Проблема заключалась в том, что катоды на основе подобных соединений отличаются относительно низким содержанием ионов натрия и энергоемкостью. "В катодах батарей для электромобилей, как правило, используются слоистые оксиды переходных металлов, в том числе богатые никелем. Катод это электрод, имеющий отрицательный или положительный заряд в зависимости от типа прибора или процесса.
«Катод»: трудно быть лидером
Заряд перестает передаваться по внешней цепи, оставаясь внутри аккумулятора. Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25,000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных. Органические материалы, составляющие катод, в котором функциональные группы в ходе реакций заряда и разряда попеременно окисляются и восстанавливаются. При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития.
Исследователи создали энергоемкий органический катод для аккумуляторов
Инженеры из США разработали литий-ионную батарею с катодом из органики вместо кобальта или никеля — она может снять зависимость индустрии электротранспорта от редких металлов. «Сколтех» совместно с МГУ создал катод для натрий-ионных аккумуляторов на замену литию. Это заставляет катод становиться положительно заряженным (по сравнению с анодом), что, в свою очередь, притягивает к катоду больше отрицательно заряженных электронов. Профессор Нисихара и его команда полагают, что GMS-лист станет важной вехой в производстве углеродных катодов для литий-O2-батарей.
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
Новости электроники, справочник радиолюбителя, электронные компоненты, радиодетали. Электрохимические процессы в LiIon аккумуляторах При разряде элементов питания ионы лития переносят заряд от анода к катоду. Катод и его отрицательный заряд Отрицательный заряд катода объясняется тем, что во время процесса электролиза, положительно заряженные ионы перемещаются к катоду под. Инженеры из США разработали литий-ионную батарею с катодом из органики вместо кобальта или никеля — она может снять зависимость индустрии электротранспорта от редких металлов. В новой работе авторы также представили катоды для таких аккумуляторов на основе полимерного соединения дигидрофеназина, который призван заменить собой кобальт. В электрохимии катод — электрод, на котором происходят реакции восстановления.
Российские химики разработали полимерные катоды для сверхбыстрых аккумуляторов
Полученный материал был применен в качестве катода для литий-ионного аккумулятора и показал хорошую стабильность и высокую емкость. Схема синтеза FeF 2 «Фторид железа не заменит литий в аккумуляторах, однако конверсионные катодные материалы позволяют создавать более эффективные аккумуляторы и, таким образом, эффективнее этот литий применять. Сам конверсионный катодный материал обладает существенно более высокими практически вдвое показателями удельной емкости и плотности энергии, чем существующие коммерчески-применяемые классические интеркаляционные материалы. Помимо этого, разработанный метод синтеза является достаточно простым, масштабируемым и более экологически безопасным», — пояснил младший научный сотрудник Международной исследовательской лаборатории нанодиагностики МИИ ИМ ЮФУ Виктор Шаповалов. Исследователи также выяснили ключевые особенности и отличия конверсионных электрохимических реакций, протекающих в процессе работы катодного материала, полученного по новой методике.
Температура больше не повышается, и аккумулятор возвращается в привычный режим работы», — рассказала капитан команды, магистрантка направления «Физика» Анна Никитенко. Такой способ имеет ряд преимуществ. Его внедрение на предприятиях не потребует перестройки производственной цепочки и, следовательно, больших вложений. Помимо этого, новая катодная масса будет в каждом аккумуляторе устройства, в то время как, например, выключатель прикрепляется только к одному из них, и если нагревание батареи начнется не с него, то сигнал о неполадках придет с опозданием. Еще один плюс проекта состоит в том, что изменения в катоде не отразятся на размере исходного изделия, что упростит масштабирование технологии в производство. Ребята планируют сотрудничать с производителями аккумуляторов для мобильных телефонов, бытовой техники и автомобилей, а также с изготовителями крупных промышленных батарей, например, для подводных лодок или электрокаров, предлагая предприятиям готовый продукт или лицензию на свою разработку. Студенты уже ведут переговоры с некоторыми компаниями. Команды, представившие самые наукоемкие и коммерчески перспективные бизнес-модели, получат денежные призы от эндаумент-фонда СПбГУ. Первое место принесет 300 000 рублей, второе — 200 000 рублей, а третье — 100 000 рублей. Кроме того, двум победившим командам могут предложить создать совместно с Университетом малые инновационные предприятия.
Помогут и с поиском сотрудников, которых в ближайшее время потребуется больше. В эту работу включены и образовательные учреждения региона.
Ионные жидкости произвели фурор в твердотельных литий-металлических батареях следующего поколения Добавлено: 22. При добавлении ионной жидкости их модифицированный катод мог поддерживать превосходный контакт с электролитом. Их прототип батареи также показал хорошее сохранение емкости. Хотя поиск лучшей ионной жидкости остается сложной задачей, эта идея обещает новые направления в разработке твердых литиевых батарей для практического применения. Но поскольку мы ищем лучшие решения с более высокой плотностью энергии, ученые обращаются к твердотельным литий-металлическим батареям. Литий-металлические батареи потенциально имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем их литий-ионные аналоги. Они рассматриваются как будущее батарей, приводящих в действие транспортные средства и энергосистемы в огромных масштабах.
От анода до катода
- Куда течёт ток? Анод. Катод. - YouTube
- Долговечные литий-металлические аккумуляторы разработали в KIT
- - Российские химики разработали полимерные катоды для сверхбыстрых аккумуляторов
- Что такое анод и катод, в чем их практическое применение
- Учёные сделали то, что уже давно нужно было сделать
- В КНР ученые нашли пагубное влияние черного чая на легкие — ведет к онкологии
Разработка российских ученых позволила увеличить пробег электрокаров на одной зарядке
Литий-ионные батареи LiB — перезаряжаемые батареи, которые сохраняют энергию за счет обратимого восстановления ионов лития, остаются одной из наиболее широко используемых аккумуляторных технологий во всем мире. Эти батареи питают широкий спектр устройств, от смартфонов, наушников и ПК до умных бытовых приборов и электромобилей. Группа исследователей из Городского университета Гонконга и ряда научных центров в США под эгидой Северо-Западного университета в Чикаго разработала решение, способное серьезно улучшить производительность LiB, продлить срок их службы и увеличить их энергоемкость за счет нового типа катодного материала. Известно, что многослойные катоды LMR подвержены явлению, известному как «утечка напряжения», которое влечет за собой быстрый износ катодов и потерю заряда в батарее.
Эта хорошо изученная проблема ранее не находила решения, что значительно ограничивает производительность LiB и их общий потенциал. В последнее время наблюдается всплеск интереса к классу материалов LMR, характеризующихся уникальной O2-многослойной структурой.
К тому же кобальтовое сырье довольно дорого. В последние годы стали использоваться и другие соединения со слоистой структурой, содержащие ионы нескольких переходных металлов кобальта, никеля, марганца , практическая емкость которых в полтора раза превосходит емкость кобальтата лития. В отличие от слоистой, шпинельная структура обеспечивает трехмерную диффузию ионов лития. Однако свободный объем, доступный для ионов лития, невелик, что ограничивает скорость диффузии и снижает мощность электрохимической ячейки в целом. Недостатками LiMn2O4 являются также заметная растворимость марганца в электролите и структурная неустойчивость при напряжениях ниже 3 В.
В последние годы большое внимание уделяется исследованиям катодных материалов с каркасной структурой на основе соединений лития и переходных металлов Fe, Mn, Co, Ni с полианионами, такими как PO4 3—, AsO4 3— и др. LiFePO4 отличается высокой структурной и химической устойчивостью при циклировании, а также нетоксичностью и доступностью. Однако у него очень низкая электронная и литий-ионная проводимость и, как следствие, неудовлетворительная циклируемость при больших токах. Однако в ходе многочисленных исследований были разработаны разнообразные методы для улучшения свойств LiFePO4. Например, нанести на поверхность частиц слой высокопроводящего углеродного покрытия, в результате чего электронная проводимость материала может возрасти многократно Ravet, Armand, 1999. Этому же способствует, например, и допирование материала катода алюминием, цирконием и другими металлами Chiang, 2002. Время российского «нано»?
В 2000 г. Ямато Sony первым показал, что в наноразмерном состоянии железофосфат лития способен работать даже при высоких скоростях заряда-разряда. На сегодняшний день наноразмерные композиты железо-фосфата лития и углерода практически не уступают по электрохимическим показателям другим известным катодным материалам. Поэтому они являются перспективными для использования в гибридных энергетических системах и крупногабаритных аккумуляторах для электромобилей, где большое значение имеют цена и безопасность. С чем же связано улучшение мощностных характеристик электродных материалов, особенно с низкой электронно-ионной проводимостью, при повышении их дисперсности? Это приводит к ускорению ионного транспорта и, соответственно, процессов заряда-разряда в аккумуляторах. Меньшие по размеру частицы также лучше адаптируются к объемным изменениям в ходе внедрения и экстракции ионов лития, что способствует повышению структурной стабильности материалов.
С увеличением дисперсности наблюдается и повышение электрохимической емкости. Особенность этого способа в том, что синтез наночастиц LiFePO4 из исходных реагентов идет параллельно с модифицированием поверхности этих частиц углеродом. В 2011 г. В сфере литий-ионных аккумуляторов все происходит на удивление быстро.
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. Мы убедительно показали отсутствие таких необратимых процессов с использованием просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Этот прибор обеспечивает пространственное разрешение до 0,06 нм, что позволяет получать изображения кристаллических структур с атомным разрешением», — отмечает аспирант Сколтеха Анатолий Морозов.
При этом раствор обедняется, и для поддержания непрерывности процесса электролиза приходится его обогащать. Так осуществляют извлечение тех или иных веществ из электролита электроэкстракцию. Если же анод может растворяться в электролите по мере обеднения последнего, то частицы его, растворяясь в электролите, приобретают положительный заряд и направляются к катоду, на котором осаждаются, тем самым осуществляется перенос материала с анода на катод. Так как при этом процесс ведут так, чтобы содержащиеся в металле анода примеси не переносились на катод, такой процесс называется электролитическим рафинированием. Если электрод поместить в раствор с ионами того же вещества, из которого он изготовлен, то при некотором потенциале между электродом и раствором не происходит ни растворения электрода, ни осаждения на нем вещества из раствора. Такой потенциал называется нормальным потенциалом вещества.
Если на электрод подать более отрицательный потенциал, то на нем начнется выделение вещества катодный процесс , если же более положительный, то начнется его растворение анодный процесс. Значение нормальных потенциалов зависит от концентрации ионов и температуры. Принято считать нормальный потенциал водорода за нуль. В табл. Если в электролите имеются ионы разных металлов, то первыми на катоде выделяются ионы, имеющие меньший отрицательный нормальный потенциал медь, серебро, свинец, никель , щелочноземельные металлы выделить труднее всего. Кроме того, в водных растворах всегда имеются ионы водорода, которые будут выделяться ранее, чем все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, поэтому при электролизе последних значительная или даже большая часть энергии затрачивается на выделение водорода. Два разнополярных электрода Два разнополярных электрода Путем специальных мер можно воспрепятствовать в известных пределах выделению водорода, однако металлы с нормальным потенциалом меньше 1 В например, магний, алюминий, щелочноземельные металлы получить электролизом из водного раствора не удается. Их получают разложением расплавленных солей этих металлов. Нормальные электродные потенциалы веществ являются минимальными, при них начинается процесс электролиза, практически требуются большие значения потенциала для развития процесса. Разность между действительным потенциалом электрода при электролизе и нормальным для него потенциалом называют перенапряжением.
Оно увеличивает потери энергии при электролизе. С другой стороны, увеличивая перенапряжение для ионов водорода, можно затруднить его выделение на катоде, что позволяет получить электролизом из водных растворов ряд таких более отрицательных по сравнению с водородом металлов, как свинец, олово, никель, кобальт, хром и даже цинк. Это достигается ведением процесса при повышенных плотностях тока на электродах, а также введением в электролит некоторых веществ. Течение катодных и анодных реакций при электролизе определяется следующими двумя законами Фарадея. В действительности масса выделившегося вещества всегда меньше указанной, что объясняется рядом побочных процессов, проходящих в ванне например, выделением водорода на катоде , утечками тока и короткими замыканиями между электродами. Выход по току существенно зависит от плотности тока на электроде. С увеличением плотности тока на электроде выход по току растет и повышается эффективность процесса. Устройство гальванической цепи. Из этой мощности только первая составляющая расходуется на проведение реакций, остальные являются тепловыми потерями процесса. Лишь при электролизе расплавленных солей часть теплоты, выделяющейся в электролите IUэ, используется полезно, так как расходуется на расплавление загружаемых в электролизер солей.
Эффективность работы электролизной ванны, может быть оценена массой вещества в граммах, выделяемого на 1 Дж затраченной электроэнергии. Эта величина носит название выхода вещества по энергии. Это «ГОСТ 15596-82.
Как здания влияют на микробиом и здоровье человека
- Литий «с плюсом»
- Учёные сделали то, что уже давно нужно было сделать
- Долговечный катод / Новости Энерговектор
- Российские ученые создали эффективную замену литию в аккумуляторах
- Долговечные литий-металлические аккумуляторы разработали в KIT
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
У аккумуляторов полярность на аноде и катоде изменяется от того, работает он как гальванический элемент (при разряде) или как электролизёр (при заряде). «Сколтех» совместно с МГУ создал катод для натрий-ионных аккумуляторов на замену литию. Зарядное устройство забирает электроны с катода, оставляя его с положительным зарядом, и направляет их на анод, сообщая ему отрицательный заряд. Международный коллектив, в который вошли учёные Сколтеха и их коллеги из Франции, США и Швейцарии, обнаружил причину энергетических потерь в цикле заряда-разряда литий-ионных.
Аккумуляторы будущего
| Аккумуляторы будущего: masterok — LiveJournal | При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. |
| Новосибирский завод «Катод» поставил приборы ночного видения бойцам СВО | В электрохимии катод — электрод, на котором происходят реакции восстановления. |
| Литий в лидерах: химические источники тока | В результате в сернистом катоде использовался катализатор ZIF-67 (названный S / ZIF-67 @ CL), который обеспечивал начальную емкость 1346 мАч г-1 при плотности тока 0,2 C. |
Ученые создали долговечный катод для натрий-ионных аккумуляторов
Однако на пути коммерческой жизнеспособности кальциевых батарей остаётся много препятствий. Основными препятствиями были отсутствие эффективного электролита и отсутствие достаточно качественных катодных материалов. CuS как природный минерал обладает благоприятными электрохимическими свойствами. Его слоистая структура позволяет ему хранить различные катионы, включая литий, натрий и магний.
Аноды современных ЛИА в основном изготавливают из графита, а катоды — из литированных оксидов переходных металлов.
В 1979 г. Джон Гуденаф University of Texas, Austin, США впервые продемонстрировал электрохимическую ячейку с напряжением 4 В, в которой в качестве катода был использован кобальтат лития LiCoO2 , а в качестве анода — металлический литий. Это было наиболее значимым событием и сделало создание ЛИА реальностью. Прототип электрохимической ячейки с углеродным анодом и катодом из кобальтата лития был создан в 1985 г.
Йошино Ashi Kasei Corp. В наши дни для анодов в исследовательской практике применяют разнообразные углеродные материалы, а в промышленности — только некоторые специальные, такие как «мезоуглеродные мезобусы» MCMB — продукт карбонизации пековых смол, выпускаемый японской компанией Osaka gas Co. Любой химический источник тока состоит из двух электродов катода и анода , контактирующих с электро-литом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции.
При включении аккумулятора во внешнюю электрическую цепь в ней возникает электрический ток. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделенных процессов: на катоде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны, создавая разрядный ток, переходят по внешней цепи к аноду, где они участвуют в реакции восстановления окислителя В конце прошлого века внимание исследователей привлекли также материалы на основе оксида олова. При использовании их в качестве анода литий внедряется не собственно в оксид, а в металлическое олово, образующееся при первоначальной катодной поляризации электрода. Теоретическая емкость аккумулятора с таким анодом почти втрое выше, чем с углеродным, однако недостатком всех металлических анодов является заметное изменение их объема при внедрении лития.
Проблему удалось решить благодаря применению кремния, из которого стали изготавливать аноды в виде тонких аморфных пленок или наноструктурированных композитов с углеродом. Сегодня емкость ЛИА лимитируется в основном свойствами катодных материалов. В качестве последних используют различные по структуре соединения. Наиболее широкое распространение получил упомянутый выше кобальтат лития LiCoO2: его слоистая структура обеспечивает двумерную диффузию ионов лития.
Преимуществами этой системы являются высокое рабочее напряжение 4 В , относительная простота синтеза, высокая электронно-ионная проводимость, что способствует циклированию при больших плотностях тока, и т. Однако у LiCoO2 имеется и немало недостатков: токсичность, невысокая практическая удельная емкость около половины от теоретической , недостаточная термическая и структурная устойчивость и др. К тому же кобальтовое сырье довольно дорого. В последние годы стали использоваться и другие соединения со слоистой структурой, содержащие ионы нескольких переходных металлов кобальта, никеля, марганца , практическая емкость которых в полтора раза превосходит емкость кобальтата лития.
В отличие от слоистой, шпинельная структура обеспечивает трехмерную диффузию ионов лития. Однако свободный объем, доступный для ионов лития, невелик, что ограничивает скорость диффузии и снижает мощность электрохимической ячейки в целом.
На другом электроде обеспечивается недостаток электронов и окисление металла, это анод. В то же время при работе гальванического элемента к примеру, медно-цинкового , избыток электронов и отрицательный заряд на одном из электродов обеспечивается не внешним источником тока, а собственно реакцией окисления металла растворения цинка , то есть у гальванического элемента отрицательным, если следовать приведённому определению, будет анод. Электроны, проходя через внешнюю цепь, расходуются на протекание реакции восстановления меди , то есть катодом будет являться положительный электрод. В соответствии с таким толкованием, для аккумулятора знак анода и катода меняется в зависимости от направления протекания тока. В электротехнике за направление тока принято считать направление движения положительных зарядов, поэтому в вакуумных и полупроводниковых приборах и электролизных ячейках ток течёт от положительного анода к отрицательному катоду, а электроны , соответственно, наоборот, от катода к аноду.
Название статьи говорит само за себя: «Проводящий анод с S-легированием из многовалентного сульфида железа с низкой кристалличностью и катод из 3D-пористого графитового углерода с высоким содержанием N [натрия] для высокопроизводительных натриево-ионных гибридных накопителей энергии». Понятно, что нельзя просто взять и объединить в новом устройстве аноды от обычных аккумуляторов и катоды от суперконденсаторов. Необходимо изменить свойства как анодов, так и катодов. У первых хромает скорость заряда, а вторые не отличаются высокой ёмкостью. Поэтому учёные пошли по пути создания объёмных электродов на основе пористых 3D-материалов — так называемых металлорганических каркасов.