Бесщёточный двигатель

Начнём с двигателя. Бесщёточные двигатели постоянного тока имеют множество преимуществ. Прежде всего, в них меньше изнашивающихся или ломающихся деталей, чем в двигателе с щётками. Поэтому они надёжнее, дешевле в обслуживании и требуют меньше или вовсе не требуют технического обслуживания.

Устройство практически не нагревается, что увеличивает его производительность. Бесщёточные моторы обладают КПД до 90%, щёточные — до 70%, а бензиновые — порядка 15% (остальная энергия тратится на нагрев). Нет трения — нет потери мощности, которая сопоставима с мощностью бензинового двигателя. Трение отсутствует, температурных перепадов мало — практически полное отсутствие износа продлевает жизнь мотора. Это снижает стоимость обслуживания и увеличивает срок жизни инструмента.

Бесщеточные моторы работают очень тихо. Использовать такую технику комфортно, а соседям при этом спокойно. Высокоэффективное использование энергии позволяет устройству дольше работать от аккумулятора, чем его аналогу со щеточным двигателем. Реже требуется зарядка, что сэкономит вам время и электроэнергию.

Аккумуляторы

Беспроводные садовые устройства получили мощное развитие в 2006 году, после внедрения литий-ионных аккумуляторов. С тех пор популярность беспроводных инструментов только растет, что приводит к значительному снижению популярности бензиновой техники. С каждым годом потребительский рынок все больше развивается в сторону наиболее удобных решений и перемены становятся заметнее.

Всегда интересные новости и статьи от команды сайта Green-Battery.ru

Копирование текстов возможно только со ссылкой на первоисточник.

– максимальная производительность – Apple

Общие советы по производительности

Обновите программное обеспечение до последней версии.

Обновления программного обеспечения Apple часто включают передовые технологии энергосбережения, поэтому всегда убедитесь, что на вашем устройстве используется последняя версия iOS, macOS или watchOS.

Избегайте экстремальных температур окружающей среды.

Устройство разработано для работы в широком диапазоне температур окружающей среды, от 62 ° до 72 ° F (от 16 ° до 22 ° C) в качестве идеальной зоны комфорта.Особенно важно не подвергать устройство воздействию температуры окружающей среды выше 35 ° C (95 ° F), так как это может привести к необратимому повреждению емкости аккумулятора. То есть ваша батарея не будет питать ваше устройство до тех пор, пока не будет заряжаться. Зарядка устройства при высоких температурах окружающей среды может привести к его дальнейшему повреждению. Программное обеспечение может ограничить зарядку выше 80% при превышении рекомендованной температуры батареи. Даже хранение аккумулятора в горячей окружающей среде может необратимо повредить его. При использовании устройства в очень холодной среде вы можете заметить уменьшение срока службы батареи, но это временное состояние.Как только температура аккумулятора вернется в нормальный рабочий диапазон, его рабочие характеристики также вернутся в норму.

iPhone, iPad, iPod и Apple Watch Comfort Zone

Слишком холодно Комнатная температура Очень жарко, слишком жарко

лучше всего работают при температуре окружающей среды от 32 ° до 95 ° F (от 0 ° до 35 ° C). Температура хранения: от -4 ° до 113 ° F (от -20 ° до 45 ° C).

Зона комфорта MacBook

Слишком холодно Комнатная температура Очень жарко, слишком жарко

лучше всего работает при температуре окружающей среды от 50 ° до 95 ° F (от 10 ° до 35 ° C).Температура хранения: от -4 ° до 113 ° F (от -20 ° до 45 ° C).

Снимайте некоторые футляры во время зарядки.

Зарядка устройства в чехлах определенного типа может привести к перегреву, что может повлиять на емкость аккумулятора. Если вы заметили, что ваше устройство нагревается при зарядке, сначала выньте его из футляра. Для моделей Apple Watch Edition убедитесь, что крышка магнитного зарядного футляра снята.

При длительном хранении храните его наполовину заряженным.

Если вы хотите хранить устройство в течение длительного времени, на общее состояние аккумулятора будут влиять два ключевых фактора: температура окружающей среды и процент заряда аккумулятора, когда он выключен для хранения. Поэтому мы рекомендуем:

• Не заряжайте и не разряжайте аккумулятор устройства полностью – зарядите его примерно до 50%. Если вы храните устройство, когда его батарея полностью разряжена, батарея может перейти в состояние глубокого разряда, что сделает его неспособным удерживать заряд.И наоборот, если вы храните его полностью заряженным в течение длительного периода времени, аккумулятор может потерять некоторую емкость, что приведет к сокращению срока службы аккумулятора.
• Выключите устройство, чтобы избежать дополнительной разрядки аккумулятора.
• Поместите устройство в прохладную, сухую среду с температурой менее 32 ° C (90 ° F).
• Если вы планируете хранить устройство более шести месяцев, заряжайте его до 50% каждые шесть месяцев.

В зависимости от того, как долго вы храните свое устройство, оно может быть в состоянии низкого заряда батареи, когда вы извлекаете его из долгосрочного хранилища.После того, как он будет удален из хранилища, ему может потребоваться 20 минут зарядки с помощью оригинального адаптера, прежде чем вы сможете его использовать.

высокий аккумулятор – Traduccin al espaol – Linguee

Исследователи создают долговечные твердотельные литиевые батареи – Harvard Gazette

Долговечные батареи с быстрой зарядкой необходимы для расширения рынка электромобилей, но сегодняшние литий-ионные батареи не отвечают потребностям – они слишком тяжелые, слишком дорогие и слишком долго заряжаются.

На протяжении десятилетий исследователи пытались использовать потенциал твердотельных литий-металлических батарей, которые содержат значительно больше энергии в том же объеме и заряжаются за меньшее время по сравнению с традиционными литий-ионными батареями.

«Литий-металлический аккумулятор считается святым Граалем для химии аккумуляторов из-за его высокой емкости и плотности энергии», – сказал Синь Ли, доцент кафедры материаловедения Гарвардской школы инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона (SEAS). . «Но стабильность этих батарей всегда была плохой».

Теперь Ли и его команда разработали стабильную литий-металлическую твердотельную батарею, которую можно заряжать и разряжать не менее 10 000 раз – гораздо больше циклов, чем было продемонстрировано ранее – при высокой плотности тока.Исследователи объединили новую конструкцию с коммерческим катодным материалом с высокой плотностью энергии.

Эта аккумуляторная технология может увеличить срок службы электромобилей до бензиновых – от 10 до 15 лет – без необходимости замены аккумулятора. Благодаря своей высокой плотности тока аккумулятор может проложить путь для электромобилей, которые могут полностью заряжаться в течение 10-20 минут.

Исследование опубликовано в журнале Nature.

«Наше исследование показывает, что твердотельная батарея может фундаментально отличаться от коммерческой литий-ионной батареи с жидким электролитом», – сказал Ли. «Изучая их фундаментальную термодинамику, мы можем раскрыть их превосходные характеристики и использовать их многочисленные возможности».

Большой проблемой с литий-металлическими батареями всегда была химия. Литиевые батареи перемещают ионы лития от катода к аноду во время зарядки. Когда анод сделан из металлического лития, на поверхности образуются игольчатые структуры, называемые дендритами.Эти структуры врастают корнями в электролит и пробивают барьер, разделяющий анод и катод, вызывая короткое замыкание или даже возгорание батареи.

Чтобы решить эту проблему, Ли и его команда разработали многослойную батарею, в которой между анодом и катодом размещены различные материалы разной стабильности. Эта многослойная батарея из разных материалов предотвращает проникновение дендритов лития не за счет их полной остановки, а за счет их контроля и сдерживания.

Думайте о батарее как о бутерброде BLT. Сначала идет хлеб – металлический литий-анод – а затем салат – графитовое покрытие. Затем слой томатов – первый электролит – и слой бекона – второй электролит. Завершите его еще одним слоем помидоров и последним куском хлеба – катодом.

Первый электролит (химическое название Li _5,5 PS _4,5 Cl _1,5 или LPSCI) более стабилен с литием, но склонен к проникновению дендритов. Второй электролит (Li ₁₀ Ge ₁ P ₂ S ₁₂ или LGPS) менее стабилен с литием, но кажется невосприимчивым к дендритам. В этой конструкции дендритам позволяют прорастать через графит и первый электролит, но они останавливаются, когда достигают второго.Другими словами, дендриты прорастают через салат и помидоры, но останавливаются на беконе. Барьер для бекона не дает дендритам проталкивать аккумулятор и закорачивать его.

«Наша стратегия включения нестабильности для стабилизации батареи кажется нелогичной, но точно так же, как якорь может направлять и контролировать шуруп, врезающийся в стену, точно так же наше руководство по многослойному дизайну и контролирует рост дендритов», – сказал Лухан Йе. соавтор статьи и аспирант SEAS.

«Разница в том, что наш якорь быстро становится слишком тугим, чтобы дендрит не мог просверлить отверстие, поэтому рост дендрита останавливается», – добавил Ли.

Аккумулятор тоже самовосстанавливающийся; его химический состав позволяет ему заполнять дыры, созданные дендритами.

«Эта экспериментальная конструкция показывает, что литий-металлические твердотельные батареи могут быть конкурентоспособными с коммерческими литий-ионными батареями», – сказал Ли. «А гибкость и универсальность нашей многослойной конструкции делает ее потенциально совместимой с процедурами массового производства в аккумуляторной промышленности.Масштабировать его до коммерческой батареи будет непросто, и все еще есть некоторые практические проблемы, но мы верим, что они будут преодолены ».

Гарвардский отдел развития технологий защитил портфель интеллектуальной собственности, связанный с этим проектом, который расширяется до коммерческих приложений при поддержке Гарвардского ускорителя физических наук и инженерии и Гарвардского фонда решений по изменению климата.

границ | Гибридная магниево-натриевая батарея с высоким напряжением, емкостью и цикличностью

Введение

С момента первой коммерциализации в 1991 году литий-ионный аккумулятор (LIB) стал доминирующим источником питания на рынке портативной электроники.В то время как расширение территории современной литий-ионной технологии в более крупномасштабные устройства сталкивается с проблемами, связанными с плотностью энергии, высокой стоимостью материалов, проблемами безопасности и потенциальным риском поставок, большие усилия были направлены на развитие вне литий-ионной химии. Одним из таких кандидатов, не содержащих литий, является перезаряжаемый магниевый аккумулятор (Yoo et al., 2013; Muldoon et al., 2014). Металлический магниевый анод имеет объемную емкость 3833 мАч см ⁻³ , что почти вдвое больше, чем у литиевого, 2061 мАч см ⁻³ .Кроме того, отложение магния формирует недендритную морфологию (Matsui, 2011; Ling et al., 2012), преодолевая один из основных рисков безопасности дендритного литиевого покрытия. Ободренные этими значительными преимуществами, исследования магниевых батарей привлекли большое внимание, и за последние несколько лет было сделано несколько прорывов (Yoo et al., 2013; Canepa et al., 2017). На данный момент самой большой проблемой на пути к созданию конкурентоспособной магниевой батареи является сочетание металлического магниевого анода с катодом, обеспечивающим высокую плотность энергии, высокую скорость и хорошую цикличность (Yoo et al., 2013; Muldoon et al., 2014; Bucur et al., 2015). Двивалентность Mg ²⁺ приводит к нежелательным эффектам, которые предотвращают введение магния во многие материалы хозяина (Mizuno et al., 2014; Emly and Ven, 2015; Ling et al., 2015, 2016; Liu et al., 2015; Wan et al., 2015; Zhang, Ling, 2016; Ling and Suto, 2017). В результате только несколько катодов, включая фазу Шевреля Mo ₆ S ₈ и шпинель TiS ₂ , показали замечательную циклируемость в качестве катода Mg батареи (Aubach et al., 2000; Sun et al., 2016). Однако плотность энергии катодов на основе сульфидов ограничена их напряжением, обычно ниже 1,5 В (Liu et al., 2016).

Чтобы избежать технически сложной интеркаляции Mg ²⁺ , недавно была предложена концепция гибридной батареи, в которой вторичный тип катиона заменяет Mg ²⁺ для участия в катодной реакции (Yao et al., 2016). При работе гибридной батареи на аноде происходит осаждение и растворение металлического магния, в то время как катод подвергается быстрой и обратимой электрохимической реакции, чтобы сбалансировать нейтральность заряда в электролите.По сравнению с перемещением ионов, несущих заряд, между положительными и отрицательными электродами в классической конфигурации «кресло-качалка», гибридная батарея предоставляет новые возможности для демонстрации впечатляющих свойств за счет синергии между комбинированным использованием электродов и электролита. Хорошие электрохимические характеристики, такие как высокая производительность, цикличность и эффективность Columbic, были продемонстрированы в нескольких гибридных ячейках Mg-Li (Cheng et al., 2014, 2016; Gao et al., 2015; Yoo et al., 2015; Fan et al. ., 2017). Тем не менее, использование литий-интеркаляции в катодной реакции по-прежнему разделяет проблемы литий-ионной технологии, такие как дорогостоящие материалы и потенциальные риски поставок.

Помимо литиевых аккумуляторных систем, исследование безлитиевых гибридных аккумуляторов также привлекло внимание. Особый интерес представляет гибридная батарея Mg-Na, стремящаяся в полной мере использовать преимущества металлического анода Mg (высокая емкость, доступность, низкая стоимость, безопасность) и катода Na-батареи (высокое напряжение и плотность энергии, доступность, низкая стоимость, возможность циклирования). .Walter et al. использовали металлический Mg-анод и нанокристаллический катод FeS ₂ и циклически проработали ячейку в двухсолевом электролите, содержащем как Mg ²⁺ , так и Na ⁺ (Walter et al., 2015). Гибридная батарея Mg- (Na _x ) FeS ₂ показала хорошую катодную емкость, высокую эффективность Columbic и высокую скорость (Walter et al., 2015). Яо и его коллеги продемонстрировали первую гибридную батарею Mg-Na интеркаляционного типа с использованием открытого каркасного берлинского зеленого катода (Dong et al., 2016). Их зеленый гибридный элемент Mg-Berlin обеспечивает среднее напряжение разряда 2,2 В и стабильную работу в течение 50 циклов (Dong et al., 2016). При использовании катода Na ₃ В ₂ (PO ₄ ) ₃ , напряжение и плотность энергии гибридной батареи Mg-Na были дополнительно увеличены до 2,6 В и 150 Втч кг ^-1 , соответственно, наблюдается хорошее сохранение производственных мощностей при высоких показателях (Li et al., 2017).

Хотя в последние несколько лет многие электродные материалы были идентифицированы как хозяева для интеркаляции натрия (Yabbuchi et al., 2014), оптимистично ожидается, что электрохимические характеристики гибридной батареи Mg-Na когда-нибудь могут быть улучшены, чтобы достичь уровня рассмотрения в крупномасштабных приложениях (Li et al., 2017). В данной работе подробно описаны принципы создания высокопроизводительной гибридной Mg-Na-батареи на основе знаний исследований Na-батарей и Mg-батарей. Эти принципы привели нас к рациональной разработке новой гибридной батареи Mg-Na с использованием металлического Mg анода, NaCrO ₂ в качестве катода интеркаляции Na ⁺ и смеси полностью фенильного комплекса (PhMgCl-AlCl ₃ , Mg-APC ) и карба- клозо -додекаборат натрия (NaCB ₁₁ H ₁₂ ) в качестве двойного солевого электролита.Гибридный элемент Mg-NaCrO ₂ обеспечивает плотность энергии 183 Вт · ч · кг ^-1 при напряжении 2,3 В, усредненном за 50 циклов. Кроме того, хотя гибридная батарея обычно склонна к снижению плотности энергии на уровне ячейки из-за необходимого использования достаточного количества электролита для хранения несущих заряд ионов, мы обнаружили, что количество электролита можно уменьшить, используя твердый MgCl ₂ в качестве дополнительный магниевый резервуар при сохранении сопоставимых электрохимических характеристик.Поэтому предлагается гипотетический гибридный аккумулятор MgCl ₂ -NaCrO ₂ с плотностью энергии 215 Вт · ч кг ⁻¹ и выходным напряжением более 2 В.

Эксперимент

Синтез и характеристика материалов

Синтез NaCrO с углеродным покрытием ₂ проводили по твердотельному реакционному пути. Исходные материалы: оксалат натрия (Na ₂ C ₂ O ₄ , ≥99,5%, Sigma-Aldrich), оксид хрома (III) (Cr ₂ O ₃ , 99.9%, Sigma-Aldrich) и глюкозу смешивали в молярном соотношении 1: 0,5: 0,15 и измельчали ​​в шаровой мельнице в сосуде из диоксида циркония при 500 об / мин в течение 1 часа. Смесь нагревали при 400 ° C в течение 2 ч в аргоне. Затем полученный порошок прессовали в таблетку и прокаливали при 900 ° C в течение 10 ч в токе аргона. Карба- клозо -додекаборат натрия (NaCB ₁₁ H ₁₂ ) был получен путем предварительного приготовления водного раствора (H ₃ O) [CB ₁₁ H ₁₂ ] из CsCB ₁₁ H ₁₂ (5.13 г, 18,5 ммоль) с использованием ионообменной колонки (Dowex 50WX8 50–100 меш, 50 мл) с последующей нейтрализацией 0,1 М NaOH до pH 7. Водный раствор, содержащий NaCB ₁₁ H ₁₂ , упаривали досуха. и твердое вещество экстрагировали безводным Et ₂ O (20 мл), удаляя все нерастворимые твердые вещества; затем растворитель удаляли при пониженном давлении и полученное масло дополнительно сушили в вакууме при 100 ° C в течение ночи с получением 2,98 г (96%) безводного NaCB ₁₁ H ₁₂ .Все остальные электролиты Na (сольвионный, 99,9%, содержание H ₂ O ≤ 20 ppm) использовали в исходном виде без дополнительной очистки. Электролит Mg-APC был приготовлен растворением трихлорида алюминия (AlCl ₃ , безводный, 99,99%, Sigma-Aldrich) в тетрагидрофуране (THF, безводный,> 99,9%, Sigma-Aldrich) и смешиванием раствора с фенилмагнием хлоридом (PhMgCl , 2M раствор в THF, Sigma-Aldrich). Измерения дифракции рентгеновских лучей проводили при комнатной температуре на дифрактометре Rigaku SmartLab с использованием излучения Cu K _α .Дифракционные данные собирали в диапазоне углов 2θ от 10 до 70 ° с шагом 0,05 ° и скоростью сканирования 0,04 ° / мин. Морфологические изображения получали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа (SEM) JOEL 7900 и просвечивающего электронного микроскопа Hitachi HR-9000 (TEM).

Электрохимические измерения

Характеристики гибридного элемента Mg-Na были протестированы в индивидуальном Tomcell (TJ-AC Tomcell Japan) с использованием стандартного стеклянного фильтра толщиной 0,2 мм (диаметр 28 мм) (Sigma-Aldrich) в качестве разделителя и фольги из Mg (19 мм). диаметр) как противоэлектрод и электрод сравнения.Фольгу из магния полировали, соскребая с каждой стороны фольги наждачной бумагой и вытирая ее с помощью Kimwipe (Kimberly-Clark). Электроды NaCrO ₂ состояли из 80 мас.% Активного материала, 10 мас.% Кетженской сажи и 10 мас.% Политетрафторэтиленового связующего. Циклическое переключение выполняли в диапазоне напряжений от 0,5 до 3,2 В относительно металлического Mg с использованием системы тестирования батарей потенциостата / гальваностата VMP Bio-Logic.

Вычислительный метод

Теоретическое исследование было основано на расчетах теории функционала плотности (DFT), выполненных с помощью Венского пакета ab initio Simulation Package (VASP) с использованием псевдопотенциалов расширенных проектором волн (PAW) и обменно-корреляционных функционалов, параметризованных Perdew, Burke и Ernzerhof для обобщенное градиентное приближение (GGA) (Kresse and Hafner, 1994; Kresse, Furthmuller, 1996; Kresse and Joubert, 1999).Числовая сходимость примерно до 2 мэВ на формульную единицу была обеспечена за счет использования энергии отсечки 520,0 эВ и соответствующих гамма-центрированных k-точечных сеток. Энергетические барьеры для миграции Mg и Na были рассчитаны с помощью метода подталкиваемой эластичной ленты с восходящим изображением (cNEB) в суперячейках 4 × 4 × 1.

Результаты

Расчетная конфигурация ячейки

Как показано на Фигуре 1A, Mg-Na-батарея желательно работает через введение / извлечение Na ⁺ на катоде и растворение / осаждение Mg на аноде при циклическом разряде / зарядке.Эмпирическое правило при построении конфигурации батареи состоит в том, что батарею следует эксплуатировать в указанном диапазоне, чтобы избежать нежелательных побочных реакций, ухудшающих способность к езде на велосипеде. В частности, элемент не может быть заряжен до слишком высокого напряжения, чтобы вызвать спонтанное окисление электролита, в то время как напряжение разряда не может быть слишком низким для восстановления электролита (Гудинаф и Ким, 2010). Следовательно, окно стабильности для окисления и восстановления электролита должно соответствовать рабочим напряжениям электродов.Это дает первый принцип выбора подходящей конфигурации гибридной батареи Mg-Na. Применяя устойчивость к окислению электролитов в полуячейке Mg плюс разность потенциалов для осаждения Mg и Na, можно согласовать окно стабильности с зарегистрированным рабочим напряжением катодов в полуячейках Na. Обратите внимание, что здесь мы должны рассматривать полный диапазон рабочих напряжений электрода вместо среднего напряжения заряда / разряда. На рисунке 1B мы построили график устойчивости к окислению для двух хорошо известных магниевых электролитов Mg (BH ₄ ) ₂ и Mg-APC, 2.0 В и 3,3 В относительно металлического Mg, соответственно (Mohtadi et al., 2012), по сравнению с рабочим диапазоном нескольких катодов Na-батарей (Yabbuchi et al., 2014). Разность потенциалов для осаждения Mg и Na в растворе тетрагидрофурана (THF) составляла 0,57 В, как измерено с помощью циклической вольтамперометрии (рисунок S1). Очевидно, что низкая устойчивость к окислению Mg (BH ₄ ) ₂ ограничивает выбор катода Ti ³⁺ / Ti ⁴⁺ (Na ₃ Ti ₂ (PO ₄ ) ₃ ) и V ³⁺ / V ⁴⁺ (NaVO ₂ ) окислительно-восстановительные пары и большинство других катодов интеркаляционного типа работают при напряжении выше допустимого окна стабильности.Из-за более высокой устойчивости к окислению электролита Mg-APC использование окислительно-восстановительных пар с более высоким напряжением, таких как Fe ²⁺ / Fe ³⁺ , V ⁴⁺ / V ⁵⁺ и Cr ^{3 +} / Cr ⁴⁺ становится возможным. Особый интерес на рисунке 1B представляет катод NaCrO ₂ . В натриевой батарее примерно 50% ионов натрия могут быть обратимо извлечены из NaCrO ₂ при плато напряжения почти 3,0–3,3 В относительно металлического Na. Дальнейшее извлечение ионов натрия свыше 50% приводит к сложным фазовым переходам, что приводит к потере обратимости (Kubota et al., 2015; Бо и др., 2016). Обратимая емкость NaCrO ₂ составляет ~ 120 мАч / г, а рабочий диапазон хорошо соответствует окну стабильности электролита Mg-APC, что делает его подходящим катодом для гибридной батареи Mg-Na.

Рисунок 1 . Конструкция гибридного Mg-Na аккумулятора. (A) Иллюстрация принципа работы гибридной ячейки Mg-Na. (B) Совместите окно стабильности Mg-APC (синяя пунктирная линия) и Mg (BH ₄ ) ₂ (черная пунктирная линия) и рабочий диапазон напряжения для нескольких катодов Na-батарей.

После выбора катода следующим шагом будет поиск электролита для гибридной ячейки. Поскольку элемент Mg-NaCrO ₂ представляет собой разряженную конфигурацию, электрохимическая операция начинается с процесса зарядки, в котором Na ⁺ извлекается с катода и осаждается Mg на аноде. Емкость ячейки ограничена, если электролит не может обеспечить достаточное количество ионов Mg ²⁺ для уравновешивания катодной реакции. С другой стороны, чистый магний-электролит также препятствует электрохимической реакции, вероятно, из-за отсутствия Na ⁺ для катодной реакции.Исходя из этих соображений, электролит должен накапливать Mg ²⁺ и поддерживать быструю проводимость Na ⁺ в дополнение к традиционной функции переноса заряда. Чтобы найти подходящего кандидата, мы смешали Mg-APC с одним из электролитов Na, NaPF ₆ , NaClO ₄ и Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) и провели гальваностатические испытания для проверки электрохимической способности эти двухсолевые электролиты. В полуэлементах Na / NaCrO ₂ все три электролита с двойными солями работали одинаково хорошо, а профили напряжения были сопоставимы с таковыми при использовании чистого Na-электролита (рис. S2), что указывает на то, что добавление Mg-APC в полуэлементы Na не помогло. проявлять какое-либо заметное влияние электрохимической активности.В симметричных ячейках Mg / Mg стабильное осаждение и растворение Mg наблюдалось только при использовании электролита Mg-APC / Na (CB ₁₁ H ₁₂ ), тогда как ячейки, содержащие NaClO ₄ или NaPF ₆ , не были электрохимически активными ( Вспомогательная информация). Соответственно, в тесте полного элемента Mg / NaCrO ₂ батареи с использованием Mg-APC / NaClO ₄ или Mg-APC / NaPF ₆ имели незначительную емкость (<1 мАч г ^-1 ). Хотя мы не можем полностью исключить возможность того, что следовые количества примесей, содержащихся в электролитах Na, такие как влажность на уровне нескольких десятков частей на миллион, серьезно влияют на работу всей ячейки, наши результаты согласуются с предыдущей работой о том, что анионы PF6- пассивировать Mg-аноды и полностью ингибировать любой процесс осаждения / растворения Mg (Shterenberg et al., 2017). Очевидно, что выбор электролита имеет решающее значение для поддержки анодной реакции в гибридной батарее Mg-Na. И Mg-APC, и Mg (CB ₁₁ H ₁₂ ) ₂ являются активными электролитами для осаждения / растворения Mg; (Tutusaus et al., 2015), следовательно, добавление Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) в Mg-APC не образует неактивных частиц для анодной реакции. Напротив, несовместимость анионов ClO4- и PF6- с анодом из металлического магния запрещает анодную реакцию в растворах электролитов, содержащих NaClO ₄ или NaPF ₆ , что приводит к плохим электрохимическим характеристикам (Singh et al., 2013; Yoo et al., 2013). Интересно, что добавление NaPF ₆ или NaClO ₄ также немного снизило окислительную стабильность Mg-APC, как показано плато заряда, ответственным за разложение электролита при 3,18 и 3,12 В по сравнению с металлическим Mg, соответственно, что, вероятно, связано с наличием следов примесей из электролитов Na и должно стать предметом будущих исследований. Для сравнения, электролит Mg-APC / Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) не показал заметного разложения ниже 3.3 В по сравнению с Mg-металлом.

Двухсолевой электролит Mg-APC и Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) – это не просто смесь двух растворов. Вместо этого взаимодействие между различными активными ионами обеспечивает синергию для улучшения электрохимических характеристик Mg-Na батареи. Из-за низкой растворимости введение Na ⁺ в Mg-APC вызывает осаждение NaCl (Рисунок S4). Хотя подробный анализ механизма реакции выходит за рамки текущей работы и должен быть рассмотрен в будущих исследованиях, возможная реакция –

Таким образом, он сдвигает равновесие в сторону образования [MgCl] ⁺ , возможно, электроактивного носителя для осаждения Mg ²⁺ (Kim et al., 2014; Liu et al., 2014), обеспечивая эффективный способ настройки производительности батареи Mg-NaCrO ₂ , контролируя соотношение между Mg-APC и Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) в электролите с двумя солями. Используя катод NaCrO ₂ без углеродного покрытия, мы обнаружили, что самая высокая разрядная емкость была достигнута при использовании объемной смеси 3: 7 0,4 M Mg-APC и 0,5 M Na (CB ₁₁ H ₁₂ ), который был двойным солевым электролитом, используемым в следующих испытаниях.

Эти результаты суммированы в следующих принципах построения высокопроизводительной гибридной Mg-Na батареи:

(1) Диапазон рабочих напряжений Na-катода не должен превышать стабильность Mg-электролита. В частности, заряд Na-катода не должен превышать стойкость к окислению Mg-электролита.

(2) Для ячейки, начиная с разряженной конфигурации, электролит должен содержать смесь Mg ²⁺ и Na ⁺ и не должен включать какие-либо компоненты, которые предотвращают обратимое осаждение / растворение магния.

(3) Состав двухсолевого электролита должен быть настроен для поддержки транспортировки как Mg ²⁺ , так и Na ⁺ при сохранении достаточного количества Mg ²⁺ , если аккумулятор собран в разряженном состоянии и Na ⁺ , если аккумулятор собран в заряженном состоянии.

Электрохимические характеристики и механизм реакции

Рационально применяя вышеупомянутые принципы, мы собрали гибридную батарею Mg-Na, используя металлический Mg-анод, катод NaCrO ₂ и двухсолевой электролит, приготовленный путем смешивания 0.4 Mg-APC и 0,5 M Na (CB ₁₁ H ₁₂ ) в объемном соотношении 3: 7. Чтобы защитить поверхность NaCrO ₂ от образования карбоната и повысить электронную проводимость катода, NaCrO ₂ был покрыт углеродом. Картина дифракции рентгеновских лучей превосходно соответствовала ромбоэдрической структуре NaCrO ₂ (пространственная группа: R3) без какого-либо заметного пика углерода (рис. 2А). Синтезированный NaCrO ₂ показал частицы микронного размера с пластинчатой ​​структурой.ПЭМ-изображения NaCrO ₂ без покрытия показали высокую кристалличность и гладкие края на поверхности (рис. 2В). В образце с покрытием отчетливо наблюдался однородный углеродный слой, как показано на рисунке 2C. Толщина углеродного слоя оценивалась примерно в 15 нм.

Рисунок 2 . Характеристика синтезированного NaCrO ₂ . (A) Дифракция рентгеновских лучей NaCrO ₂ . (B) ПЭМ непокрытого NaCrO ₂ частиц. (C) ПЭМ частицы NaCrO ₂ с углеродным покрытием.

На рис. 3А представлены кривые гальваностатического заряда-разряда элемента Mg-NaCrO ₂ . Электрохимическое циклирование проводили в диапазоне напряжений 1,5–3,2 В и скорости 0,05 C (1 C = 120 мАч g ^-1 ). Было выбрано напряжение отсечки заряда 3,2 В, чтобы избежать разложения электролита и облегчить необратимый фазовый переход в материале катода, вызванный извлечением более 0.5 Na ⁺ (Komaba et al., 2009; Kubota et al., 2015). Батарея запускалась с напряжением холостого хода 1,68 В, и заряд увеличивал напряжение до плато примерно при 2,4 В. Дополнительное плато примерно при 3,0 В появилось перед тем, как заряд был прекращен при 3,2 В. Разряд Mg-NaCrO _{Батарея 2} была очень обратимой с начальной емкостью разряда 118 мАч g ^-1 и средней емкостью 105 мАч g ^-1 в течение первых 50 циклов (Рисунок 3B).Обратите внимание, что здесь емкость оценивалась исходя из веса активного катодного материала. Среднее напряжение разряда было 2,32 В, что на ~ 0,7 В ниже, чем измеренное в Na-ионной ячейке. Разница в основном объясняется разным анодным потенциалом между Mg / Mg ²⁺ и Na / Na ⁺ (~ 0,57 В), хотя изменение химического потенциала катиона также может способствовать смещению профиля напряжения. Подходящий выбор конфигурации ячеек привел к высокой кулоновской эффективности ячейки Mg-NaCrO ₂ , 91% в первом цикле и постепенно стабилизирующейся на 98% после 25-го цикла (рис. 3В).

Рисунок 3 . Электрохимические характеристики гибридной батареи Mg-NaCrO ₂ . (A) Профиль напряжения для заряда и разряда гибридной батареи Mg-NaCrO ₂ . (B) Пропускная способность и кулоновский КПД в течение первых 50 циклов.

В гибридных Mg-Na батареях сильно различаются заряд и ионный размер, поэтому совместная вставка Mg ²⁺ и Na ⁺ очень маловероятна, в отличие от совместной вставки Mg ²⁺ и Li ^{. +} в некоторых гибридных клетках Mg-Li (Cho et al., 2014; Wu et al., 2015). Кроме того, отсутствие эвтектической области на фазовой диаграмме бинарного Mg-Na ниже точки плавления Na (371 K) указывает на то, что можно ожидать анодного осаждения / растворения Mg без легирования Na. Таким образом, гибридная система Mg-Na имеет потенциальную выгоду для контроля обратимых электрохимических реакций по сравнению с гибридными элементами Mg-Li. Мы провели несколько анализов, чтобы определить механизм реакции в гибридной батарее Mg-NaCrO ₂ . Катодная реакция в принципе может происходить по двум основным направлениям: экстракция / введение ионов натрия или ионов магния.Расчеты теории функционала плотности (DFT) были выполнены для оценки подвижности Mg ²⁺ и Na ⁺ в решетке Na _x CrO ₂ . Предыдущая работа показала, что диффузия ионов щелочных металлов в слоистых оксидах O3 определяется прыжками дивакансий (Ven et al., 2001), когда мобильный ион в октаэдрическом месте мигрирует через промежуточный тетраэдрический участок, окруженный двумя вакансиями (рис. 4A). В механизме дивакансии миграционный барьер Mg ²⁺ на 440 мэВ выше, чем у Na ⁺ .Учитывая, что для практической интеркаляции обычно требуется диффузионный барьер подвижного иона менее ~ 525 мэВ (Liu et al., 2015), введение Mg ²⁺ в Na _x CrO ₂ кинетически затруднено, в то время как подвижность Na ⁺ достаточно для интеркаляции с разумной скоростью. Этот вывод был подтвержден в контрольном эксперименте с использованием металлического Mg-анода, частично дезодированного NaCrO ₂ в качестве катода (x ≈ 0,5) и чистого электролита Mg-APC.После создания достаточного количества пустых участков между слоями CrO ₂ путем десодиации, пренебрежимо малая емкость (<4 мАч г ^-1 ), ответственная за введение Mg, была зарегистрирована в эксперименте с разрядом (Рисунок S3), что отрицает возможность Mg ^{2. +} -интеркаляция в Na _x CrO ₂ .

Рисунок 4 . Анализ электрохимических реакций на катоде NaCrO ₂ и металлическом Mg аноде в ячейке Mg-NaCrO ₂ . (A) Диффузионный барьер Mg ²⁺ и Na ⁺ в механизме дивакансии. Подвижный ион показан сплошным оранжевым кружком, а вакансии показаны пунктирными кружками. Октаэдры Na и CrO ₆ показаны желтым и синим цветом соответственно. (B) Анализ разряженного катода с помощью SEM и EDS. (C) Изменение содержания Mg и Na в катоде, измеренное с помощью EDS в двух циклах заряда-разряда. (D) Анализ SEM и EDS частицы, осажденной на аноде из нержавеющей стали.Шипы представляют собой керамические остатки сепаратора.

Элементный состав катода на различных электрохимических стадиях исследован методом ex situ энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDXS). СЭМ-изображение типичной катодной частицы после 1-го цикла заряда-разряда показано на рисунке 4B. Картирование EDXS показало равномерное пространственное распределение Na по частице, в то время как очень слабый сигнал Mg наблюдался, вероятно, только из-за остатка электролита, адсорбированного на поверхности.На рис. 4С показано изменение содержания Na и Mg в катоде в двух электрохимических циклах. Хотя было обнаружено небольшое количество Mg, изменение концентрации Na количественно соответствовало электрохимически измеренной емкости. Эти результаты продемонстрировали, что катодная реакция батареи Mg-NaCrO ₂ включала только извлечение и введение Na ⁺ , несмотря на наличие Mg ²⁺ в двухсолевом электролите.

Для изучения анодной реакции мы заменили металлический анод Mg на нержавеющую сталь (SS), чтобы избежать фонового сигнала EDXS от Mg фольги.После зарядки мы наблюдали агрегацию наноразмерных сферических первичных частиц в несколько круглых микрочастиц на поверхности SS. На рис. 4D показано изображение одной из таких частиц, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Элементный состав отложений показал, что частица в основном состоит из Mg без какого-либо заметного уровня Na или других элементов в электролите, таких как Al, Cl, B и C. Хотя потенциал осаждения Al выше, чем у Mg. , разновидности алюмината аниона, присутствующие в двойном солевом электролите, не участвовали в процессе осаждения, и анодная реакция происходила исключительно посредством осаждения / растворения Mg.

Объединив результаты катодной и анодной реакции, мы пришли к выводу, что электрохимической реакцией нашей батареи Mg-NaCrO ₂ было введение / извлечение Na ⁺ на катоде NaCrO ₂ и растворение / осаждение Mg на металлическом Mg-аноде. где баланс заряда в электролите достигается за счет обмена Mg ²⁺ и Na ⁺

Предполагая общую реакцию 4, плотность энергии Mg-NaCrO ₂ , рассчитанная на основе веса NaCrO ₂ и MgCl ⁺ , составила 212 Втч кг ⁻¹ со средним напряжением 2,3 В. Учитывая вес соли Mg (PhMgCl), средняя плотность энергии составляет 183 Вт · ч · кг ⁻¹ , что выше, чем у Mg-Na ₃ В ₂ (PO ₄ ) ₃ гибридный аккумулятор (150 Вт · ч кг ⁻¹ , 2,6 В) и гибридной батареи Mg-Berlin Green (135 Втч кг ⁻¹ , 2.1 В).

Одним из важных преимуществ гибридной батареи Mg-Na является то, что она позволяет избежать кинетически вялого процесса введения / экстракции Mg ²⁺ , тем самым создавая потенциал для достижения высокой производительности. Производительность ячейки Mg-NaCrO ₂ с высокой скоростью была исследована при скорости 0,05, 0,5, 1, 2 и 5 ° C для каждого из четырех циклов. При этих более высоких скоростях средняя емкость ячейки составила 96, 81, 61 и 31 мАч г ^-1 соответственно (рис. 5). После того, как ток снова снизился до 0.05 C, ячейка сохранила рабочие характеристики, что не означает заметного ухудшения во время высокоскоростных операций. Поскольку анодное осаждение и растворение Mg в электролите Mg-APC является быстрым электрохимическим процессом (Matsui, 2011), мы полагаем, что высокоскоростная способность Mg-NaCrO ₂ определяется характеристиками катода NaCrO ₂ . . Катод, используемый в нашем тесте, был подготовлен без каких-либо попыток оптимизировать его скоростные характеристики. Недавняя работа показала, что высокоскоростные характеристики катода NaCrO ₂ в Na-ячейках могут быть значительно улучшены за счет управления синтезом и модификацией поверхности.Например, посредством синтеза с сушкой эмульсии и нанесения углеродного покрытия Yu et al. смог циклировать NaCrO ₂ со сверхбыстрой скоростью до 150 ° C (Yu et al., 2015). Мы ожидаем, что оптимизация катода NaCrO ₂ для обеспечения высокой скорости, безусловно, может привести к отличной производительности в гибридной ячейке Mg-NaCrO ₂ , что является предметом будущих исследований.

Рисунок 5 . Оценить производительность гибридной ячейки Mg-NaCrO ₂ . (A) Профиль заряда-разряда при разных скоростях C. (B) Сохранение емкости при высокой скорости цикла.

Используйте твердый MgCl

В литий-ионных аккумуляторах основная функция электролита – проводить ионы Li ⁺ между положительным и отрицательным электродами. В гибридной батарее Mg-Na электролит не только переносит Mg ²⁺ и Na ⁺ , но также участвует в реакции (уравнение 4) и изменяет состав во время цикла.Строго говоря, оценка плотности энергии гибридной батареи должна учитывать количество как электрода, так и электролита, используемого в элементе (Dong et al., 2016; Li et al., 2017). Как следствие, наивысшая достижимая емкость гибридной батареи Mg / NaCrO ₂ , о которой говорилось выше, при использовании исключительно жидкого электролита в качестве источника Mg ²⁺ , ограничена растворимостью соли магния в растворе. Одним из способов повышения плотности энергии ячейки является уменьшение количества растворителя при сохранении достаточного количества Mg ²⁺ .Количество электролита можно уменьшить, используя соль Mg с обратимым осаждением и растворением в качестве дополнительного твердого резервуара Mg, способного выделять Mg ²⁺ в электролит во время зарядки и накапливать Mg ²⁺ во время разряда. Чтобы продемонстрировать возможность использования твердой соли магния в качестве высококонцентрированного источника Mg, мы уменьшили количество электролита, чтобы сбалансировать только 67% переноса заряда для теоретической экстракции Na (половина Na на NaCrO ₂ ) и поставили твердый MgCl ₂ в ячейку, давая смесь электролита с формальной концентрацией Mg, равной 24.4 М. На рис. 6 показан профиль разряда ячеек Mg-NaCrO ₂ с использованием уменьшенного количества электролита Mg-APC / Na (CB ₁₁ C ₁₂ ) с добавлением твердого MgCl ₂ . Когда общего количества Mg ²⁺ в ячейке было недостаточно для уравновешивания катодной реакции, емкость уменьшали в соответствии с доступным содержанием Mg. Добавление MgCl ₂ увеличивало емкость до достижения критической точки, когда общее количество Mg ²⁺ становилось достаточным для катодной реакции.Наибольшая емкость была зарегистрирована при использовании небольшого избытка Mg (109 мАч г ^-1 ), что очень близко к емкости, полученной с использованием избыточного жидкого электролита (100 мАч г ^-1 ). Хотя мы не проводили никакой оптимизации для достижения лучшей емкости, текущие результаты ясно указывают на возможность уменьшения количества двухсолевого электролита путем добавления нерастворимой твердой соли магния при сохранении сопоставимых электрохимических характеристик. Линейная подгонка емкости с содержанием MgCl ₂ показала, что каждый MgCl ₂ обеспечивает 1.33 e ^– для электрохимической емкости, или, другими словами, эффективность использования твердого MgCl ₂ для циклирования Mg составила 67%. Интересно, что напряжение разряда также показало зависимость от количества добавленного MgCl ₂ , что отражало влияние сложных равновесий в электролите на напряжение ячейки.

Рисунок 6 . Разряд гибридной ячейки Mg-NaCrO ₂ с использованием твердого MgCl ₂ в качестве дополнительного резервуара Mg.Процентное соотношение показывает соотношение катода, который может полностью прореагировать с подачей Mg ²⁺ в электролите и в MgCl ₂ . Вставка: разрядная емкость как функция подачи Mg ²⁺ .

В лучшем случае мы можем предположить, что большая часть, если не весь, Mg ²⁺ хранится в форме твердой соли магния, такой как MgCl ₂ . Помимо электрохимических реакций (2) и (3), при работе от батареи происходит растворение / осаждение MgCl ₂

Полная ячейка может быть описана в соответствии с

Фактически, уравнение (6) описывает реакцию гибридной батареи Mg-Na с использованием катода NaCrO ₂ и анода MgCl ₂ . В нашей предыдущей работе мы показали, что некоторые хлориды металлов функционируют как активные электроды, которые выделяют ионы хлора в электролите во время работы (Zhang et al., 2015). В гипотетической батарее NaCrO ₂ -MgCl ₂ электролит служит средой для баланса заряда, но не для хранения Mg ²⁺ .Следовательно, он преодолевает риск снижения плотности энергии из-за необходимого использования большого количества электролита.

Напряжение гипотетической батареи MgCl ₂ -NaCrO ₂ равно

, где первый член происходит от изменения свободной энергии для реакции 2 NaCrO ₂ + xMgCl ₂ ( твердый ) ⇄2 xNaCl ( твердый ) +2 Na _{1 x} CrO ₂ + Mg и Δ G _{дис, NaCl} – свободная энергия растворения NaCl.Пренебрегая вкладом второго члена, плотность энергии гипотетической батареи NaCrO ₂ -MgCl ₂ оценивается как 215 Вт · ч · кг ^-1 . При таком уровне плотности энергии и выходном напряжении более 2 В представляет большой интерес изучить возможность использования соли магния вместо металлического магния в качестве анода в гибридной Mg-Na батарее.

Заключение

В заключение мы показываем, что следующие принципы имеют решающее значение для создания подходящей конфигурации для гибридной батареи Mg-Na:

(1) Диапазон рабочих напряжений Na-катода не должен превышать стабильность Mg-электролита.В частности, заряд Na-катода не должен превышать стойкость к окислению Mg-электролита. Современный магний-электролит обычно имеет окислительную стабильность не выше 3,5 В по сравнению с металлическим магнием в настоящее время. Этот принцип запрещает использование Na-катода со средним напряжением выше 4 В, если только дальнейшее развитие Mg-электролита не сможет поднять стойкость к окислению до более высокого уровня.

(2) Для ячейки, начиная с разряженной конфигурации, электролит должен быть смесью раствора соли Mg и Na и не должен включать какие-либо вещества, несовместимые с металлическим магниевым анодом; в противном случае обратимое осаждение / растворение Mg блокируется.

(3) Состав двухсолевого электролита должен быть настроен для поддержки транспортировки как Mg ²⁺ , так и Na ⁺ при сохранении достаточного количества Mg ²⁺ , если аккумулятор собран в разряженном состоянии и Na ⁺ , если аккумулятор собран в заряженном состоянии.

Применяя эти принципы, мы рационально выбрали металлический Mg-анод, NaCrO ₂ в качестве катода интеркаляции Na ⁺ и смесь полностью фенильного комплекса (PhMgCl-AlCl ₃ , Mg-APC) и карба- натрия. клозо -додекаборат (NaCB ₁₁ H ₁₂ ) в качестве двойного солевого электролита.Гибридная батарея Mg-NaCrO ₂ обеспечивает плотность энергии 183 Вт · ч · кг ⁻¹ при среднем напряжении 2,3 В. Мы продемонстрировали, что элемент Mg-NaCrO ₂ работает через интеркаляцию натрия на катоде и осаждение магния. / растворение на аноде. Избегая кинетической вялой интеркаляции Mg, ячейка Mg-NaCrO ₂ показала хорошее сохранение емкости при высоких плотностях тока. Кроме того, мы показали, что добавление твердого MgCl ₂ в качестве дополнительного резервуара магния снижает необходимое количество электролита при сохранении сопоставимых электрохимических характеристик.Предполагается, что гибридная батарея MgCl ₂ -NaCrO ₂ предотвращает снижение плотности энергии на уровне элемента из-за необходимого количества электролита для хранения иона Mg ²⁺ . Плотность энергии гипотетической батареи оценивается в 215 Вт · ч · кг ^-1 , а выходное напряжение превышает 2 В. Следовательно, гипотетическая гибридная батарея MgCl ₂ -NaCrO ₂ является потенциальным кандидатом для крупномасштабных приложений. если возможно.

Авторские взносы

CL задумал идею, разработал проект вместе с RZ, выполнил расчет и написал эскиз.РЗ синтезировал NaCrO ₂ и провел электрохимические эксперименты. ОТ и РМ получили Na (CB ₁₁ H ₁₂ ). Все авторы участвовали в анализе результатов и доработке рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https: // www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2018.00611/full#supplementary-material

Список литературы

Обах, Д., Лу, З., Шехтер, А., Гофер, Ю., Гизбар, Х., Тургеман, Р. и др. (2000). Опытные образцы систем аккумуляторных магниевых батарей. Природа 407, 724–7. DOI: 10.1038 / 35037553

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бо, С.-Х., Ли, X., Томар, А. Дж., И Седер, Г. (2016). Превращение слоистой соли в каменную соль в дезодифицированном Na _x CrO ₂ (x <0.4). Chem. Mater . 28, 1419–1429. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.5b04626

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Canepa, P., Bo, S.-H., Gautam, G. S., Key, B., Richards, W. D., Shi, T., et al. (2017). Высокая подвижность магния в тройных халькогенидах шпинели. Нат. Коммуна . 8 : 1759. DOI: 10.1038 / s41467-017-01772-1

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Cheng, Y., Chang, H.J., Dong, H., Choi, D., Sprenkle, V., Liu, J., et al. (2016). Перезаряжаемые гибридные батареи Mg-Li: состояние и проблемы. J. Mater. Res . 31, 3125–3141. DOI: 10.1557 / jmr.2016.331

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ченг, Ю., Шао, Ю., Чжан, Ж.-Г., Спренкле, В. Л., Лю, Дж., И Ли, Г. (2014). Высокопроизводительные батареи на основе гибридного химического соединения магния и лития. Chem. Коммуна . 50, 9644–9646. DOI: 10.1039 / C4CC03620D

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чо, Дж.-H., Aykol, M., Kim, S., Ha, J.-H., Wolverton, C., Chung, K.Y., et al. (2014). Управление химией интеркаляции для разработки высокопроизводительных гибридных аккумуляторных батарей с двойным солевым покрытием. J. Am. Chem. Soc . 136, 16116–16119. DOI: 10.1021 / ja508463z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Dong, H., Li, Y., Liang, Y., Li, G., Sun, C.-J., Ren, Y., et al. (2016). Гибридная магниево-натриевая батарея с высоким рабочим напряжением. Chem. Коммуна .52, 8263–8266. DOI: 10.1039 / C6CC03081E

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фан, X., Гаддам, Р. Р., Кумар, Н. А., и Чжао, X. S. (2017). Гибридный аккумулятор Mg ²⁺ / Li ⁺ на основе межслойного катода MoS2 / графен Adv . Energy Mater . 7 : 1700317. DOI: 10.1002 / aenm.201700317

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Т., Хань, Ф., Чжу, Ю., Суо, Л., Ло, К., Xu, K., et al. (2015). Гибридный аккумулятор Mg ²⁺ / Li ⁺ с длительным сроком службы и высокой емкостью. Adv. Энергетика . 5 : 1401507. DOI: 10.1002 / aenm.201401507

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуденаф, Дж. Б., Ким, Ю. (2010). Проблемы литий-ионных аккумуляторов. Chem. Mater . 22, 587–603. DOI: 10,1021 / см2z

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким Д. Ю., Лим Ю., Рой, Б., Рю, Ю.-Г., и Ли, С.-С. (2014). Механизмы действия электролитов в ионно-магниевых батареях: химическое равновесие, осаждение магния и окисление электролита. Phys. Chem. Chem. Phys . 16, 25789–25798. DOI: 10.1039 / C4CP01259C

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Комаба С., Накаяма Т., Огата А., Симидзу Т., Такей К., Такада С. и др. (2009). Электрохимически обратимое натриевое интеркалирование слоистого NaNi _0.5 Mn _0,5 O ₂ и NaCrO ₂ . ЭКС Транс . 16, 43–55. DOI: 10.1149 / 1.3112727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kresse, G., and Furthmuller, J. (1996). Эффективные итерационные схемы для ab initio расчетов полной энергии с использованием базиса плоских волн. Phys. Ред. B 54, 11169–11186.

PubMed Аннотация | Google Scholar

Крессе, Г., и Хафнер, Дж. (1994). Неэмпирическое молекулярно-динамическое моделирование перехода жидкий металл – аморфный полупроводник в германии. Phys. Ред. B 49, 14251–14269. DOI: 10.1103 / PhysRevB.49.14251

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кресс, Г., и Жубер, Д. (1999). От ультрамягких псевдопотенциалов до метода дополненных волн проектора. Phys. Ред. B 59, 1758–1775. DOI: 10.1103 / PhysRevB.59.1758

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кубота К., Икеучи И., Накаяма Т., Такеи К., Ябуучи Н., Шииба Х. и др. (2015). Новое понимание структурной эволюции слоистого NaCrO ₂ во время электрохимической экстракции натрия. J. Phys. Chem. С 119, 166–175. DOI: 10.1021 / jp5105888

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли Ю., Ань К., Ченг Ю., Лян Ю., Рен Ю., Сан К.-Дж. и др. (2017). Высоковольтная перезаряжаемая гибридная магниево-натриевая батарея. Nano Energy 34, 188–194. DOI: 10.1016 / j.nanoen.2017.02.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линг, К., Банерджи, Д., и Мацуи, М. (2012). Изучение электрохимического осаждения мг на атомном уровне: почему он предпочитает недендритную морфологию. Электрохим. Acta 76, 270–274. DOI: 10.1016 / j.electacta.2012.05.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линг, К., Суто, К. (2017). Термодинамическая природа необратимого захвата магния шеврельной фазой mo6s8: важность упорядочения магния и вакансий. Chem. Mater . 29, 3731–3739. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.7b00772

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линг, К., Чжан, Р., Артур, Т. С., и Мизуно, Ф. (2015).Насколько общая реакция превращения в катоде Mg батареи: пример магнезиации α-MnO ₂ . Chem. Mater . 27, 5799–5807. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.5b02488

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Линг, К., Чжан, Р., Мизуно, Ф. (2016). Количественно предсказать потенциал полиморфов MnO ₂ в качестве катодов магниевых батарей. ACS Appl. Матер. Интерфейсы . 8, 4508–4515. DOI: 10.1021 / acsami.5b11460

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю М., Jain, A., Rong, Z., Qu, X., Canepa, P., Malik, R., et al. (2016). Оценка соединений сернистой шпинели для катодных применений мультивалантных батарей. Energy Environ. Sci . 9, 3201–3209. DOI: 10.1039 / C6EE01731B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю М., Ронг З., Малик Р., Канепа П., Джайн А., Седер Г. и др. (2015). Соединения шпинели как катоды многовалентных батарей: систематическая оценка, основанная на расчетах ab initio. Energy Environ. Sci .8, 964–974. DOI: 10.1039 / C4EE03389B

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Т., Кокс, Дж. Т., Ху, Д., Дэн, X., Ху, Дж., Ху, М. Ю. и др. (2014). Фундаментальное исследование димерных электролитов [(μ-Cl) ₃ Mg ₂ (THF) ₆ ] ⁺ для перезаряжаемых Mg-батарей. Chem. Коммуна . 51, 2312–2315. DOI: 10.1039 / C4CC07621D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мацуи, М. (2011). Исследование электрохимически осажденного металла Mg. J. Источники энергии 196, 7048–7055. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.11.141

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Mizuno, F., Singh, N., Arthur, T. S., Fanson, P. T., Ramanathan, M., Benmayza, A., et al. (2014). Понимание и преодоление проблем, связанных с контактами электрод / электролит в перезаряжаемых магниевых батареях. Фронт. Энергетика Res . 2:46. DOI: 10.3389 / fenrg.2014.00046

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мохтади, Р., Мацуи, М., Артур, Т.С., и Хванг, С.-Дж. (2012). Боргидрид магния: от накопителя водорода до магниевого аккумулятора. Angew. Chem. Int. Эд . 39 : 9780–9783. DOI: 10.1002 / anie.201204913

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Штеренберг И., Салама М., Гофер Ю. и Аурбах Д. (2017). Растворы на основе гексафторфосфата для Mg аккумуляторов и важность хлоридов. Langmuir 33, 9472–9478. DOI: 10.1021 / acs.langmuir.7b01609

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сингх, Н., Артур, Т.С., Линг, К., Мацуи, М., и Мизуно, Ф. (2013). Оловянный анод с высокой плотностью энергии для аккумуляторных магниево-ионных аккумуляторов Chem. Commun. 49, 149–151. DOI: 10.1039 / C2CC34673G

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сан X., Бонник П., Даффорт В., Лю М., Ронг З., Перссон К. А. и др. (2016). Катод из тиошпинеля большой емкости для магниевых батарей. Energy Environ. Sci . 9, 2273–2277 DOI: 10.1039 / C6EE00724D

CrossRef Полный текст

Тутусаус, О., Мохтади Р., Артур Т. С., Мизуно Ф., Нельсон Э. Г. и Севрюгина Ю. В. (2015). Эффективный безгалогенный электролит для использования в перезаряжаемых магниевых батареях. Angew. Chem. Int. Эд . 54, 7900–7904. DOI: 10.1002 / anie.201412202

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вен, А. В. Д., Седер, Г., Аста, М., и Тепеш, П. Д. (2001). Теория из первых принципов ионной диффузии с неразбавленными носителями. Phys. Ред. B 64, 184307.DOI: 10.1103 / PhysRevB.64.184307

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вальтер, М., Кравчик, К. В., Ибаньес, М., Коваленко, М. В. (2015). Эффективный и недорогой гибридный натриево-магниевый аккумулятор. Chem. Mater . 27, 7452–7458. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.5b03531

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Л. Ф., Пердью Б. Р., Апблетт К. А. и Прендергаст Д. (2015). Механизм десольватации и интеркаляции Mg на поверхности шеврельной фазы Mo6S8. Chem. Mater . 27, 5932–5940. DOI: 10.1021 / acs.chemmater.5b01907

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, N., Yang, Z.-Z., Yao, H.-R., Yin, Y.-X., Gu, L., and Guo, Y.-G. (2015). Повышение электрохимических характеристик электрода Li ₄ Ti ₅ O ₁₂ в перезаряжаемой магниевой батарее путем совместной интеркаляции лития и магния. Angew. Chem. Int. Эд . 57, 5757–5761. DOI: 10.1002 / anie.201501005

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ябучи, Н., Кубота, К., Дахби, М., и Комаба, С. (2014). Исследования в области натрий-ионных аккумуляторов. Chem. Ред. 114, 11636–11682. DOI: 10.1021 / cr500192f

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yao, H.-R., You, Y., Yin, Y.-X., Wan, L.-J., and Guo, Y.-G. (2016). Перезаряжаемые двухметаллические ионно-ионные аккумуляторы для улучшенного хранения энергии. Phys. Chem. Chem. Phys . 18, 9326–9333. DOI: 10.1039 / C6CP00586A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю, Х.Д., Лян Ю., Ли Ю. и Яо Ю. (2015). Гибридный магниево-литий-ионный аккумулятор большой емкости с кулоновским КПД 99,9% для крупномасштабного накопления энергии. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 7, 7001–7007. DOI: 10.1021 / acsami.5b01206

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ю, Х. Д., Штеренберг, И., Гофер, Ю., Гершинский, Г., Пур, Н., Аурбах, Д. (2013). Mg перезаряжаемые батареи: постоянная задача. Energy Environ. Sci .6, 2265–2279. DOI: 10.1039 / c3ee40871j

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Yu, C.-Y., Park, J.-S., Jung, H.-G., Chung, K.-Y., Aurbach, D., Sun, Y.-K., et al. (2015). Катод NaCrO ₂ для высокопроизводительных натриево-ионных аккумуляторов. Energy Environ. Sci . 8, 2019–2026. DOI: 10.1039 / C5EE00695C

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Как мы доберемся до следующего большого прорыва в области аккумуляторных батарей – Quartz

Вы читаете эксклюзивную статью Quartz, доступную всем читателям в течение ограниченного времени.Чтобы разблокировать доступ ко всем Quartz, станьте участником.

Электрические самолеты могут быть будущим авиации. Теоретически они будут намного тише, дешевле и чище, чем те самолеты, которые есть у нас сегодня. Электрические самолеты с дальностью полета 1000 км (620 миль) на одной зарядке могут использоваться сегодня для половины всех рейсов коммерческих самолетов, сокращая глобальные выбросы углерода в авиации примерно на 15%.

То же самое и с электромобилями. Электромобиль – это не просто более чистая версия своего кузена, извергающего загрязнение.По сути, это лучший автомобиль: его электродвигатель мало шумит и молниеносно реагирует на решения водителя. Зарядка электромобиля обходится намного дешевле, чем оплата эквивалентного количества бензина. Электромобили могут быть построены с небольшим количеством движущихся частей, что удешевляет их обслуживание.

Так почему же электромобили уже не повсюду? Это связано с тем, что батареи дороги, поэтому первоначальная стоимость электромобиля намного выше, чем стоимость аналогичной модели с бензиновым двигателем.И если вы не водите много, экономия на бензине не всегда компенсирует более высокие первоначальные затраты. Короче говоря, электромобили по-прежнему не экономичны.

Точно так же современные батареи не обладают достаточной энергией по весу или объему для питания пассажирских самолетов. Нам все еще нужны фундаментальные прорывы в аккумуляторных технологиях, прежде чем это станет реальностью.

Портативные устройства с батарейным питанием изменили нашу жизнь. Но есть еще много вещей, которые могут вывести из строя батареи, если бы только более безопасные, более мощные и энергоемкие батареи могли быть сделаны дешево.Никакой закон физики не исключает их существования.

И все же, несмотря на более чем два столетия тщательного изучения с момента изобретения первой батареи в 1799 году, ученые до сих пор не до конца понимают многие основы того, что именно происходит внутри этих устройств. Что мы действительно знаем, так это то, что, по сути, есть три проблемы, которые необходимо решить, чтобы батареи снова действительно изменили нашу жизнь: мощность, энергия и безопасность.

Не существует универсальной литий-ионной батареи

Каждая батарея имеет два электрода: катод и анод.Большинство анодов литий-ионных батарей изготовлено из графита, но катоды изготавливаются из различных материалов, в зависимости от того, для чего будет использоваться батарея. Ниже вы можете увидеть, как различные материалы катода меняют работу типов батарей по шести параметрам.

Проблема питания

В просторечии люди используют термины «энергия» и «мощность» как синонимы, но при разговоре об аккумуляторах важно различать их. Мощность – это скорость, с которой может высвобождаться энергия.

Батарея, достаточно сильная, чтобы запустить и удерживать в воздухе коммерческий самолет на расстояние 1000 км, требует большого количества энергии, чтобы высвободиться за очень короткое время, особенно во время взлета. Так что дело не только в накоплении большого количества энергии, но и в способности очень быстро извлекать эту энергию.

Решение проблемы энергоснабжения требует от нас заглянуть в черный ящик коммерческих аккумуляторов. Будет немного занудно, но терпи меня. Новые аккумуляторные технологии часто преувеличиваются, потому что большинство людей не уделяют должного внимания деталям.

Самая современная химия батарей, которая у нас есть в настоящее время, – это литий-ионные. Большинство экспертов сходятся во мнении, что никакая другая химия не сможет подорвать ионно-литиевый сплав еще по крайней мере еще десять или более лет. Литий-ионный аккумулятор имеет два электрода (катод и анод) с сепаратором (материал, который проводит ионы, но не электроны, предназначен для предотвращения короткого замыкания) в середине и электролит (обычно жидкий) для обеспечения обратного потока ионов лития и вперед между электродами. Когда батарея заряжается, ионы перемещаются от катода к аноду; когда батарея питает что-то, ионы движутся в противоположном направлении.

Представьте себе две буханки нарезанного хлеба. Каждая буханка – это электрод: левый – катод, а правый – анод. Предположим, что катод состоит из пластин никеля, марганца и кобальта (NMC) – одного из лучших в своем классе – и что анод состоит из графита, который по сути представляет собой слоистые листы или пластинки атомов углерода. .

В разряженном состоянии, то есть после того, как энергия была истощена, в буханке NMC между каждым ломтиком находятся ионы лития. Когда батарея заряжается, каждый ион лития извлекается из промежутков между пластинами и вынужден проходить через жидкий электролит.Сепаратор действует как контрольно-пропускной пункт, гарантирующий, что только ионы лития проходят через графитовую буханку. При полной зарядке в катодной буханке батареи не останется ионов лития; все они будут аккуратно зажаты между ломтиками графитового хлеба. По мере того, как энергия батареи расходуется, ионы лития возвращаются к катоду, пока на аноде не останется ни одного. Вот тогда аккумулятор нужно зарядить снова.

Емкость аккумулятора в основном определяется скоростью этого процесса.Но не так-то просто увеличить скорость. Слишком быстрое извлечение ионов лития из катодной буханки может привести к появлению дефектов на ломтиках и, в конечном итоге, к их разрушению. Это одна из причин, почему чем дольше мы пользуемся смартфоном, ноутбуком или электромобилем, тем хуже время автономной работы. Каждая зарядка и разрядка заставляют буханку немного ослабевать.

Над решением проблемы работают разные компании. Одна из идей – заменить слоистые электроды чем-то более прочным.Например, швейцарская компания по производству аккумуляторов Leclanché со 100-летней историей работает над технологией, в которой используется фосфат лития-железа (LFP), который имеет структуру «оливина» в качестве катода, и оксид титаната лития (LTO), который имеет Структура «шпинель», как анод. Эти структуры лучше справляются с потоком ионов лития в материал и из него.

В настоящее время Leclanché использует свои аккумуляторные элементы в автономных складских вилочных погрузчиках, которые можно полностью зарядить за девять минут. Для сравнения: лучший нагнетатель Tesla может зарядить автомобильный аккумулятор Tesla примерно до 50% за 10 минут.Leclanché также внедряет свои батареи в Великобритании для быстрой зарядки электромобилей. Эти батареи находятся на зарядной станции, медленно потребляя небольшое количество энергии в течение длительного периода времени из сети, пока они не будут полностью заряжены. Затем, когда автомобиль стыкуется, аккумуляторы док-станции быстро заряжают аккумулятор автомобиля. Когда машина уезжает, аккумулятор станции снова начинает заряжаться.

Такие усилия, как шоу Лекланше, можно изменить с химическим составом батарей, чтобы увеличить их мощность. Тем не менее, никто еще не построил батарею, достаточно мощную, чтобы быстро доставить энергию, необходимую коммерческому самолету для преодоления гравитации.Стартапы стремятся строить самолеты меньшего размера (вмещающие до 12 человек), которые могли бы летать на относительно менее энергоемких батареях, или электрические гибридные самолеты, где реактивное топливо выполняет тяжелую работу, а батареи – накатом.

Но на самом деле в этой сфере нет ни одной компании, которая могла бы даже приблизиться к коммерциализации. Кроме того, технический скачок, необходимый для полностью электрического коммерческого самолета, вероятно, займет десятилетия, – говорит Венкат Вишванатан, эксперт по аккумуляторным батареям из Университета Карнеги-Меллона.

Reuters / Alister Doyle