Дмитрий Федоров: Хочу, чтобы в будущем наши изделия были в музее

Дмитрий Федоров - основатель одноименного ювелирного дома, основное направление которого - создание высокохудожественных ювелирных изделий в сегменте премиум-люкс на православную тему. Он рассказал Rough&Polished о своем пути в отрасль, о выборе «православной...

28 октября 2024

Президент WDC Фериэль Зеруки: Ответственная деловая практика «фактически стала обязательной»

Президент Всемирного алмазного совета (WDC) нашла время в своем плотном графике, чтобы рассказать читателям агентства Rough&Polished о важнейшей работе, проводимой WDC. Фериэль Зеруки, первая женщина, возглавляющая организацию, в которую входят...

14 октября 2024

Джеймс Кэмпбелл: Botswana Diamonds с оптимизмом оценивает роль ИИ в геологоразведке полезных ископаемых

Botswana Diamonds, зарегистрированная на Лондонской фондовой бирже, выразила оптимизм по поводу использования компанией искусственного интеллекта (ИИ) для сканирования базы данных геологоразведочных работ, проведенных в Ботсване с целью поиска...

07 октября 2024

Артур Салякаев: Для меня счастье - это свобода реализовывать идеи и создавать ценные продукты

Артур Салякаев — арт-предприниматель, основатель международной ювелирной академии IJA и ювелирной компании INCRUA. Владелец успешных проектов в ювелирной отрасли и сфере услуг. Ведущий эксперт по продажам в ювелирном ритейле в России и странах СНГ. Артур...

30 сентября 2024

Пол Зимниски: Китай является ключом к устойчивому восстановлению спроса и цен на природные алмазы

Сокращение объемов природной алмазной продукции в верхней и средней частях алмазопровода в последние месяцы начинает влиять на цены, считает Пол Зимниски (Paul Zimnisky), нью-йоркский независимый аналитик и консультант по алмазной продукции и...

23 сентября 2024

Ученые исследовали литий-ионные аккумуляторы

03 января 2023

(mining.com) — Ученые из Чикагского университета использовали комбинацию мощной электронной микроскопии и вычислительного моделирования, чтобы понять на атомном уровне, что происходит, когда литий-ионные батареи портятся. Их исследования указывают на один из подходов к разработке литий-ионных аккумуляторов с более длительным сроком службы — стоит сосредоточить внимание на часто игнорируемом структурном компоненте, домене углеродного связующего (carbon binder domain, CBD).

«Для решения многих мировых проблем хранения и преобразования энергии в ближайшие десятилетия, нам необходимо продолжать вводить новшества и улучшать аккумуляторы, — заявила журналистам Ю. Ширли Мэн (Y. Shirley Meng), руководившая исследованием. - Эта работа — еще один шаг к более эффективной и устойчивой аккумуляторной технологии».

По словам Мэн, повсеместная коммерциализация литий-ионных аккумуляторов в конце 20-го века сыграла роль в появлении легкой перезаряжаемой электроники. Литий является самым легким металлом и имеет высокое отношение плотности энергии к массе. Когда литий-ионный аккумулятор заряжается, ионы лития перемещаются от положительно заряженного катода к отрицательно заряженному аноду. Чтобы высвободить энергию, эти ионы возвращаются от анода к катоду.

Во время циклов зарядки активные материалы катода и анода расширяются и сжимаются, накапливая «трещины частиц» и другие физические повреждения. Со временем это приводит к тому, что литий-ионные батареи работают хуже.

Тонкие и толстые электроды

Исследователи ранее описали «трещины» и деградацию частиц, которые происходят в маленьких тонких электродах для литий-ионных аккумуляторов. Однако в настоящее время разрабатываются толстые и энергоемкие электроды для аккумуляторов большего размера, например, для электромобилей, грузовиков и самолетов.

«Кинетика толстого электрода сильно отличается от кинетики тонкого электрода, — сказал ученый Минхао Чжан (Minghao Zhang), соавтор статьи, в которой представлены новые результаты. - Портятся на самом деле намного хуже аккумуляторы с толстыми электродами, вырабатывающие больше энергии, из-за сопротивления в электрическом поле».

Чжан отметил, что количественное исследование толстых электродов также сложнее. Инструменты, которые ранее использовались для изучения тонких электродов, не могут улавливать структуры более крупных и плотных материалов.

В новой работе Мэн, Чжан и сотрудников из компании Thermo Fisher Scientific обратились к сканирующей электронной микроскопии с фокусированным ионным пучком плазмы (Plasma Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscopy, PFIB-SEM), чтобы визуализировать изменения, происходящие внутри толстого катода литий-ионной батареи. PFIB-SEM использует сфокусированные лучи, заряженные ионы и электроны, для создания изображения трехмерной структуры материала со сверхвысоким разрешением.

Исследователи использовали метод визуализации для сбора данных о совершенно новом катоде, а также о катоде, который заряжался и разряжался 15 раз. Используя данные экспериментов с электронной микроскопией, команда ученых построила вычислительные модели, иллюстрирующие процесс деградации аккумуляторов.

Эта комбинация экспериментальных данных с наноразмерным разрешением и моделирования позволила ученым определить, как портится катод.

Исследователи обнаружили, что различия между областями батареи способствовали многим структурным изменениям. Электролитная коррозия чаще происходила с тонким слоем на поверхности катода. Таким образом, в этом верхнем слое образовался более толстый резистивный слой, из-за чего нижний слой расширялся и сжимался больше, чем другие части катода, что приводило к более быстрой деградации.

Модель также указала на важность CBD — пористая сетка из фторполимера и атомов углерода, которая удерживает вместе активные материалы электрода, вносит свой вклад и помогает проводить ток через батарею. В предыдущих исследованиях не описывается, как CBD портится во время использования батареи, но новая работа показывает, что ослабление контактов между CBD и активными материалами катода напрямую связано со снижением производительности литий-ионных батарей с течением времени.

«Это изменение было даже более очевидным, чем деградация активного материала, на котором многие исследователи сосредоточились в прошлом», — сказал Чжан.

Батареи будущего

С помощью своей модели катода группа Мэн изучила, как изменения в конструкции электрода могут повлиять на его деградацию. Они показали, что изменение структуры CBD может помочь предотвратить ухудшение контактов между CBD и активными материалами, что продлит срок службы батарей — гипотеза, которую инженеры теперь могут подтвердить физическими экспериментами.

Теперь группа использует тот же подход для изучения еще более толстых катодов, а также проводит дополнительное моделирование того, как замедлить деградацию электродов.