3D-модель катода аккумулятора телефона под микроскопом показала, почему одни ячейки стареют быстрее, чем другие. Кроме того, использование связующих и несоответствие между катодом и электролитом также могут вызывать побочные реакции.
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
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. Однако технические проблемы не позволяют твердотельным литий-металлическим батареям найти применение в требовательных приложениях.
Одним из основных является дизайн интерфейса между электродами и твердыми электролитами. Электролиты в литий-ионных батареях обычно жидкие и легко воспламеняются, что представляет угрозу безопасности.
Решить проблему можно путем применения в качестве материалов для катодов органических соединений на основе легких элементов — углерода, гелия, азота, кислорода, серы. Среди их плюсов по сравнению с неорганическими материалами можно выделить высокую удельную энергоемкость, высокие скорости зарядки и разрядки, устойчивость к механическим деформациям, а также высокую экологичность — переработать их можно так же, как и обычный бытовой пластик. Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия. Поэтому нами была поставлена задача смоделировать и исследовать новые макромолекулы, потенциально обладающие более высокой энергоемкостью.
При работе электролизера например, при рафинировании меди внешний источник тока обеспечивает на одном из электродов избыток электронов отрицательный заряд , здесь происходит восстановление металла, это катод. 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.
Ранее «Газета. Ru» рассказывала о том, что компания XPeng представила в Дубае летающий «электрокар». Поделиться: Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D
Литий-ионная батарея заряжается и разряжается в процессе движения ионов лития между двумя электродами — анодом и катодом. Новая литий-ионная батарея содержит катод на основе органических веществ вместо кобальта и никеля. Аккумуляторы на базе таких катодов могут обладать плотностью хранения заряда, превосходящей LFP-батареи как минимум в два раза. Известно, что многослойные катоды LMR подвержены явлению, известному как «утечка напряжения», которое влечет за собой быстрый износ катодов и потерю заряда в батарее. Японская компания Taiheiyo Cement предложила использовать для изготовления катодов новый материал, который сократит зарядку аккумулятора в 3-4 раза. Автоматическое зарядное устройство КАТОДЪ-501 здорово всем народ сегодня решила разобрать и посмотреть что с этим зарядным устройством так как он работает неправильно.
Аккумуляторы будущего
Зарядное устройство забирает электроны с катода, оставляя его с положительным зарядом, и направляет их на анод, сообщая ему отрицательный заряд. Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия. Плотность энергии литий-ионных аккумуляторов может быть улучшена за счет сохранения заряда при высоких напряжениях за счет окисления оксидных ионов в материале катода.
Катод и анод
Будучи уже внедренными в промышленное производство, ЛИА до сих пор являются предметом интенсивного изучения, направленного на улучшение их электрохимических характеристик. Совершенствованию подвергаются все три компонента системы: электролит, катод и анод. 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.
Макса Планка MPI-P исследовали микроструктуру твердотельных литиевых аккумуляторов, вдохновившись наблюдением за ростом сталактитов и сталагмитов в пещерах. Первые растут сверху, а вторые — снизу. Похожим образом в твердотельных батареях растут дендриты из металлического лития. Но прежде никто не изучал вопросы, на каком электроде начинается рост дендритов и что его к этому подталкивает и, главное, как этого избежать.
Поиски корней дендритов в электродах батарей.
В CATL утверждают, что им удалось найти решения этих проблем. Так, в роли катода использовали материал под названием Prussian white ферроцианид железа, или выцветшая и окислившаяся берлинская лазурь с особой структурой, что решило проблему потери ёмкости. А для анода — пористый материал на основе твёрдого углерода, обеспечивший быстрое перемещение ионов натрия и высокий ресурс. При этом плотность энергии у получившейся батареи невелика: всего 160 ватт-часов на килограмм против 285 ватт-часов на килограмм в среднем у литий-ионных ячеек. В сравнении с литий-железо-фосфатными аккумуляторами натрий-ионные лучше работают при низких температурах и быстрее заряжаются.
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. 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. Skoltech Communications.
«Катод»: трудно быть лидером
| Катод — Википедия | Натрий-ионный аккумулятор работает по аналогии с литий-ионным: когда устройство заряжается и разряжается, ионы перемещаются между катодом и анодом. |
| Как технологии твердотельных Ssbt-аккумуляторов изменят мир - MEGATRENDS | Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия. |
| Разработаны новые органические электродные материалы для калий-ионных аккумуляторов | Что такое Анод и Катод? |
| Новосибирский завод «Катод» поставил приборы ночного видения бойцам СВО — РБК | 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. |
| EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей | Они показали, что такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных аккумуляторов. |
Долговечные литий-металлические аккумуляторы разработали в KIT
Полученный материал был применен в качестве катода для литий-ионного аккумулятора и показал хорошую стабильность и высокую емкость. В новых батареях ионы натрия заменяют ионы лития в катоде, а соли лития в электролите (жидкость, которая помогает переносить заряд между электродами батареи) заменяются. Губернатор Андрей Травников во время выездного совещания на площадке АО «Катод» обсудил вопросы поддержки воинских подразделений, участвующих в СВО.
Новый LMR-катод минимизирует падение напряжения в литий-ионных батареях
«В рамках нашего текущего исследования мы проверили долгосрочную работу металлической батареи Ca с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS). Новости электроники, справочник радиолюбителя, электронные компоненты, радиодетали. КАТОД – профессиональный ремонт турбин, стартеров и генераторов для всех видов транспорта. Катод это электрод, имеющий отрицательный заряд, а анод заряжен положительно. Аккумуляторы на базе таких катодов могут обладать плотностью хранения заряда, превосходящей LFP-батареи как минимум в два раза.
Новые материалы для катодов ускорят зарядку в 3-4 раза
| Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор | Что такое Анод и Катод? |
| Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D | Аккумуляторы на базе таких катодов могут обладать плотностью хранения заряда, превосходящей LFP-батареи как минимум в два раза. |
Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор
В будущем цена на этот элемент и аккумуляторы может сильно вырасти, если не найти ему замену в катодах. Менделеева и Института проблем химической физики РАН разрабатывают новые, так называемые двухионные аккумуляторы. В электрохимических процессах внутри них задействованы и катионы, и анионы электролита, что повышает эффективность работы устройств. В новой работе авторы также представили катоды для таких аккумуляторов на основе полимерного соединения дигидрофеназина, который призван заменить собой кобальт. В более ранних работах авторы также пробовали использовать полимерные материалы в качестве катодов, однако тогда они экспериментировали только с линейными молекулами. Теперь ученые решили использовать для синтеза соединения, образующие трехмерную структуру.
Ученые ЮФУ предложили метод получения катодного материала на основе фторида железа с использованием уникальных нанопористых веществ — метал-органических каркасных структур MIL-88. Сейчас исследования в области разработки новых, обладающих уникальными характеристиками, материалов для электрохимических систем становятся еще более актуальными в связи с лавинообразным началом замены бензиновых автомобильных двигателей на электрические, и повсеместным распространением электронных гаджетов. Александр Солдатов — научный руководитель направления ЮФУ, профессор МИИ ИМ ЮФУ Ученые Международного исследовательского института интеллектуальных материалов ЮФУ провели исследование, в ходе которого предложили новый, простой и масштабируемый метод производства конверсионного катодного материала на основе фторида железа. Благодаря конверсионной электрохимической реакции удается получить ту же величину емкости электрической энергии для значительно меньшей массы катодного материала.
В отличие от ранее известных способов получения подобных материалов, разработанный в ЮФУ метод подразумевает, что один из компонентов для производства катода — металл-органический каркас MIL-88A фумарат железа — синтезируется в водной среде без каких-либо токсичных добавок, что говорит о минимальном вреде окружающей среде.
Фото пресс-службы правительства региона По данным правительства региона, подразделения военнослужащих из Новосибирска полностью обеспечены приборами ночного видения. Как отметил Андрей Травников, множество предприятий области сейчас обеспечивает военных всем необходимым. Мы целевым образом помогаем воинским формированиям, которые дислоцируются или были созданы на территории нашего региона — это и «Ермак», и армейские подразделения, составленные из мобилизованных. Мы оказываем им различные виды помощи», — подчеркнул губернатор. Для поддержки таких предприятий в Новосибирской области есть целый ряд программ и инструментов, утверждённых Правительством региона, уточнил заместитель губернатора Сергей Сёмка.
Также Андрей Травников провёл в правительстве региона совещание по вопросам содействия и координации усилий по обеспечению поставок имущества и оказания услуг воинским подразделениям, принимающим участие в СВО.
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.
Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор
Ru» рассказывала о том, что компания XPeng представила в Дубае летающий «электрокар». Поделиться: Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Этот инвестиционный проект дал возможность увеличить мощности производства и повысить качество выпускаемой продукции. Это позволило внедрить 17 новейших разработок и приступить к вводу нового изделия в серийное производство. Конечно, сложностей в работе добавилось, но мы находим ресурсы для работы и в этих условиях. А то, что американское правительство ввело санкции против новосибирской компании, только подчеркивает, что в нас видят сильного конкурента», — отметил Владимир Локтионов. Первые заказы уже поступили. Успешную апробацию в ЦЕРНе Европейский центр ядерных исследований прошли опытные образцы последнего поколения фотоэлектронных умножителей.
Мы были включены в перечень поставщиков в случае возможных проектов в этом направлении. Это небольшие деньги. Но это вопрос престижа. Предприятий, обладающих компетенциями для такого производства, в мире не так много», — рассказал Сергей Мурашкин. Работать с удовольствием Своими успехами предприятие обязано прежде всего людям, которые здесь работают. Это выше, чем средняя зарплата в Новосибирской области. За пять лет на предприятии было создано 103 новых рабочих места. Общая численность сотрудников увеличилась до 750 человек, средний возраст в коллективе — 45 лет. На заводе вот уже 15 лет работает медицинский пункт, где сотрудники могут пройти медицинское обследование.
Традиционно компенсируется питание в столовой, также пережившей реконструкцию. Довольно много внимания уделяется спорту — «Катод» проводит как минимум четыре серьезных спартакиады среди работников. Особое отношение культивируется здесь к молодым специалистам и ветеранам труда. Для талантливой молодежи есть несколько программ поддержки: от выделения беспроцентной ссуды на приобретение жилья до оплаты арендованного жилья.
И это, к счастью, не пустые мечты, а новейшие Solid-state battery technology Ssbt , которые произведут революцию в мире твердотельных батарей. Это невероятная и быстро развивающаяся область, из которой мы все извлечем выгоду в не столь отдаленном будущем. Что такое твердотельный аккумулятор? Твердотельные батареи Solid-state battery technology, Ssbt , как следует из их названия, представляют собой батареи, которые имеют как твердые электроды, так и твердые электролиты. Это быстро развивающаяся технология нового поколения батарей, которая пришла на смену литий-ионным и литий-полимерным лидерам рынка. Ssbt-батареи имеют сравнительно низкую воспламеняемость, более высокую электрохимическую стабильность, существенный потенциал катодов и значительную плотность энергии, в сравнении с батареями с жидким электролитом. Эти функции, плюс их высокая производительность, невероятная безопасность и относительно низкая стоимость выпуска могут оказаться революционными для многих отраслей, в которых используются аккумуляторные технологии. На сегодняшний день существуют различные формы твердотельных Ssbt-батарей, которые, в первую очередь, различаются материалами, из которых изготовлены анод и катод, а также используемыми электролитами. Оксиды, сульфиды, фосфаты, простые и сложные полиэфиры, нитрилы, полисилоксаны, полиуретаны — это лишь некоторые из вариантов, которые в настоящее время исследуются и тестируются. Большинство разработок в области Ssbt-технологий, как правило, делятся на две категории — неорганические и органические твердые электролиты. Первые — в виде керамики, лучше всего подходят для жестких аккумуляторных систем, которые должны работать в суровых условиях окружающей среды, например, при высоких температурах. Вторые — в виде полимеров, легкие в обработке и, следовательно, дешевле , лучше всего подходят для гибких устройств. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. С стране постоянны перебои в цепи поставок и зафиксированы случаи использования детского труда — это оттолкнуло многие компании от заказов у данного поставщика. Есть опасения экспертов, что пока что рынок наблюдает только рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с дефицитом металла. В чем разница между твердотельными и литий-ионными батареями? Прежде чем мы перейдем к определению, что такое твердотельный аккумулятор или Solid-state battery technology, стоит вкратце рассказать, что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает. Анод — сделан из углерода в литий-ионных батареях , а также хранит литий. Сепаратор — этот материал, как ни странно, разделяет анод и катод, а также блокирует поток электронов, но позволяет ионам проходить через него. Электролит — это жидкость, которая разделяет два электрода и переносит катионы лития от анода к катоду при разрядке и, наоборот, при зарядке. Коллекторы тока — как положительные, так и отрицательные. Когда батарея подключена к электронному устройству, положительно заряженные ионы движутся от анода батареи к ее катоду. Это заставляет катод становиться положительно заряженным по сравнению с анодом , что, в свою очередь, притягивает к катоду больше отрицательно заряженных электронов. Сепаратор в батарее включает электролиты, которые образуют катализатор для ускорения процесса и перемещения ионов и электронов к аноду и катоду. Этот процесс приводит к появлению свободных электронов на аноде, что создает заряд на положительном токосъемнике батареи. Затем электрический ток течет от коллектора тока через устройство и обратно к коллектору отрицательного тока батареи. Когда литий-ионные батареи заряжаются, происходит тот же процесс, но в обратном направлении, восстанавливая батарею для разряда. В твердотельных Ssbt-батареях используется твердый электролит, а не жидкий. Этот твердый электролит имеет тенденцию действовать как разделитель аккумулятора. В остальном, процесс очень похож на процесс с литий-ионными батареями, но варьируется в зависимости от типа рассматриваемого твердотельного аккумулятора например, натрий-ионный и т. Преимущества твердотельных батарей перед традиционными Одно из главных преимуществ — безопасность. Жидким электролитам присущи некоторые проблемы. При более высоком напряжении внутри электролитов образуются нити металлического лития, что со временем увеличивает риск короткого замыкания батареи. Поэтому, электролиты в современных литий-ионных батареях легко воспламеняются.
Термины и определения». Там на странице 3 можно прочесть следующее: «Отрицательный электрод химического источника тока это электрод, который при разряде источника является анодом». То же самое, «Положительный электрод химического источника тока это электрод, который при разряде источника является катодом». Термины выделены мной. Но тексты правила и ГОСТа противоречат друг-другу. В чем же дело? А всё дело в том, что, например, деталь, опущенная в электролит для никелирования или для электрохимического полирования, может быть и анодом и катодом в зависимости от того наносится на нее другой слой металла или, наоборот, снимается. Электрический аккумулятор является классическим примером возобновляемого химического источника электрического тока. Он может быть в двух режимах — зарядки и разрядки. Направление электрического тока в этих разных случаях будет в самом аккумуляторе прямо противоположным, хотя полярность электродов не меняется. В зависимости от этого назначение электродов будет разным. При зарядке положительный электрод будет принимать электрический ток, а отрицательный отпускать. При разрядке — наоборот. При отсутствии движения электрического тока разговоры об аноде и катоде бессмысленны. Фарадей в январе 1834г. Каковы же причины введения новых терминов в науку Фарадеем? А вот они: «Поверхности, у которых, согласно обычной терминологии, электрический ток входит в вещество и из него выходит, являются весьма важными местами действия и их необходимо отличать от полюсов». В те времена после открытия Т. Зеебеком явления термоэлектричества имела хождение гипотеза о том, что магнетизм Земли обусловлен разностью температур полюсов и экватора, вследствие чего возникают токи вдоль экватора. Она не подтвердилась, но послужила Фарадею в качестве «естественного указателя» при создании новых терминов. Магнетизм Земли имеет такую полярность, как если бы электрический ток шел вдоль экватора по направлению кажущегося движения солнца. Обозначение анода и катода Обозначение анода и катода Фарадей записывает: «На основании этого представления мы предлагаем назвать ту поверхность, которая направлена на восток — анодом, а ту, которая направлена на запад — катодом». В основе новых терминов лежал древнегреческий язык и в переводе они значили: анод — путь солнца вверх, катод — путь солнца вниз. Мы же рекомендуем пользоваться ими, ибо в них корнем слова является ХОД и, во всяком случае, это напомнит пользователю термина, что без движения тока термин не применим. Для желающего проверить рассуждения создателя термина с помощью других правил, например правила пробочника, сообщаем, что северный магнитный полюс Земли лежит в Антарктиде, возле Южного географического полюса. В том числе и в зарубежных справочниках и энциклопедиях. Поэтому в электрохимии пользуются другими определениями, более понятными читателю. У них анод — это электрод, где протекают окислительные процессы, а катод — это электрод, где протекают восстановительные процессы. В этой терминологии нет места электронным приборам, но при электротехнической терминологии указать анод радиолампы, например, легко.