Органические материалы, составляющие катод, в котором функциональные группы в ходе реакций заряда и разряда попеременно окисляются и восстанавливаются. Во время заряда положительным является анод, отрицательным является катод.
Редкий кадр: катод аккумулятора телефона под микроскопом в 3D
Кроме того, Y6-PAs проявляют повышенную способность к смешиванию с донорскими полимерами по сравнению с маленькими молекулярными акцепторами того же типа. Эта смешиваемость обеспечивает формирование перколяционной сети на границе раздела в гетеропереходе. Перколяция, или просачивание не только повышает эффективность генерации заряда, но и существенно увеличивает стабильность полимерной морфологии. В итоге снижаются потери в производительности, возникающие в элементе под действием солнечного света. Большинство аккумуляторов для электромобилей содержат кобальт — металл, добыча которого связана с экономическими и политическими трудностями.
Например, в Австралии построят сеть огромных энергонакопителей на основе литий-ионных аккумуляторов, чтобы запасать излишки энергии, произведенной солнечными и ветровыми электростанциями. Но если литий-ионных аккумуляторов будет становиться больше, то рано или поздно закончится сырье для их производства. Похожая ситуация и с литием — на его добычу уходит так много воды, что это может стать серьезной экологической проблемой. Поэтому исследователи ищут новые энергонакопители, которые с одной стороны работают по принципу литий-ионных аккумуляторов и сохраняют их преимущества, а с другой используют более доступное сырье. Менделеева и ИПХФ РАН была использована перспективная постлитиевая технология двухионных аккумуляторов,в электрохимических процессах которых задействованы как анионы, так и катионы электролита, что в разы повышает скорости заряда батарей по сравнению с литий-ионными.
При этом в качестве катодов тестировались материалы на основе полимерных ароматических аминов, которые можно синтезировать из различных органических соединений. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов.
Самой логичной заменой литию будут натрий и калий — это близкие по природе химические элементы, которые находятся в той же группе периодической таблицы, что и литий. Однако натрия и калия много как в земной коре, так и в мировом океане — эти ресурсы почти безграничны. Потому стоимость натрия и калия на порядки ниже, чем лития. К сожалению, просто так взять и заменить литий в аккумуляторе на натрий или калий не получится.
В качестве типичных электродных материалов в современных аккумуляторах используются оксиды или соли тяжелых металлов катод и графит анод , между которыми в ходе зарядки и разрядки «курсируют» ионы лития. Ионы натрия и калия значительно больше по размеру, потому они попросту не помещаются в структуру тех катодных материалов, которые работают с ионами лития. Аналогично натрий не внедряется в графитовый анод, а калий делает это с трудом. Потому нужны принципиально новые материалы, а найти их среди неорганических соединений не так просто. Инновационный подход в этой области разрабатывается в Лаборатории перспективных электродных материалов для химических источников тока в Федеральном исследовательском центре проблем химической физики и медицинской химии Российской ака демии наук ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
В отличие от традиционных литиевых аккумуляторов, новые элементы для накопления заряда используют не только катионы Li, но и анионы галогенов LiCl и LiBr. При этом такой аккумулятор намного безопаснее. Команда продемонстрировала обратимость в течение 150 циклов. Помимо портативных аккумуляторов, этот химический состав можно использовать в устройствах, которые требуют больших энергий на уровне киловатт или мегаватт.
Новый LMR-катод минимизирует падение напряжения в литий-ионных батареях
С целью избегания ошибок электроды таких деталей получили специальное название – анод и катод. Более того, использование органических катодов позволяет полностью отказаться от использования дорогостоящих соединений лития, заменив их на дешевые соли натрия и калия. Обратимые заряд и разряд стали возможны благодаря наличию множества пор в катоде, которые могут аккумулировать образующийся хлор. «В рамках нашего текущего исследования мы проверили долгосрочную работу металлической батареи Ca с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS). «Сколтех» совместно с МГУ создал катод для натрий-ионных аккумуляторов на замену литию.
Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор
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.
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.
Ранее завод "Джизакаккумулятор" производил принципиально другие источники питания -- щелочные батареи. Для строительства на его площадях производства никель-кадмиевых аккумуляторов и было создано СП "УзЭксайд". Однако сотрудничество с Exide уперлось в финансовые проблемы. Подробности этого не разглашаются.
Владельцы первой компании являются совладельцами "Катода". По условиям контракта этот консорциум в рамках пусконаладочных работ ранее это планировал выполнить Exide должен организовать выпуск аккумуляторов под маркой "Катод" для всех видов автомобильного транспорта. По словам специалистов "Катода", контракт рассчитан до весны 2004 года.
Похожая ситуация и с литием — на его добычу уходит так много воды, что это может стать серьезной экологической проблемой. Поэтому исследователи ищут новые энергонакопители, которые с одной стороны работают по принципу литий-ионных аккумуляторов и сохраняют их преимущества, а с другой используют более доступное сырье. Менделеева и ИПХФ РАН была использована перспективная постлитиевая технология двухионных аккумуляторов,в электрохимических процессах которых задействованы как анионы, так и катионы электролита, что в разы повышает скорости заряда батарей по сравнению с литий-ионными.
При этом в качестве катодов тестировались материалы на основе полимерных ароматических аминов, которые можно синтезировать из различных органических соединений. Они формируют объемные сетчатые структуры, которые обеспечивают более быструю кинетику электродных процессов. С электродами из таких материалов аккумуляторы могут еще быстрее заряжаться и разряжаться». Стандартный литий-ионный аккумулятор — это ячейка объем которой заполнен литий-содержащим электролитом и разделен сепаратором на две части — в одной находится анод, а в другой катод.
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. Если есть каркас, то туда всегда можно поместить что-то нужное. Таким образом исследователи создали анод, включив тонкодисперсные активные материалы в пористый углерод МО-каркас.
Аккумуляторы будущего
Обратимые заряд и разряд стали возможны благодаря наличию множества пор в катоде, которые могут аккумулировать образующийся хлор. Ученые из Университета Мэриленда и Военно-исследовательской лаборатории армии США разработали катод нового химического типа без переходного металла для литий-ионных. «В рамках нашего текущего исследования мы проверили долгосрочную работу металлической батареи Ca с катодом из наночастиц сульфида меди (CuS). Губернатор Андрей Травников во время выездного совещания на площадке АО «Катод» обсудил вопросы поддержки воинских подразделений, участвующих в СВО.
Автоматическое зарядное устройство КАТОДЪ-501
Авторы проверили емкость устройства после 25 000 циклов заряда-разряда и обнаружили, что она составила треть от первоначальной. Если бы аккумулятор в телефоне был так же стабилен, его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. Удельная емкость таких устройств варьировалась от 82 до 101 миллиампер-часа на грамм в зависимости от силы тока при заряде и разряде. Кроме того, зарядить такие аккумуляторы ученые смогли всего за несколько секунд.
Статья об открытии опубликована в журнале Energy Technology. Москва, Большой Саввинский пер.
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. 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.
Одной из таких замен являются металл-кальциевые батареи. Кальций, как пятый по распространённости элемент в земной коре, широко доступен и недорог, а также у него более высокий потенциал плотности энергии, чем у лития. Также считается, что его свойства помогают ускорить перенос ионов и диффузию в электролитах и катодных материалах, что даёт ему преимущество перед другими альтернативами литиевым батареям — такими, как магний и цинк. Однако на пути коммерческой жизнеспособности кальциевых батарей остаётся много препятствий.
Так как сферическая форма кристаллов уменьшает площадь соприкосновения катода с электролитом, это замедляет процессы старения и деградации. Таким образом, срок службы катода и самой батареи электрокара увеличивается. В будущем исследователи планируют экспериментировать с размером частиц в надежде добиться еще лучших результатов в сфере повышения энергоемкости батарей. Ранее «Газета.
Новый материал катода ускорит зарядку литий-ионных батарей
В описанном процессе заряда полимерное покрытие катода остается стабильным во всем диапазоне рабочих потенциалов. При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. Исследователи из Токийского столичного университета разработали новый квазитвердотельный катод для твердотельных литий-металлических батарей со значительно сниженным.
Что такое анод и катод, в чем их практическое применение
Такие катоды могут выдерживать до 25000 циклов работы, а также заряжаться за несколько секунд, что превосходит возможности современных литий-ионных аккумуляторов. Зарядное устройство забирает электроны с катода, оставляя его с положительным зарядом, и направляет их на анод, сообщая ему отрицательный заряд. В процессе заряда ионы Li⁺ экстрагируются из материала катода, переносятся через электролит к аноду и внедряются в его структуру. 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.