Нанотехнологии в энергетике: как наночастицы улучшают твердотельные аккумуляторы

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

В мире стремительно развивающихся технологий, где электромобили и портативная электроника становятся неотъемлемой частью нашей жизни, потребность в эффективных и безопасных аккумуляторах возрастает с каждым днем. Особое внимание ученых привлекают твердотельные аккумуляторы, которые, в отличие от традиционных литий-ионных аккумуляторов с жидким электролитом, обещают большую энергоемкость, безопасность и долговечность.

Однако создание твердотельных аккумуляторов сталкивается с рядом трудностей, одной из которых является поиск подходящего твердотельного электролита. Этот материал должен обладать высокой ионной проводимостью, хорошей обрабатываемостью, а также высокой химической и электрохимической стабильностью.

Аккумулятор, иллюстрация
Аккумулятор, иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com
Хлориды: перспективный класс электролитов

Одним из перспективных классов твердотельных электролитов являются хлориды. Они обладают высокой ионной проводимостью, легко обрабатываются при комнатной температуре и хорошо совместимы с положительными электродами, имеющими высокий окислительно-восстановительный потенциал. Однако, как и у любого материала, у хлоридов есть свои недостатки: невысокая стабильность при восстановлении и не такая высокая проводимость, как у некоторых сульфидов.

Наночастицы в помощь: новый подход к созданию электролитов

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Chemistry of Materials, японские ученые представили новый подход к созданию твердотельных электролитов на основе хлоридов. Они разработали аморфные оксихлоридные электролиты, содержащие нанокристаллы NaCl и Ta2O5, внедренные в аморфную матрицу Na-Ta-Cl-O.

Результаты ТЭМ-обзора образца порошка x = 0,25. (a) HCDF-изображение, (b) ED-шаблон и (c) EDX-карты. HCDF-изображение, ED-шаблон и EDS-карты были получены из одной и той же области
Результаты ТЭМ-обзора образца порошка x = 0,25. (a) HCDF-изображение, (b) ED-шаблон и (c) EDX-карты. HCDF-изображение, ED-шаблон и EDS-карты были получены из одной и той же области
Автор: Kota Motohashi; Hirofumi Tsukasaki; Shigeo MoriAtsushi Sakuda; Akitoshi Hayashi; Fast Sodium-Ion Conducting Amorphous Oxychloride Embedding Nanoparticles; Chemistry of Materials; DOI: doi: 10.1021/acs.chemmater.4c02104 CC-BY 4.0 Источник: pubs.acs.org
Результаты исследования: высокая проводимость и стабильность

Полученные материалы продемонстрировали впечатляющие результаты. Электролит Na2.25TaCl4.75O1.25 показал высокую ионную проводимость (2.5 x 10−3 S cm−1 при 25 °C) и широкий диапазон электрохимической стабильности (0.4-4.1 В по отношению к Na+/Na).

Ученые связывают эти свойства с наличием наночастиц NaCl и Ta2O5, которые, вероятно, способствуют улучшению ионной проводимости на границе раздела между ионным проводником и оксидными нанокристаллами. Кроме того, наночастицы, вероятно, играют роль наполнителя, повышая механическую прочность материала.

(a) Графики Найквиста для электролита Na2.25TaCl4.75O1.25. (b) Температурная зависимость проводимости электролита Na2.25TaCl4.75O1.25 и репрезентативных натриево-ионных проводников
(a) Графики Найквиста для электролита Na2.25TaCl4.75O1.25. (b) Температурная зависимость проводимости электролита Na2.25TaCl4.75O1.25 и репрезентативных натриево-ионных проводников
Автор: Kota Motohashi; Hirofumi Tsukasaki; Shigeo MoriAtsushi Sakuda; Akitoshi Hayashi; Fast Sodium-Ion Conducting Amorphous Oxychloride Embedding Nanoparticles; Chemistry of Materials; DOI: doi: 10.1021/acs.chemmater.4c02104 CC-BY 4.0 Источник: pubs.acs.org
Перспективы: путь к новым твердотельным аккумуляторам

Данное исследование открывает новые возможности для разработки твердотельных электролитов с улучшенными характеристиками. Внедрение наночастиц в аморфную матрицу позволяет одновременно повысить ионную проводимость, механическую прочность и электрохимическую стабильность материала. Это может привести к созданию более эффективных и безопасных твердотельных аккумуляторов для различных применений, от электромобилей до портативной электроники.

Необходимость дальнейших исследований

Несмотря на впечатляющие результаты, механизм повышения проводимости в таких композитных материалах пока не до конца изучен. Необходимы дальнейшие исследования для более глубокого понимания процессов, происходящих на границе раздела между ионным проводником и оксидными нанокристаллами. Это позволит оптимизировать состав и структуру электролитов для достижения максимальной эффективности.

В целом, исследование японских ученых демонстрирует перспективность использования наночастиц для создания высокоэффективных твердотельных электролитов. Этот подход может стать ключом к разработке нового поколения аккумуляторов, которые обеспечат энергией будущее.

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

«ВАЗ-2115: как появилась „пятнашка“ и чем она живёт спустя четверть века»

ВАЗ-2115 появилась в продаже в 1997 году и выпускалась до конца 2012-го. За это время менялись двигатели, оснащение и требования покупателей, но сама машина оставалась узнаваемой. Узкие фары,...

В бирманском янтаре нашли самое длинное перо динозавра. Оно объяснило, почему ящеры с крыльями не могли летать

Способность современных птиц летать напрямую зависит от того, как устроены их перья на микроскопическом уровне. Во время взмаха крыло испытывает сильное сопротивление воздуха, поэтому каждое...

Как один бензовоз перевозит АИ-92, АИ-95 и дизель, не смешивая топливо

Представьте обычную ситуацию на заправке. Подъезжает бензовоз, водитель готовит оборудование для разгрузки, а затем из одной машины пополняют запасы сразу нескольких видов топлива. В одном...

В озёра выпустили креветок, чтобы помочь лососю — в результате лосось исчез, а вместе с ним ушли сотни белоголовых орланов

В начале 1980-х осенью к ручью Макдональд-Крик в национальном парке Глейшер слетались сотни белоголовых орланов. Их привлекала рыба: кокани, пресноводная форма нерки, поднималась сюда на нерест из...

Ugreen Studio Max5s: обзор доступных полноразмерных беспроводных наушников с LDAC и автономностью 112 часов

Ugreen Studio Max5s это обновление популярных наушников Ugreen Max5с, которые уже пару лет являются настоящим бестселлером. В новой версии Max5s поработали над звуком, сделав его более...