- Российская альтернатива Toyota Alphard и... (28)
- Samsung выпустит карты microSD с героями... (33)
- «Слетал к Марсу — профессиональная карьера... (58)
- Скоро выйдет совершенно новый КамАЗ, которым... (34)
- В России начали продавать кроссовер... (35)
- Ветер перемен: разработчики Total War... (374)
- Новая статья: Обзор HUAWEI Mate X6: самый... (141)
- Новая статья: Обзор игрового QD-OLED... (280)
- Электролёты Lilium так и не взлетят:... (235)
- Новая Radeon RX 9070 XT засветилась в тесте,... (310)
- Самая мощная видеокарта AMD нового поколения... (298)
- Низкопробный софт AMD не даёт раскрыть... (267)
- Фанаты Rockstar убедили себя, что второй... (310)
- Сенатор Шейкин предупредил о возможной... (316)
- AMD случайно показала загадочную видеокарту... (401)
- Астрономы обнаружили чёрную дыру,... (392)
Учёные решают ключевую проблему натрий-ионных батарей: новая конструкция катода предотвращает разрушение и открывает путь к устойчивой энергетике
Дата: 2024-09-29 22:55
Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США добились значительного прогресса в решении проблемы, препятствующей коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов.
Основным препятствием для коммерциализации натрий-ионных аккумуляторов является быстрое снижение производительности катода, содержащего натрий, при многократном разряде и заряде. Однако команда Аргонна разработала новую конструкцию катода из оксида иона натрия, которая тесно связана с более ранней конструкцией Аргонна для катода из оксида иона лития с доказанной высокой ёмкостью хранения энергии и длительным сроком службы.
Ключевой особенностью обеих конструкций является то, что катодные частицы содержат смесь переходных металлов, среди которых могут быть никель, кобальт, железо или марганец. Эти металлы неравномерно распределены в отдельных катодных частицах. Например, никель находится в ядре, вокруг этого ядра находятся кобальт и марганец, которые образуют оболочку. Эти элементы служат разным целям. Богатая марганцем поверхность придаёт частице структурную устойчивость во время цикла заряда-разряда. А богатое никелем ядро обеспечивает высокую ёмкость для хранения энергии.
Однако при тестировании этой конструкции ёмкость катода для хранения энергии неуклонно снижалась. Проблема была связана с образованием трещин в частицах во время циклирования. Эти трещины образовались из-за напряжения, возникающего между оболочкой и ядром в частицах. Команда стремилась устранить это напряжение, отточив метод подготовки катода.
Изображение, иллюстрирующее ключевой вывод о том, что снижение скорости нагрева во время подготовки катода для натрий-ионных аккумуляторов устраняет проблему деформации и растрескивания в частицах. Источник: Argonne National Laboratory.Исходным материалом, используемым для начала процесса синтеза, является гидроксид. Помимо кислорода и водорода, он содержит три металла: никель, кобальт и марганец. Команда создала две версии этого гидроксида: одну с металлами, распределёнными в градиенте от ядра к оболочке, и, для сравнения, другую с тремя металлами, равномерно распределёнными по каждой частице.
Для получения конечного продукта команда нагревала смесь исходного материала и гидроксида натрия до температуры 600°C, поддерживала её при этой температуре в течение определенного периода времени, затем охлаждала до комнатной температуры. Исследователи также пробовали разные скорости нагрева.
В течение всей этой обработки команда отслеживала структурные изменения свойств частиц. Анализ включал использование двух пользовательских установок Управления науки Министерства энергетики: Advanced Photon Source (каналы пучка 17-BM и 11-ID) в Аргонне и National Synchrotron Light Source II (канал пучка 18-ID) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики.
«Используя рентгеновские лучи на этих объектах, мы можем определять изменения в составе и структуре частиц в реальном времени в реалистичных условиях синтеза», — сказал Вэньцянь Сюй, работающий на линии пучка в Аргонне.
Команда также использовала Центр наноразмерных материалов (CNM) в Аргонне для дополнительного анализа, чтобы охарактеризовать частицы, и суперкомпьютер Polaris в Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) для реконструкции рентгеновских данных в подробные 3D-изображения.
Первоначальные результаты не выявили трещин в однородных частицах, но трещины, образующиеся в градиентных частицах при температурах до 250°C. Эти трещины появились в ядре и на границе ядро-оболочка, а затем переместились на поверхность. Градиент металла вызывал значительную деформацию, приведшую к этим трещинам.
«Поскольку мы знаем, что градиентные частицы могут создавать катоды с высокой ёмкостью хранения энергии, мы хотели найти условия термической обработки, которые позволят устранить трещины в градиентных частицах», — сказал Вэньхуа Цзо, постдокторант в Аргонне.
Скорость нагрева оказалась критическим фактором. Трещины образовывались при скорости нагрева пять градусов в минуту, но не при более медленной скорости один градус в минуту. Испытания в небольших ячейках с катодными частицами и при более медленной скорости сохраняли свою высокую производительность в течение более 400 циклов.
«Предотвращение трещин во время синтеза катода приносит большие дивиденды, когда катод впоследствии заряжается и разряжается. И хотя натрий-ионные аккумуляторы пока что не обладают достаточной плотностью энергии для питания транспортных средств на большие расстояния, они идеально подходят для городских поездок», — сказал соавтор Гуй-Лян Сюй.
Сейчас команда работает над тем, чтобы исключить никель из катода, что позволит ещё больше снизить затраты и повысить экологичность.
«Перспективы кажутся очень хорошими для будущих натрий-ионных аккумуляторов , которые не только имеют низкую стоимость и длительный срок службы, но и обладают плотностью энергии, сопоставимой с плотностью литий-железо-фосфатного катода, который сейчас используется во многих литий-ионных аккумуляторах. Это приведёт к созданию более устойчивых электромобилей с хорошим запасом хода», — сказал Халил Амин, почетный член Аргоннского университета.
Натрий-ионные аккумуляторы могут стать альтернативой литий-ионным аккумуляторам, которые доминируют на рынке в настоящее время. Литий-ионные аккумуляторы имеют высокую плотность энергии, но они также имеют высокую стоимость и могут быть неэкологичными. Натрий-ионные аккумуляторы, с другой стороны, имеют более низкую стоимость и могут быть более экологичными, поскольку натрий является более распространённым элементом, чем литий.
Подробнее на iXBT
Предыдущие новости
Rocket Lab успешно завершила интеграцию второго космического аппарата Pioneer для Varda Space Industries
Компания Rocket Lab USA объявила об успешном завершении интеграции и тестирования своего второго космического аппарата Pioneer для Varda Space Industries, пионера в области фармацевтической обработки в космосе и гиперзвуковой логистики возвращения в атмосферу. Эта новость следует за первой успешной миссией космического аппарата Pioneer компании Rocket Lab для Varda в июне 2023...
Китай усиливает давление на местные компании: отказ от чипов Nvidia в пользу отечественных аналогов
Китай усиливает давление на местные компании, требуя от них отказаться от использования чипов Nvidia в пользу отечественных аналогов, в рамках усилий по расширению своей полупроводниковой промышленности и противодействию санкциям США. Китайские регуляторы отговаривают компании от покупки чипов Nvidia H20, используемых для разработки и запуска моделей искусственного интеллекта....
Физики готовятся воссоздать таинственную фазу материи из ранней Вселенной
Физики из японского научно-исследовательского института физико-химических исследований RIKEN (Rikagaku Kenkyusho) и их коллеги из других научных центров по всему миру готовятся воссоздать таинственную фазу материи, обнаруженную в ранней Вселенной, в лабораторных экспериментах. Согласно теоретическому анализу, эти эксперименты также могут производить самые сильные...
Министерство энергетики США инвестировало 716 млн долларов в создание нового рентгеновского лазера
Министерство энергетики США одобрило модернизацию LCLS (Linac Coherent Light Source), самого мощного в мире рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL) в Национальной ускорительной лаборатории SLAC. Этот проект стоимостью $716 млн позволит учёным исследовать процессы в атомном масштабе с беспрецедентной точностью и решать фундаментальные вопросы в области хранения...