AkbInfo.ru
информационный сайт об аккумуляторах
Вконтакте Facebook Twitter Канал Youtube
Сервис подбора стартерных аккумуляторов по марке автомобиля

Алексей Прохоров
28 августа 2021, Суббота в 10:44:18
0
комментариев

Проблему литий-ионных аккумуляторов помог решить их изобретатель

М. Стэнли Уиттингем (M. Stanley Whittingham) стал в конце 1970-х годов первым, кто описал концепцию перезаряжаемых литий-ионных аккумуляторов. За это достижение он разделил Нобелевскую премию по химии 2019 года. При этом сам изобретатель тогда не предвидел тех сложных материаловедческих проблем, которые возникнут с литий-ионными аккумуляторами батареями, когда они станут источником питания для портативной электроники во всём мире.

М. Стэнли Уиттингем использовал покрытие материала катода оксидом ниобия без лития. Это снизило потери ёмкости и улучшило долговременное использование аккумулятора

Фото: Джилл Хемман / ORNL



Одна их основных проблемы литий-ионных аккумуляторов заключается в том, что примерно 1/5 полезной ёмкости аккумуляторной батареи теряется до того, как устройство можно будет зарядить в первый раз. Это не зависит от того, где используется аккумулятор, в фотоаппаратах, ноутбуках, фонариках или даже электромобиле. Причина кроется в загрязнениях, которые образуются на катодах, богатых никелем. Через эти загрязнения происходит разряд накопленной энергии.

Чтобы решить данную проблему, Уиттингем возглавил группу ученых, в которую вошли его коллеги из Государственного университета Нью-Йорка в Бингемтоне (SUNY Binghamton), а также специалисты из Министерства энергетики (DOE) в Брукхейвене (BNL) и Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL). Они использовали нейтроны и рентгеновские лучи для проверки введённого усовершенствования. Оно заключалось в обработке поверхности катода (никель-марганцево-кобальтовый материал под названием NMC 811) оксидом ниобия без лития. Исследование получило название «Какова роль Nb в слоистых оксидных катодах с высоким содержанием никеля для литий-ионных батарей?». Результаты были опубликованы в ACS Energy Letters.

Оборудование VULCAN предназначено для исследования деформаций, остаточного напряжения, текстуры, фазового превращения, микроструктуры. В это оборудование включены печи, зарядные устройства, силовые конструкции и прочее вспомогательное оборудование для проведения измерений.

Фото: DOE

Как сказал Уиттингем (заслуженный профессор SUNY и директор Северо-восточного центра хранения химической энергии (NECCES) исследовательского центра Министерства энергетики США), их группа протестировала катод NMC 811 с оксидом ниобия без содержания лития в виде наноразмерного покрытия. Роль этого покрытия заключается в обеспечении проникновения ионов лития в материал катода.

Литий-ионные аккумуляторы имеют катоды, которые состоят из чередующихся слоев лития и оксидных материалов, богатых никелем (химические соединения, которые содержат, по крайней мере, один атом кислорода). Никель является относительно недорогим материалом и обеспечивает более высокую плотность энергии и большую ёмкость при меньших затратах, чем другие металлы, подходящие на эту роль.

Однако никель в катодах введённых километров нестабилен и легко реагирует с другими элементами. В результате, на поверхности катода образуются нежелательные примеси, которые снижают ёмкость аккумулятора на 10─18% при первом цикле заряда-разряда. Кроме того, никель может приводить к нестабильности внутри катодной структуры. Это приводит к дополнительному снижению ёмкости аккумулятора в течение длительного использования.


SNS генерирует нейтроны с помощью системы на основе ускорителя, доставляющей микросекундные протонные импульсы к стальной мишени, заполненной жидкой ртутью, посредством процесса, называемого расщеплением. Эти нейтроны затем направляются на современные приборы. Это предоставляет исследователям широкие возможности для исследования в сфере физики, химии, биологии и материаловедения.

Фото: DOE

Группа ученых провела исследование дифракции нейтронов на дифрактометре инженерных материалов VULCAN в источнике нейтронов расщепления (SNS) лаборатории ORNL. Это позволило им понять, как ниобий влияет на свойства катодных материалов, богатых никелем. Специалисты получили нейтронограммы чистого NMC 811 и образцов, покрытых оксидом ниобия.

Представитель аккумуляторного предприятия NECCES Хуэй Чжоу (Hui Zhou) отметил, что нейтроны легко проникали в катодный материал. Это позволило лучше понять, где располагаются атомы ниобия и лития, а также весь процесс модификации катода оксидом ниобия. Полученные данные, говорит Хуэй Чжоу, свидетельствует о том, что атомы ниобия стабилизируют поверхность. Это позволяет снизить потери ёмкости при первом цикле заряда-разряда. При более высоких температурах атомы ниобия вытесняют некоторые атомы марганца в глубину материала катода. Это обеспечивает сохранение ёмкости при длительном использовании аккумулятора.

По результатам эксперимента учёные получили подтверждение снижения потерь ёмкости при первом цикле заряда-разряда, а также улучшения сохранения емкости при долгосрочном использовании аккумуляторной батареи (более чем на 93% в течение 250 циклов заряда-разряда). Уиттингем говорит, что улучшения в электрохимических характеристиках системы и структурной стабильности аккумулятора делают систему NMC 811, модифицированной оксидом ниобия, кандидатом в качестве аккумуляторных элементов для использования в электромобилях, где требуется высокая энергетическая плотность. По его словам, сочетание ниобиевого покрытия и замены атомами ниобия атомов марганца может стать распространённым способом для препятствия снижению ёмкости при первом цикле заряд-разряд и снижению её при долгосрочном использовании аккумулятора. При этом, данное нововведение может быть легко интегрировано в уже существующие производственные процессы по выпуску катодов NMC.

Уиттингем добавил, что проведённое исследование поддерживает цели консорциума Battery500 Consortium, а также межведомственной программы, которую возглавляет Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория Департамента энергетики и возобновляемой энергии Министерства энергетики США. В соответствии с этой программой ведутся разработки литий-металлических аккумуляторных элементов будущего поколения, которые обеспечат энергетическую плотность до 500 ватт-часов на килограмм. Среднее значение актуальных сейчас литий-ионных аккумуляторов составляет 220 ватт-часов на килограмм.

Исследование было проведено при поддержке Управления энергоэффективности и возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США и Управления автомобильных технологий, а также использовались ресурсы Национального синхротронного источника света II (NSLS-II) компании BNL и ORNL. SNS и NSLS-II являются объектами управления науки Министерства энергетики США. Организация UT-Battelle LLC занимается управлением ORNL. Управление науки Министерства энергетики США является крупнейшим спонсором фундаментальных исследований в сфере физических наук в США и занимается решением некоторых наиболее актуальных проблем современности.

Оцените статью!
ОтвратительноПлохоТак себеХорошоЗамечательно (голосов: 1, в среднем: 5,00 из 5)
Загрузка...
Присоединяйтесь к нам в социальных сетях!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *




Вы находитесь: Главная Новости Изобретатель литий-ионных аккумуляторов помог решить их давнюю проблему
Подписка
Введите Ваш email
 
Поставьте эту галочку, если хотите отписаться от рассылки.
Внимание! Отправляя email для подписки, вы соглашаетесь с Политикой конфиденциальности.
Рассылка приходит раз в месяц и содержит последние материалы на сайте, которые могут быть вам интересны. Если Вы хотите отписаться от рассылки, то ведите email и поставьте галочку при отправке формы.
© 2015 - 2022 Информационный сайт об аккумуляторах Akbinfo.ru
Копирование материалов разрешено только при установке активной ссылки на наш сайт!!!