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.
Российские физики показали, как подобрать растворители для магний-ионных аккумуляторов
Ученые из МФТИ и ОИВТ РАН показали, как корректно рассчитывать эффективность аккумуляторов из новых материалов методом компьютерного моделирования. Они предложили теоретическую модель взаимодействия проводящих ионов с окружающим растворителем и электродом. Методику можно использовать для поиска оптимальных растворителей и точного расчета характеристик аккумуляторов.
Работа опубликована в журнале Physical Chemistry Chemical Physics. Исследование было поддержано Российским научным фондом. Литий-ионные аккумуляторы применяются в большинстве современных электронных устройств. Они долговечны, медленно разряжаются при простое и не требуют обслуживания. Однако литий — металл редкий и относительно дорогой, поэтому ученые тестируют в качестве альтернативного переносчика заряда ионы магния и кальция.
Экспериментальные результаты подтверждают компьютерным моделированием, чтобы более детально измерить характеристики и подобрать материалы для аккумулятора. При этом некоторые параметры моделей выбираются из общих соображений, что может существенно влиять на физические свойства аккумулятора. Особенно это актуально при замене иона лития +1, на магний и кальций с положительным зарядом +2.
Физики из МФТИ проанализировали последние публикации про магний-ионные батареи в научных журналах и обнаружили, что в них неаккуратно учитывается дальнее взаимодействие зарядов. Ученые предложили более корректную модель, которая лучше описывает экспериментальные данные, провели симуляции и получили хорошее согласие с экспериментом.
Максим Орехов, сотрудник лаборатории суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ, рассказывает: «Один из трендов в области аккумуляторов — это уйти от лития к другим, более распространенным и дешевым металлам. Наша работа теоретическая, про 2-валентные ионы, конкретно про магний. Мы выяснили, что квантово-механические расчеты очень чувствительны к дальнодействующему взаимодействию».
Для расчетов используется следующая система. Ион магния окружен двумя типами молекул растворителя: 3-метоксипропиламином и 1-метокси-2-пропиламином, которые изолируют его от остальных соединений. Все вещество вне оболочки считается в приближении единой средой с заданными электрическими свойствами — в частности, с усредненной диэлектрической проницаемостью. Проводятся два расчета: когда магний имеет заряд +1 — на нем есть электрон — и +2 — когда электрон перешел на электрод или в растворитель. Разница энергий системы в этих двух случаях показывает, насколько легко переносится электрон, а значит, насколько быстро происходит зарядка аккумулятора.
Оказалось, что величина диэлектрической проницаемости очень сильно влияет на энергию переноса, хотя во многих исследованиях она подбиралась из общих соображений. Для ионов магния этот эффект гораздо значительнее, чем в литии, поскольку они имеют в два раза больший заряд.
Также ученые проанализировали взаимодействие иона и оболочки с электродом. Они предложили метод учета пассивации электрода — процесса роста слоя из продуктов распада химических реакций на его поверхности. Этот слой имеет конечную диэлектрическую проницаемость и затрудняет перенос электрона, что приводит к падению эффективности аккумулятора. Симуляции методом функционала плотности совпали с экспериментальными данными.
Таким образом, физики продемонстрировали важность аккуратного учета взаимодействия иона не только с оболочкой, но и с окружающей средой. Эти результаты помогут в поиске новых материалов для аккумуляторов, в частности, растворителей.
Иван Бакулин, сотрудник лаборатории многомасштабного моделирования в физике мягкой материи МФТИ, поясняет: «Мы показали, что нужно аккуратно учитывать дальнодействие: выбирать диэлектрическую проницаемость и параметры модели поляризованного континуума для расчетов методом функционала плотности. Учитывать взаимодействие с электродом. Работа сделана с прицелом на то, чтобы потом сделать скрининг — перебрать множество молекул возможных растворителей, а таких молекул больше сотни. Растворители подбираются так, чтобы емкость “не падала” после многих циклов работы. Благодаря скринингу мы сможем понять, какие из них лучше для аккумулятора, и сделаем эксперимент».
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно знают как с хорошим приближением прогнозировать рост поверхностей. Но экспериментально подтвердить точное соответствие реальных процессов и модели — гораздо более сложная задача, у которой, тем не менее, есть решение.
На Меркурии может появиться первый в истории «вечный рассвет»: ученые предложили отправить туда планетоход, который будет постоянно ехать вдоль границы дня и ночи. Подход открывает путь к изучению одного из самых загадочных миров Солнечной системы без риска разрушительного перегрева.
Энтомологи сравнили устойчивость коммерческих и диких гибридных медоносных пчел к главному паразиту ульев — клещу варроа. Полевые и лабораторные тесты показали, что гибриды заражаются в пять раз реже, поскольку их личинки не нравятся паразитам. Пчела-гибрид выживает без регулярных химических обработок и, что важно для пчеловодов, сохраняет миролюбивый характер.
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.
Ученые давно знают как с хорошим приближением прогнозировать рост поверхностей. Но экспериментально подтвердить точное соответствие реальных процессов и модели — гораздо более сложная задача, у которой, тем не менее, есть решение.
Окаменелые остатки рептилии возрастом 289 миллионов лет сохранили полное анатомическое устройство грудной клетки ранних покорителей суши. Благодаря нетронутым хрящам исследователи реконструировали механику первого полноценного реберного дыхания. Наличие в тканях оригинальных белков подтвердило, что сложные органические молекулы способны сохраняться в палеонтологической летописи почти на 100 миллионов лет дольше, чем считалось.
В парках некоторых стран все чаще можно заметить странную картину: синицы и воробьи вместо пуха и веточек приносят в клювах сигаретные окурки. Орнитологи из Польши решили выяснить, зачем птицы выстилают гнезда мусором, пропитанным никотином. Оказалось, пернатые нашли способ использовать вредную человеческую привычку для защиты своего потомства. Но, как это часто бывает в природе, у медали есть обратная сторона.
Марсоход «Персеверанс» обнаружил в камнях на кромке кратера Езеро спектральные признаки минерала корунда, из которого на Земле образуются рубины и сапфиры. Такие спектры на Красной планете зарегистрировали впервые. Теперь ученые пытаются понять, при каких процессах он мог там сформироваться, ведь условия на Марсе заметно отличаются от тех, в которых корунд обычно образуется на Земле.
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.
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