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.
В Сколтехе разработали сверхбыстрые калиевые аккумуляторы
Исследователи из Сколтеха в сотрудничестве с коллегами из Института проблем химической физики РАН и Уральского федерального университета показали, что на основе органических материалов можно создавать аккумуляторы с высокой емкостью и мощностью, не используя литий и другие редкие элементы. С аккумуляторами на основе калия ученые достигли рекордов как по стабильности катодных материалов, так и по их энергоемкости при быстром заряде и разряде.
Результаты опубликованы в журналах Journal of Materials Chemistry A, Journal of Physical Chemistry Letters и Chemical Communications.
Литий-ионные аккумуляторы сейчас занимают важное место в жизни каждого человека, поскольку широко используются для хранения энергии, в частности, в портативной электронике. Спрос на аккумуляторы стремительно растет ввиду быстрого развития электротранспорта, в разработку которого вкладывается все больше средств.
Так, например, компания Volvo намерена увеличить долю продаж электромобилей до 50% к 2025 году, а в концерне Daimler объявили, что больше не будут заниматься разработками двигателей внутреннего сгорания — акцент будет сделан на электрификации.
Однако массовое использование литий-ионных аккумуляторов обостряет проблему ограниченности ресурсов, необходимых для их производства. Переходные металлы, такие как кобальт, никель и марганец, входящие в состав распространенных катодов, являются сравнительно редкими и дорогостоящими, а также токсичными. Литий также не является распространенным элементом, и основную его часть добывают лишь в нескольких странах.
Заменить все автомобили, имеющие двигатели внутреннего сгорания на электромобили с литиевыми аккумуляторами практически невозможно — не хватит запасов лития на планете. Согласно расчетам немецкого Исследовательского центра по энергетической экономике (FFE), нехватка литиевых запасов может стать проблемой уже в ближайшие десятилетия. В последнее время ученые предлагают заменять литий на более распространенные элементы с похожими химическими свойствами, такие как натрий и калий.
Значительного успеха в разработке натриевых и калиевых аккумуляторов на органических катодных материалах достигли исследователи из Сколтеха под руководством профессора Павла Трошина. Результаты своих исследований они представили в трех статьях в высокорейтинговых международных научных журналах.
Первая работа авторов посвящена полимеру, содержащему гексаазатрифениленовые фрагменты. Материал оказался пригодным как для литиевых, так и для натриевых и калиевых аккумуляторов. Все три типа аккумуляторов можно заряжать примерно за 30–60 секунд, при этом их емкость не падает в течение тысяч заряд-разрядных циклов. «Одним из плюсов органических материалов является их универсальность», – объясняет первый автор работы, аспирант Сколтеха Роман Капаев.
«Механизмы окисления-восстановления органики слабо специфичны к природе противоионов. Это облегчает разработку альтернатив литий-ионным аккумуляторам: можно просто заменить дорожающий сейчас литий на натрий или калий, запасы которых вряд ли иссякнут когда-либо. Для неорганических материалов ситуация гораздо сложнее».
Недостаток полимерного катода на основе гексаазатрифенилена ‒ его невысокий рабочий потенциал (около 1,6 вольт относительно потенциала K+/K), что понижает энергоемкость аккумуляторов. Этого недостатка лишен второй материал, предложенный учеными — полимер на основе дигидрофеназина, обеспечивающий увеличение среднего рабочего напряжения аккумуляторов до 3,6 вольт.
«Ароматические полимерные амины имеют большие перспективы применения в качестве высоковольтных органических катодных материалов для металл-ионных аккумуляторов. В нашей работе мы впервые использовали поли-N-фенил-5,10-дигидрофеназин в составе катода калиевых аккумуляторов. Тщательная оптимизация электролита позволила нам получить удельную энергоемкость 593 Ватт-час на килограмм (Втч/кг), что является рекордом среди всех известных сейчас катодов для калий-ионных аккумуляторов», – объясняет первый автор работы, аспирант Сколтеха Филипп Обрезков.
Значительной проблемой металл-ионных аккумуляторов, в особенности систем с металлическим анодом, является формирование металлических дендритов, которые, прорастая вглубь ячейки, вызывают ее короткое замыкание, которое может сопровождаться возгоранием и даже взрывом. Образования дендритов можно избежать, если использовать вместо чистых щелочных металлов их сплавы, жидкие при температуре работы аккумулятора, что недавно было предложено группой профессора Джона Б. Гуденафа, получившего Нобелевскую премию. Известно, что легкоплавкий сплав калия и натрия, содержащий ~22% натрия по массе, имеет температуру плавления -12.7 ˚C.
В третьей работе авторы использовали в качестве анода подобный калий-натриевый сплав, нанесенный на углеродную бумагу. В качестве катодов использовались разработанные редокс-активные полимеры. Оказалось, что такие аккумуляторы можно заряжать/разряжать менее чем за десять секунд. При этом один из полимерных катодов для калиевых аккумуляторов показал наибольшие энергоемкости, а второй – превосходную стабильность: потеря емкости составила всего 11% после 10 000 заряд-разрядных циклов. Аккумуляторы на основе обоих материалов продемонстрировали также рекордные мощностные характеристики, достигая показателей ~100 000 Вт/кг, что соответствует режиму работы суперконденсаторов.
«На сегодняшний день для запасания энергии чаще всего используют металл-ионные аккумуляторы и суперконденсаторы», – комментирует работу руководитель коллектива Павел Трошин. «Первые запасают много энергии на единицу массы, но заряжаются медленно и относительно быстро теряют емкость в ходе эксплуатации. Вторые быстро заряжаются и выдерживают десятки тысяч циклов, но запасают мало энергии. Мы показали, что с использованием органических электроактивных материалов можно создать новое поколение электрохимических источников тока, сочетающих преимущества как металл-ионных аккумуляторов, так и суперконденсаторов. При этом нет необходимости использовать дорогостоящие соединения переходных металлов и литий».
Telegram 
Дзен 
VK Канадские исследователи на крупной выборке людей показали, что взросление в семье с несколькими детьми может способствовать развитию таких качеств, как честность и стремление к сотрудничеству.
Астрономы обнаружили, что всего в 42 световых годах от нас, вокруг оранжевой карликовой звезды, обращаются планеты, похожие друг на друга почти как братья-близнецы. Все они в диаметре — вылитая Земля, но в несколько раз тяжелее. Почему?
Согласно популярному утверждению, человеческая мысль — едва ли не самое быстрое, что существует в природе. Даже свет многие считают менее быстрым, поскольку он распространяется со скоростью 300 тысяч километров в секунду, а мысль — «мгновенно». Однако новое исследование опровергло бытовую логику. Ученые из Калтеха измерили скорость, с которой человек обрабатывает информацию, и обнаружили, что основные когнитивные процессы во много раз медленнее не только распространения света, но и низкоскоростного интернета.
До сих пор многие ученые считали, что у лунной воды два источника происхождения: немалая доля доставлена с упавшими кометами, но большая часть образовалась на самой Луне под действием частиц солнечного ветра. По итогам недавнего исследования планетологи вынуждены перечеркнуть эту картину. Они заявили, что кометная вода на естественном спутнике Земли действительно есть, но радиация вряд ли сыграла значительную роль. Вместо этого, похоже, главная часть лунной воды происходит из того же материала, из которого сформировалась наша планета.
Американские специалисты изучили больше двух тысяч ископаемых раковин моллюсков неогенового периода и обнаружили среди них уникальные свидетельства неудачной охоты. Две раковины зияли отверстиями, которые хищные улитки просверлили изнутри, то есть их добыча была уже мертвой. Это первые подобные наблюдения, и причин у древних ошибок могло быть несколько: палеонтологи не исключают, что брюхоногие «напали» на пустые раковины с голоду.
Группа антропологов проанализировала более 800 часов видеозаписей, собранных в течение 25 лет наблюдений за небольшой группой шимпанзе в Гвинее. Ученые решили выяснить, различаются ли подходы к добыче пищи у приматов одного сообщества. Оценив их действия по ряду критериев, исследовали обнаружили множество индивидуальных различий в колке орехов: некоторые шимпанзе справлялись значительно быстрее сородичей. Вдобавок выяснилось, что эти обезьяны оттачивают навыки вдвое дольше, чем считалось.
Обсерватории постоянно улавливают «мигающие» радиосигналы из глубин Вселенной. Чаще всего их источниками оказываются нейтронные звезды, которые за это и назвали пульсарами. Но к недавно обнаруженному источнику GLEAM-X J0704-37 они, по мнению астрономов, отношения не имеют.
Американская лунная программа «Артемида» предусматривает экспедиции длительностью от нескольких дней до долгих недель и даже месяцев, но луномобиля для передвижения экипажа по поверхности спутника Земли на сегодня нет. Поэтому космическое агентство США продумывает план действий на случай, если астронавты окажутся далеко от базы и кто-то из них внезапно не сможет идти самостоятельно.
С какого возраста зооврачи считают собак престарелыми? Это недавно выяснили исследователи из Великобритании и Венгрии, проанализировав карты пациентов ветеринарных клиник. Также ученые установили, от каких проблем со здоровьем чаще страдают пожилые питомцы.
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
Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно