев. Однако хозяева Лолы не сдались и продолжили бороться за жизнь любимицы вместе с врачами онкоцентра ветеринарной клиники при Калифорнийском университете в Дейвисе (США). Благодаря их экспериментальному лечению все следы рака примерно через полгода исчезли. Собака продолжает жить и в октябре 2025-го отметит свое 11-летие.
Компания впервые смогла устранить недоработки Starship V2 в достаточной степени, чтобы выполнить всю намеченную программу испытаний в одном полете. Впрочем, без сбоев не обошлось и на этот раз. Традиционные американские космические игроки продолжают считать, что задержки с программой позволят Китаю выиграть вторую лунную гонку у США.
Ученые ТПУ совместно с коллегами провели эксперименты и с высокой точностью предсказали кинетические характеристики воспламенения и сгорания топлива с добавлением воды. Результаты показали, что топливо с небольшой добавкой воды сгорает на 7-14% быстрее по сравнению с однородным углеводородным топливом. В будущем это может помочь в разработке более экологичных и ресурсоэффективных систем сжигания альтернативных топлив.
Согласно выводам авторов нового исследования, сумчатый волк, или тилацин, проиграл эволюционную битву за выживание за миллионы лет до того, как первый человек ступил на австралийскую землю. Оказалось, этот вид хищных сумчатых постепенно терял ключевые гены, что сделало его уязвимым перед лицом природных изменений. Человек и динго лишь довершили процесс.
Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.
Влияет ли формат знакомства на качество последующих романтических отношений в паре? Научные данные на этот счет разнятся. Новое исследование по вопросу представила группа психологов из Польши, Австралии и Великобритании. В попытке понять, при каком сценарии удовлетворенность отношениями выше, а любовь крепче — когда двое нашли друг друга в Сети или познакомились в жизни, — ученые опросили свыше 6000 тысяч человек из разных стран.
Тщательный анализ спутниковых снимков позволил ученым оценить изменение скорости фотосинтеза на планете с 2003 по 2021 годы. Ситуация оказалась несколько неожиданной: если на суше растения явно «ускорились», то в океане ситуация намного менее определенная.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
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