673886040@qq.com
Разница в 1000%: обнаружена большая емкость аккумуляторов на водной основе
Исследователи Texas A&M обнаружили значительное увеличение емкости аккумуляторных электродов на водной основе. Ученые Техасского университета A&M обнаружили 1000-процентную разницу в емкости аккумуляторных электродов, не содержащих металлов, на водной основе.
Безметалловые батареи на водной основе уникальны по сравнению с батареями, в которых используется кобальт в литий-ионной форме. Внимание исследовательской группы к этому типу батарей связано с желанием усилить контроль над внутренней цепочкой поставок, поскольку кобальт и литий обычно поступают из-за пределов страны. Кроме того, более безопасный химический состав батарей может предотвратить возгорание.
Профессор химической инженерии доктор Джоди Луткенхаус и доцент кафедры химии доктор Дэниел Табор опубликовали свои выводы о батареях без лития в Nature Materials.
«Больше не будет возгораний батарей, потому что они на водной основе», — сказал Луткенхаус. «В будущем, если прогнозируется нехватка материалов, цена на литий-ионные батареи будет расти. Если у нас есть эта альтернативная батарея, мы можем обратиться к этой химии, где поставки гораздо более стабильны, потому что мы можем производить их здесь, в Соединенных Штатах, и материалы для их изготовления находятся здесь».
Люткенхаус сказал, что водные батареи состоят из катода, электролита и анода. Катоды и аноды представляют собой полимеры, способные накапливать энергию, а электролит представляет собой воду, смешанную с органическими солями. Электролит является ключом к ионной проводимости и хранению энергии благодаря его взаимодействию с электродом.
«Если электрод слишком сильно набухает во время циклирования, он не может хорошо проводить электроны, и вы теряете все характеристики», — сказала она. «Я считаю, что существует 1000-процентная разница в емкости накопления энергии в зависимости от выбора электролита из-за эффекта набухания».
Согласно их статье, окислительно-восстановительные, несопряженные радикальные полимеры (электроды) являются многообещающими кандидатами для безметалловых водных батарей из-за высокого напряжения разряда полимеров и быстрой кинетики окислительно-восстановительного потенциала. Реакция сложна и ее трудно разрешить из-за одновременного переноса электронов, ионов и молекул воды.
«Мы демонстрируем природу окислительно-восстановительной реакции, исследуя водные электролиты с различным хао-/космотропным характером, используя микровесы электрохимического кристалла кварца с мониторингом диссипации в различных временных масштабах», — говорится в статье исследователей.
Исследовательская группа Табора дополнила экспериментальные работы компьютерным моделированием и анализом. Моделирование дало представление о микроскопической молекулярной картине структуры и динамики.
«Теория и эксперимент часто тесно сотрудничают, чтобы понять эти материалы. Одна из новых вещей, которые мы делаем с помощью вычислений в этой статье, заключается в том, что мы фактически заряжаем электрод до нескольких состояний заряда и смотрим, как окружающая среда реагирует на эту зарядку», — сказал Табор.
Исследователи макроскопически наблюдали, работает ли катод батареи лучше в присутствии определенных видов солей, точно измеряя, сколько воды и соли поступает в батарею во время ее работы.
«Мы сделали это, чтобы объяснить то, что наблюдалось экспериментально», — сказал он. «Теперь мы хотели бы расширить наши симуляции на будущие системы. Нам нужно было подтвердить нашу теорию о том, какие силы управляют такой закачкой воды и растворителя.
«Эта новая технология накопления энергии — это шаг вперед к безлитиевым батареям. У нас есть лучшее представление на молекулярном уровне о том, что заставляет одни аккумуляторные электроды работать лучше, чем другие, и это дает нам убедительные доказательства того, куда двигаться дальше в разработке материалов», — сказал Табор.
Ссылка: «Роль электролита в несопряженных радикальных полимерах для безметалловых водных электродов для накопления энергии», Тинг Ма, Ченг-Хан Ли, Ратул Митра Такур, Дэниел П. Табор и Джоди Л. Луткенхаус, 27 марта 2023 г., Природные материалы.
