• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
28.08.2023
ФизТех
429

Российские физики показали, как подобрать растворители для магний-ионных аккумуляторов

4.4

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.

Российские физики показали, как подобрать растворители для магний-ионных аккумуляторов
Российские физики показали, как подобрать растворители для магний-ионных аккумуляторов / ©Getty images / Автор: Visellia Orfius

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». 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Предстоящие мероприятия
Позавчера, 18:49
Ольга Иванова

Многие любят зиму только потому, что в это время нет насекомых. Для этой «нелюбви» медики даже придумали название — инсектофобия. Если верить статистике, ею страдают до шести процентов жителей США. Остальных такая «мелочь» чаще всего вообще не интересует. А зря! Насекомые — это целый мир, весьма интеллектуальный и загадочный. Об их эволюции, самых крупных представителях в истории Земли и, конечно, когнитивных способностях этих крошечных существ Naked Science поговорил с кандидатом биологических наук, экскурсоводом Зоологического музея ЗИН РАН и популяризатором науки Ильей Удаловым.

6 часов назад
Игорь Байдов

Помпеи стали римской колонией лишь за 160 лет до извержения Везувия. Каменные плиты, пережившие катастрофу, хранят следы повозок, дождевых потоков, отпечатки ног. Каждая колея — словно страница дневника, рассказывающая о том, как жили Помпеи. Американский археолог изучил улицы города и узнал, как местные жители изменили свою жизнь после полной установки римской власти.

Позавчера, 12:02
Елизавета Александрова

Солнечная радиация в межпланетном пространстве — одна из серьезных проблем для пилотируемой космонавтики. Полет на Марс длится долгие месяцы, а прогнозировать крупное солнечное событие пока не представляется возможным. Тем не менее ученые нашли способ оперативного оповещения экипажа о начале такого события и дать космонавтам время укрыться от пиковой дозы. Как выяснилось, в этом может помочь уже успешно работающий на Марсе прибор.

12 февраля
Елизавета Александрова

Пролетевший через Солнечную систему в 2017 году астероид Оумуамуа произвел неизгладимое впечатление в том числе своей беспрецедентно вытянутой формой. Астрономы попытались рассчитать, как он мог стать таким и почему в Солнечной системе мы не наблюдаем ничего подобного.

13 февраля
Елизавета Александрова

Астрономы рассчитали, сколько небесных тел могло прилететь в Солнечную систему от соседних звезд, расположенных в четырех световых годах от нас. Выяснилось, что такие объекты не только должны навещать нас, но и, вероятно, присоединяются ко множеству наших «местных» комет и астероидов. По расчетам, вокруг Солнца может обращаться около миллиона довольно крупных объектов из системы Альфы Центавра.

15 февраля
Evgenia

Ученые математически объяснили возможность обратного течения времени на микроуровне. Новое исследование показывает, что противоположные стрелы времени теоретически могут возникать в определенных квантовых системах.

31 января
Березин Александр

В 2022-2025 годах страны Западной Европы попытались отказаться от природного газа из России. Автор новой работы показал, что получившиеся при этом результаты были во многом противоположны целям.

12 февраля
Елизавета Александрова

Пролетевший через Солнечную систему в 2017 году астероид Оумуамуа произвел неизгладимое впечатление в том числе своей беспрецедентно вытянутой формой. Астрономы попытались рассчитать, как он мог стать таким и почему в Солнечной системе мы не наблюдаем ничего подобного.

10 февраля
Елизавета Александрова

Астрономы обнаружили, что почти треть всех наблюдаемых галактик во Вселенной объединены в пять самых широкомасштабных структур — галактические сверхскопления. На составленной учеными трехмерной карте одно особенно выделяется своими рекордными размерами: простирается на миллиард с лишним световых лет.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий
Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно