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 От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
В Олдувайском ущелье на севере Танзании ученые обнаружили скелет слона возрастом 1,78 миллиона лет, а рядом с ним — необычные для того времени каменные орудия. Авторы нового исследования полагают, что им удалось найти древнейшее место разделки гигантской добычи.
Астрономы обнаружили еще одно неожиданное последствие недавнего эксперимента с астероидом Диморф: его крупный и массивный «хозяин» Дидим стал медленнее вращаться вокруг своей оси. Ученые подозревают, что на него так повлияли разлетевшиеся обломки.
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
На юге Африки ученые обнаружили коллекцию небольших каменных стрел. С виду — обычные артефакты древнего человека. Но современные технологии позволили выявить их смертельный секрет. Эти наконечники, которым почти 60 тысяч лет, сохранили следы яда. Авторы нового исследования пришли к выводу, что древние охотники стали использовать яды намного раньше, чем считала наука.
В Олдувайском ущелье на севере Танзании ученые обнаружили скелет слона возрастом 1,78 миллиона лет, а рядом с ним — необычные для того времени каменные орудия. Авторы нового исследования полагают, что им удалось найти древнейшее место разделки гигантской добычи.
На скалистых берегах аргентинской Патагонии разворачивается настоящая драма. Магеллановы пингвины, долгое время чувствовавшие себя в безопасности на суше в своих многотысячных колониях, столкнулись с новым и беспощадным врагом. Их извечные морские страхи — касатки и морские леопарды — теперь блекнут перед угрозой, пришедшей из глубины материка. Виновник переполоха — грациозный и мощный хищник, недавно вернувшийся на эти земли после долгого изгнания.
Среди самых интригующих открытий космического телескопа «Джеймс Уэбб» — компактные объекты, получившие название «маленькие красные точки». Их видели только в самых дальних уголках Вселенной. Большинство возникло в первый миллиард лет после Большого взрыва, и ученые предполагали, что такие источники представляют собой небольшие компактные галактики. Однако международная команда астрономов пришла к иному выводу. Они предположили, что на самом деле «маленькие красные точки» — черные дыры, окруженные массивной газовой оболочкой.
Ученые задались вопросом: почему два расположенных по соседству спутника Юпитера такие разные, ведь на Ио повсеместно извергаются вулканы, а Европа полностью покрыта многокилометровой коркой льда. Есть версия, что Ио когда-то тоже была богата водой, но по итогам недавнего исследования это сочли неправдоподобным.
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