Обычный ингредиент зубной пасты, фторид натрия состоит из фтора. Его добавляют для защиты зубов от кариеса.
Но у соединений, содержащих фтор, есть и другие практические применения, которые могут вас удивить. Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) обнаружили фторсодержащий электролит, который может защитить батарею следующего поколения от снижения производительности. Исследование опубликовано в журнале Связь с природой.
Читать далее:
- 5 причин НЕ использовать Google Chrome в качестве браузера
- Какие заболевания может диагностировать генетический тест?
- Joby Aviation делает важный шаг в производстве eVTOL
«На горизонте появится захватывающее новое поколение аккумуляторов для электромобилей, помимо литий-ионных», — сказал Чжэнчэн (Джон) Чжан, руководитель группы в Аргоннском подразделении химических наук и инженерии.
Новая аккумуляторная технология
- Химические составы нелитий-ионных аккумуляторов предлагают вдвое или больше накопленной энергии в заданном объеме или весе по сравнению с литий-ионными;
- Они могли бы приводить в действие автомобили на гораздо большие расстояния и даже грузовики и дальнемагистральные самолеты в один прекрасный день;
- Ожидается, что широкое использование этих батарей поможет решить проблему изменения климата;
- Основная проблема заключается в том, что его высокая плотность энергии быстро снижается при многократных зарядах и разрядах.
У одного из основных конкурентов анод (отрицательный электрод) сделан из металлического лития вместо графита, обычно используемого в литий-ионных батареях. Поэтому его называют «литий-металлическим» аккумулятором.
Катод (положительный электрод) представляет собой оксид металла, содержащий никель, марганец и кобальт (NMC). Несмотря на то, что он может обеспечить более чем в два раза большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор, эта превосходная производительность быстро снижается менее чем за сотню циклов зарядки-разрядки.
Решение команды включало в себя переключение электролита, жидкости, через которую ионы лития перемещаются между катодом и анодом для осуществления заряда и разряда. В литий-металлических батареях электролит представляет собой жидкость, состоящую из соли, содержащей литий, растворенной в растворителе.
Корень проблемы короткого срока службы заключается в том, что электролит не образует адекватного защитного слоя на поверхности анода в течение первых нескольких циклов. Этот слой, также называемый межфазным слоем твердого электролита (SEI), действует как привратник, позволяя ионам лития свободно проходить внутрь и наружу анода для зарядки и разрядки батареи соответственно.
Команда обнаружила новый растворитель фтора, который сохраняет прочный защитный слой в течение сотен циклов. Он связывает положительно заряженный фторированный компонент (катион) с другим отрицательно заряженным фторированным компонентом (анионом). Эту комбинацию ученые называют ионной жидкостью — жидкостью, состоящей из положительных и отрицательных ионов.
«Основное отличие нашего нового электролита — замена атомов водорода на фтор в кольцеобразной структуре катионной части ионной жидкости», — сказал Чжан. «Это имело большое значение для поддержания высокой производительности в течение сотен циклов в испытательной ячейке с металлическим литием».
Чтобы лучше понять механизм, стоящий за этой разницей в атомном масштабе, команда использовала высокопроизводительные вычислительные ресурсы Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), пользовательского центра DOE Office of Science.
Как объяснил Чжан, моделирование на суперкомпьютере Theta ALCF показало, что катионы фтора прилипают и накапливаются на поверхностях анода и катода до любого цикла зарядки-разрядки. Затем, на ранних стадиях циклирования, образуется более упругий слой SEI, чем это возможно с предыдущими электролитами.
Электронная микроскопия высокого разрешения в Аргоннской и Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории показала, что высокозащитный слой SEI на аноде и катоде приводит к стабильному циклу.
Команде удалось точно настроить соотношение растворителя фтора и соли лития, чтобы создать слой с идеальными свойствами, включая толщину SEI, которая не является слишком толстой или тонкой.
Благодаря этому слою ионы лития могут эффективно втекать и выходить из электродов во время зарядки и разрядки в течение сотен циклов.
Новый электролит команды также предлагает много других преимуществ. Это низкая стоимость, потому что его можно получить с чрезвычайно высокой чистотой и выходом за одну стадию, а не за несколько стадий.
Он безопасен для окружающей среды, поскольку использует гораздо меньше растворителя, который является летучим и может выделять загрязняющие вещества в окружающую среду. И это безопаснее, потому что он негорючий.
«Литий-металлические аккумуляторы с нашим фтор-катионным электролитом могут значительно ускорить производство электромобилей», — сказал Чжан. «Полезность этого электролита, несомненно, распространяется и на другие типы передовых аккумуляторных систем, помимо литий-ионных».
С информацией от Tech Explore
Вы смотрели новые видео на YouTube цифрового взгляда? Подписывайтесь на канал!
Пост «Понимание того, как зубная паста может повысить автономность автомобиля» впервые появился на Olhar Digital.