Ученые приблизились к разработке более мощных и долговечных аккумуляторов — Naked Science
27.05.2020
Сколтех

Ученые приблизились к разработке более мощных и долговечных аккумуляторов

4.7

Исследователи из Центра энергетических наук и технологий Сколтех (CEST) визуализировали формирование поверхностного пассивирующего слоя на углеродистых электродных материалах аккумуляторного класса с использованием локальной атомно-силовой микроскопии (AFM). Это поможет исследователям разрабатывать и изготавливать аккумуляторы с более высокой производительностью и долговечностью.

Схема эксперимента ученых / ©Pavel Odinev / Пресс-служба Сколтеха

Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом, были опубликованы в журнале Scientific Reports. Поверхностный пассивирующий слой (SEI) представляет собой тонкий слой продуктов восстановления электролита, образующихся на поверхности анода литий-ионной батареи в течение нескольких начальных циклов.

Он предотвращает дальнейшее разложение электролита, стабилизирует поверхность электрод/электролит и обеспечивает длительный срок службы батареи. Для формирования пленки SEI требуются время и энергия, а ее качество в значительной степени определяет производительность и долговечность батареи: плохо сформированная пленка SEI приводит к быстрому снижению емкости батареи.

Тем не менее, формирование SEI все еще плохо изучено, и ученые используют in situ атомно-силовую микроскопию, которая позволяет непосредственно наблюдать за этим процессом. До настоящего времени большинство подобных измерений проводилось на высокоориентированном пиролитическом графите (ВОПГ), очень чистой и упорядоченной форме графита, который имеет чистую и атомно плоскую поверхность, представляющую собой базовую кристаллографическую плоскость.

Тем не менее, ВОПГ служит плохой заменой фактических материалов для аккумуляторных электродов, поэтому процесс значительно отличается от того, что происходит внутри коммерческой батареи.  Команде Сколтеха, возглавляемой научным сотрудником Сергеем Лучкиным и профессором Китом Стивенсоном, удалось визуализировать формирование SEI на материалах для батарей.

Схематическое изображение стандартных (а) и новых (б) АСМ электрохимических элементов / ©www.nature.com

Для этого им пришлось сконструировать электрохимическую ячейку, которая позволяет проводить измерения, необходимые для непосредственного наблюдения за образованием SEI.  «Аккумуляторные материалы — это порошки, и визуализация динамических процессов на их поверхности с помощью АСМ, особенно в жидкой среде, является сложной задачей.

Стандартный электрод батареи обладает слишком высокой шероховатостью для таких измерений, а изолированные частицы имеют тенденцию к отделению от подложки во время сканирования. Чтобы решить эту проблему, мы инкапсулировали частицы в эпоксидную смолу и сделали поперечное сечение, таким образом, частицы оказались прочно закреплены в подложке», — говорит Лучкин.

Исследователи обнаружили, что потенциал нуклеации SEI на материалах батарейного типа отличается от ВОПГ. Он также оказался в два раза толще и механически прочнее. Наконец, им удалось продемонстрировать, что SEI лучше связывается с шероховатой поверхностью графита для батареи, чем с плоской поверхностью ВОПГ.

«Исследования интерфейсов и промежуточных фаз батарей с высоким пространственным разрешением, подробно описанные в этой работе, дают новый взгляд на структуру и эволюцию SEI анода. Таким образом, формируются четкие принципы создания электролитов для обеспечения высокой производительности батарей с улучшенной безопасностью», — добавляет Стивенсон.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Сколковский институт науки и технологий — негосударственный технологический университет, расположенный в инновационном центре Сколково. Институт был создан в 2011 году при поддержке Массачусетского технологического института. Модель института предусматривает тесную интеграцию технологического образования, исследовательской работы и предпринимательских навыков. Институт ведёт обучение по программам магистратуры и PhD, рабочий язык — английский.
Вчера, 17:42
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

8 часов назад
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

Вчера, 18:00
Сколтех

Исследователи Сколтеха и их коллеги изучили самый продолжительный на сегодня случай заболевания Covid-19 у пациентки с ослабленным иммунитетом, которая болела 318 дней. Исследование позволило выявить мутации, которые помогают коронавирусу SARS-CoV-2 избегать клеточного иммунитета.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: