Исследователи изучают анионный окислительно-восстановительный механизм в литий-ионных аккумуляторах с богатым содержанием лития
С тех пор, как изобретатель Алессандро Вольта впервые сделал аккумулятор из медных и цинковых дисков, прошло 200 лет. Технология продолжила развиваться и, помимо свинцово-кислотных, появились и другие электрохимические системы. В том числе, были изобретены литий-ионные аккумуляторы. Однако многие проблемы, которые были изначально, до сих пор сохраняются. Например, остро стоит вопрос получения более высокой энергетической плотности, а также подавление деградации электродов. Поэтому учёные постоянно ведут работу над получением более энергоэффективных и безопасных аккумуляторов.
Электрификация самолётов и большегрузных автомобилей требует литий-ионные аккумуляторные батареи с высокой плотностью энергии. Существует немало исследователей, которые полагают, что для получения таких аккумуляторов требуется смена существующей парадигмы. Тогда удастся оказать существенное влияние на технологии производства аккумуляторных батарей.
Одним из перспективных направлений работы называется механизм анионного восстановления-окисления в катодах с высоким содержанием лития. 9 июня 2021 года в журнале Nature были опубликованы результаты наблюдения за анионной окислительно-восстановительной реакцией в АКБ с высоким содержанием лития. В этом исследовании приняли участие следующие учреждения: Университет Карнеги-Меллона, Северо-Восточный университет, Технологический университет Лаппеенранта-Лахти (LUT) в Финляндии, а также Университет Гумма, Японский научно-исследовательский институт синхротронного излучения (JASRI), Национальный университет Йокогамы, Университет Киото, Университет Рицумейкан из Японии.
Оксиды с высоким содержанием лития являются перспективным катодным материалом, поскольку они имеют значительно большую накопительную ёмкость, чем используемые сейчас материалы. Однако проблема заключается в том, что новый контрольный материал должен иметь возможность быстро заряжаться, работать в течение нескольких тысяч циклов заряда и разряда и быть устойчивым к перепадам температуры. Поэтому ученые начали с изучения того, как эти оксиды функционируют на атомном уровне и, какую роль играют электрохимические механизмы, положенные в их основу.
Стандартные литий-ионные аккумуляторы функционируют за счёт катионного окислительно-восстановительного потенциала. В этом случае ион металла меняет степень окисления при вставке или удалении ионов лития. В рамках каждой такой ставки ион металла может хранить только один ион лития. Катоды с высоким содержанием лития могут хранить значительно больше ионов в рамках одной такой ставки. Исследователи называют этот процесс анионным окислительно-восстановительным механизмом. Благодаря таким свойствам материала энергоёмкость аккумулятора можно увеличить почти в два раза. Постепенно этот окислительно-восстановительный механизм становится одним из ведущих для разработки будущих аккумуляторных технологий.
Команда исследователей задалась целью предоставить убедительные доказательства работы окислительно-восстановительного механизма с помощью комптоновского рассеяния. Это явление, при котором фотон отклоняется от прямой траектории после взаимодействия с частицей, в роли которой обычно выступает электрон. Ученые провели исследования на крупнейший в мире установке синхротронного излучения третьего поколения SPring-8. Это оборудование эксплуатируется JASRI.
Синхротронное излучение представляет собой мощные узкие пучки электромагнитного излучения. Они образуются в тот момент, когда электроны разгоняются практически до скорости света и двигаются по кривой траектории под действием магнитного поля. В этот момент комптоновское рассеяние становится видимым.
Исследователи изучали, как можно визуализировать электронную орбиталь, которая лежит в основе обратимой и стабильной анионной окислительно-восстановительной активности. Они пытались определить характер и асимметрию этой электронной орбитали. Полученные данные смогут изменить правила создания аккумуляторов в будущем. Предыдущие исследования в этом направлении предлагали иные объяснения анионного окислительно-восстановительного механизма. Они не обеспечивали четкого изображения квантово-механических электронных орбиталей, которые связаны с окислительно-восстановительными реакциями. Это объясняется тем, что данные явления невозможно оценить в ходе стандартных экспериментов.
В ходе экспериментов ученым удалось обнаружить соответствие между теорией и экспериментальными результатами в окислительно-восстановительном механизме. Как сказал ведущий автор исследования Хаснаин Хафиз (Hasnain Hafiz), анализ может показывать состояние кислорода, которое имеет ключевое значение для протекания окислительно-восстановительного механизма.
Доцент кафедры машиностроения в университете Карнеги-Меллон Венкат Вишванатан (Venkat Viswanathan) добавил, что их группа получила убедительные доказательства в поддержку анионного окислительно-восстановительного механизма в материале катода с высоким содержанием лития. По его мнению, исследование дает чёткое представление о функционировании богатого литием аккумулятора на атомном уровне. Кроме того, оно предлагает пути для разработки катодов следующего поколения, представляющих собой новый рубеж для развития аккумуляторов. Получение таких моделей позволит использовать электрическую авиацию.
(голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
