При зарядке аккумулятора литий из катода переходит в графит на аноде, в результате чего там получается соединение углерода и лития. История «Катода» — это история развития наукоемкого бизнеса в России, который, несмотря на внутренние и внешние проблемы, все же достиг успеха и мирового признания. Проблема заключалась в том, что катоды на основе подобных соединений отличаются относительно низким содержанием ионов натрия и энергоемкостью.
Научились заряжать аккумулятор за несколько секунд ученые в России
Электрод, предназначенный для приема эмиттированных катодом электронов, называется анодом. На анод подают более высокий и положительный относительно катода потенциал. В отличие от электронной электропроводности металлов в электролитах растворах солей, кислот и оснований в воде и в некоторых других растворителях, а также в расплавленных соединениях наблюдается ионная электропроводность. Электролиты являются проводниками второго рода.
В этих растворах и расплавах имеет место электролитическая диссоциация — распад на положительно и отрицательно заряженные ионы. Химия электролиза. Если в сосуд с электролитом — электролизер поместить электроды, присоединенные к электрическому источнику энергии, то в нем начнет протекать ионный ток, причем положительно заряженные ионы — катионы будут двигаться к катоду это в основном металлы и водород , а отрицательно заряженные ионы — анионы хлор, кислород — к аноду.
У анода анионы отдают свой заряд и превращаются в нейтральные частицы, оседающие на электроде. У катода катионы отбирают электроны у электрода и также нейтрализуются, оседая на нем, причем выделяющиеся на электродах газы в виде пузырьков поднимаются кверху. Электрический ток во внешней цепи представляет собой движение электронов от анода к катоду.
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.
За счёт этого двухионные аккумуляторы часто могут заряжаться быстрее, чем обычные литий-ионные. Кроме того, в работе была еще одна новация. В некоторых экспериментах ученые использовали не литий-содержащие электролиты, а калий-содержащие и так получали калиевые двухионные аккумуляторы, для работы которых не нужно дорогого лития.
На их основе сделали катоды, а в качестве анодов использовали металлический литий и калий - все основные характеристики таких прототипов батарей, которые называются полуячейками, определяются катодной частью и ученые собирают их, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов. PDPAPZ напротив оказался достаточно удачным материалом: литиевые полуячейки с этим полимером могли сравнительно быстро заряжаться и разряжаться, а также показали хорошую стабильность. Они сохраняли до трети своей ёмкости даже после 25 тысяч рабочих циклов - если бы обычный аккумулятор в телефоне обладал такой же стабильностью, то его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет. Таким образом, российские ученые показали, что разработанные полимерные катодные материалы можно использовать для создания эффективных литиевых и калиевых двухионных аккумуляторов.
Добавьте новости "Курьер. Бердск" в избранное - и Яндекс будет показывать их выше остальных.
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. 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.
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.
Именно здесь твердотельные батареи обеспечивают гораздо больший уровень безопасности, чем литий-ионные батареи. Например, использование альтернативных керамических электролитов имеет гораздо меньшую вероятность возгорания. Керамические материалы также помогают предотвратить образование литиевых нитей, которые теоретически могут позволить таким батареям работать при гораздо более высоких напряжениях. Однако керамика достаточно хрупкий материал и может оказаться проблематичным при эксплуатации и производстве. Существуют решения, позволяющие упредить эту проблему, к примеру, пропитка керамики наночастицами графена. Это не только увеличивает долговечность керамических электролитов, но помогает усиливать их ионную проводимость. Помните, что электролиты проводят ионы, а не электричество? Эксперименты в этой области, проводимые группами, к примеру, из университета Брауна, показали, что этот раствор может удвоить или утроить прочность керамического электролита, сохраняя его полезность в качестве потенциального электролита и сепаратора твердотельной Ssbt-батареи. Другие варианты включают использование органических катодов в сочетании с твердотельными ионно-натриевыми батареями. Это интересно, поскольку существующие натриево-ионные батареи, хоть и являются твердотельными, не обладают плотностью энергии литий-ионных батарей.
Другая проблема, связанная с твердотельными батареями solid-state battery такого типа, заключается в том, что слой неактивных кристаллов натрия имеет тенденцию нарастать на катоде, блокируя движение ионов натрия и эффективно разрушая батарею.
EMD: Ученые изготовили эффективные органические катоды для цинк-ионных батарей
| 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. |
| - Российские химики разработали полимерные катоды для сверхбыстрых аккумуляторов | В новых батареях ионы натрия заменяют ионы лития в катоде, а соли лития в электролите (жидкость, которая помогает переносить заряд между электродами батареи) заменяются. |
Ученые разработали новый тип катода для аккумуляторов
Катод и его отрицательный заряд Отрицательный заряд катода объясняется тем, что во время процесса электролиза, положительно заряженные ионы перемещаются к катоду под. Проблема заключалась в том, что катоды на основе подобных соединений отличаются относительно низким содержанием ионов натрия и энергоемкостью. В электрохимии катод — электрод, на котором происходят реакции восстановления.
Химики впервые перезарядили тионилхлоридный аккумулятор
Электрохимические процессы в LiIon аккумуляторах При разряде элементов питания ионы лития переносят заряд от анода к катоду. История «Катода» — это история развития наукоемкого бизнеса в России, который, несмотря на внутренние и внешние проблемы, все же достиг успеха и мирового признания. Он отличается беспрецедентной стабильностью работы при высоких скоростях заряда и разряда, а также имеет высокий электрохимический потенциал. Знание того, какой заряд имеет катод, является ключевым для понимания его функции и влияния на электролитические. "В катодах батарей для электромобилей, как правило, используются слоистые оксиды переходных металлов, в том числе богатые никелем. "В катодах батарей для электромобилей, как правило, используются слоистые оксиды переходных металлов, в том числе богатые никелем.
Российские химики разработали полимерные катоды для сверхбыстрых аккумуляторов
В статье, опубликованной в журнале Nature Materials , показано, что различие в рабочем напряжении при заряде и разряде, приводящее к низкой энергоэффективности, связано с образованием кинетически заторможенных долгоживущих промежуточных состояний никеля. Развитие индустрии электротранспорта требует создания литий-ионных аккумуляторов с более высокой энергоёмкостью для того, чтобы обеспечить привлекательный для потребителя диапазон пробега. Тяговые батареи нового поколения могут быть созданы на основе перспективных катодных материалов, представляющих собой сложные оксиды лития и переходных металлов с избыточным содержанием лития. Такие материалы обеспечивают рекордную на сегодняшний день электрохимическую ёмкость за счёт участия в окислительно-восстановительных реакциях как катионов переходных металлов никель и кобальт , так и анионов кислорода. К сожалению, из-за разницы напряжений заряда и разряда гистерезис напряжения работа такого аккумулятора сопровождается потерями энергии, что создаёт препятствие для практического использования.
И только отдельные страны могут похвастаться значительными месторождениями лития. Среди них Чили, Австралия, Аргентина, Китай и некоторые другие. Но даже если извлечь весь литий, который есть в земной коре, и сделать из него литий-ионные аккумуляторы, то их попросту не хватит для электрификации мирового транспорта. Ситуация обостряется тем, что литий очень плохо извлекается из отработавших свой срок аккумуляторов. Осознание острой нехватки лития в мире привело к взлету цен на его соединения: они выросли пятикратно в конце 2022 — начале 2023 гг. Потом произошел «откат», и стоимость лития значительно снизилась к концу 2023 года, но тренд уже всем понятен — литий будет постоянно дорожать из-за его острой нехватки для нужд стремительно растущей аккумуляторной промышленности.
Очевидно, что нужна альтернативная технология хранения энергии — не литиевые аккумуляторы, а какие-то другие, которые работают без лития, но при этом дают сопоставимые технические характеристики. 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.
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. В заряженном состоянии большинство атомов лития встроены в кристаллическую структуру анода, а при разряде они выходят из анода и через сепаратор проникают в катодный материал. В двухионных аккумуляторах, с которыми работали российские ученые, в электрохимических процессах участвуют не только катионы электролита то есть катионы лития , но и анионы, которые то встраиваются, то выходят из структуры катодного материала.
За счёт этого двухионные аккумуляторы часто могут заряжаться быстрее, чем обычные литий-ионные. Кроме того, в работе была еще одна новация. В некоторых экспериментах ученые использовали не литий-содержащие электролиты, а калий-содержащие и так получали калиевые двухионные аккумуляторы, для работы которых не нужно дорогого лития. На их основе сделали катоды, а в качестве анодов использовали металлический литий и калий - все основные характеристики таких прототипов батарей, которые называются полуячейками, определяются катодной частью и ученые собирают их, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов. PDPAPZ напротив оказался достаточно удачным материалом: литиевые полуячейки с этим полимером могли сравнительно быстро заряжаться и разряжаться, а также показали хорошую стабильность. Они сохраняли до трети своей ёмкости даже после 25 тысяч рабочих циклов - если бы обычный аккумулятор в телефоне обладал такой же стабильностью, то его можно было бы ежедневно заряжать и разряжать на протяжении 70 лет.
В заряженном состоянии большинство атомов лития встроены в кристаллическую структуру анода, а при разряде они выходят из анода и через сепаратор проникают в катодный материал. В двухионных аккумуляторах, с которыми работали российские ученые, в электрохимических процессах участвуют не только катионы электролита то есть катионы лития , но и анионы, которые то встраиваются, то выходят из структуры катодного материала. За счёт этого двухионные аккумуляторы часто могут заряжаться быстрее, чем обычные литий-ионные. Кроме того, в работе была еще одна новация. В некоторых экспериментах ученые использовали не литий-содержащие электролиты, а калий-содержащие и так получали калиевые двухионные аккумуляторы, для работы которых не нужно дорогого лития. На их основе сделали катоды, а в качестве анодов использовали металлический литий и калий - все основные характеристики таких прототипов батарей, которые называются полуячейками, определяются катодной частью и ученые собирают их, чтобы быстро оценить возможности новых катодных материалов. PDPAPZ напротив оказался достаточно удачным материалом: литиевые полуячейки с этим полимером могли сравнительно быстро заряжаться и разряжаться, а также показали хорошую стабильность.
Что такое анод и катод, в чем их практическое применение
3D-модель катода аккумулятора телефона под микроскопом показала, почему одни ячейки стареют быстрее, чем другие. Выяснилось, что на межзёренных границах отрицательного электрода (на катоде) в процессе заряда и разряда батарей с твёрдым электролитом скапливаются электроны. КАТОД – профессиональный ремонт турбин, стартеров и генераторов для всех видов транспорта. Исследователи из Сколтеха разработали инновационный материал для катодов литий-ионных батарей электротранспорта. Ученые из Университета префектуры Осака разработали катод из сульфида лития с твердым электролитом, который отличается устойчивостью к окислению.
Долговечные литий-металлические аккумуляторы разработали в KIT
Ученые говорят о приближении технологии аккумуляторов на водной основе к коммерческому применению. Однако пока что неизвестно, можно ли разработать долговечный прототип. Недавно ученые также представили опытный образец водного аккумулятора, который может полностью заряжаться и разряжаться всего за несколько секунд.
Ru» рассказывала о том, что компания XPeng представила в Дубае летающий «электрокар». Поделиться: Подписывайтесь на «Газету. Ru» в Дзен и Telegram.
Немаловажным является также и тот факт, что помимо литиевых аккумуляторов нам удалось собрать также перспективные натрий- и калий-ионные ячейки на их основе», — отметил Обрезков. Понравился материал? Добавьте Indicator. Ru в «Мои источники» Яндекс.
Несмотря на то, что литий-ионные аккумуляторы на основе неорганических материалов занимают доминирующее положение на рынке, дальнейшее улучшение их рабочих характеристик затруднено, так как в их составе используются тяжелые элементы, ограничивающие удельные электрохимические емкости материалов. 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.