Химики обнаружили причину потерь энергии в катодных материалах для высокоёмких литий-ионных аккумуляторов

Международный коллектив, в который вошли учёные Сколтеха и их коллеги из Франции, и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных аккумуляторов с катодами из обогащённых литием сложных оксидов переходных металлов. В исследовании показано, что различие в рабочем напряжении при заряде и разряде, приводящее к низкой энергоэффективности, связано с образованием кинетически заторможенных долгоживущих промежуточных состояний никеля.

Развитие индустрии электротранспорта требует создания литий-ионных аккумуляторов с более высокой энергоёмкостью для того, чтобы обеспечить привлекательный для потребителя диапазон пробега. Тяговые батареи нового поколения могут быть созданы на основе перспективных катодных материалов, представляющих собой сложные оксиды лития и переходных металлов с избыточным содержанием лития. Такие материалы обеспечивают рекордную на сегодняшний день электрохимическую ёмкость за счёт участия в окислительно-восстановительных реакциях как катионов переходных металлов (никель и кобальт), так и анионов кислорода. К сожалению, из-за разницы напряжений заряда и разряда (гистерезис напряжения) работа такого аккумулятора сопровождается потерями энергии, что создаёт препятствие для практического использования.

«В процессе работы литий-ионного аккумулятора положительно заряженные катионы лития покидают свои места в структуре катодного материала при заряде и встраиваются обратно при разряде. Одновременно катодный материал должен отдать или принять эквивалентное количество электронов, чтобы сохранить электронейтральность. В нашей работе показано, что кинетические затруднения и энергетические барьеры связаны не только с перемещением катионов лития, но в значительной степени с перемещением электронов. В особенности заторможенной может быть передача электронов между катионами переходного металла и атомами кислорода, что как раз и приводит к энергетическим потерям», — рассказывает директор Центра энергетических технологий (CEST) Сколтеха профессор Артём Абакумов.

Читайте также:  Ученые предложили новый способ борьбы с раком

«Для того, чтобы „поймать“ такие заторможенные электронные состояния, нам было необходимо в первую очередь исключить другие возможные причины гистерезиса рабочего напряжения, например изменения в кристаллической структуре катода за счёт миграции катионов переходных металлов. Мы убедительно показали отсутствие таких необратимых процессов с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Нам позволил это сделать уникальный микроскоп Titan Themis Z, установленный в ЦКП „Визуализация высокого разрешения“ в Сколтехе. Этот прибор обеспечивает пространственное разрешение до 0,06 нм, что позволяет получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением», — отмечает аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.

«Наш микроскоп представляет собой материаловедческую лабораторию, которая может быть использована для анализа вещества различными методами с высокой локальностью. В этой работе мы использовали не только изображения структур, но и смогли провести спектральный анализ электронного состояния катионов никеля и титана, а также анионов кислорода в разных состояниях заряда аккумулятора. Таким образом мы выяснили, что именно никель в высокой степени окисления является заторможенным электронным состоянием, что также нашло подтверждение при помощи других спектроскопических методик», — объясняет научный сотрудник Сколтеха Ольга Емельянова.

Читайте также:  Химики МГУ с коллегами раскрыли биохимический механизм неспособности к обучению

«Данное исследование показывает, какие уникальные возможности открывает современная просвечивающая электронная микроскопия для исследования практически важных материалов. Направленная разработка материалов с уникальными функциональными свойствами невозможна без знания их кристаллической и электронной структуры на локальном уровне. Возможность проводить такие исследования является серьёзным конкурентным преимуществом Сколтеха», — отмечает руководитель ЦКП «Визуализация высокого разрешения» Ярослава Шахова.

В исследовании также приняли участие специалисты Коллеж де Франс, Университета Сорбонна, Сети электрохимического хранения энергии (RS2E), Университета Иллинойса, Института Пауля Шеррера (Швейцария), синхротронного центра SOLEIL (Франция) и Университета По и региона Адур (Франция).

Статья опубликована в журнале Nature Materials  
Источник: skoltech.ru

Похожие статьи:

  1. Открыт новый способ конверсии света в электричество
  2. Полиоксометаллаты существенно увеличать емкость флэш-памяти
  3. Физики приблизились к созданию металлического водорода
  4. Физики “закрыли” карбид технеция
  5. Разработан новый метод синтеза графеновых нанополосок
  6. Ученые МГУ синтезировали новые минералоподобные фосфаты для создания аккумуляторов

Метки Технологии, Физика, Химия. Закладка постоянная ссылка. « Избыток «гормона счастья» у беременных грызунов сделал их детенышей дружелюбными и любознательными У южноамериканских летучих мышей оказалась неожиданно развитая долговременная память »

Добавить комментарий Отменить ответ

Ваш адрес email не будет опубликован.

Комментарий

Имя

Сайт

Δ

Источник материала: sci-dig.ru

Поделиться новостью: