FestivalNauki.ru
En Ru
cентябрь-ноябрь
176 городов
September – October
176 cities
12-14 октября 2018
МГУ | Экспоцентр | 90+ площадок
14–16 октября 2016
Центральная региональная площадка
28–30 октября 2016
ИРНИТУ, Сибэскпоцентр
14–15 октября 2016
Центральная региональная площадка
23 сентября - 8 октября 2017
«ДонЭкспоцентр», ДГТУ
октябрь-декабрь 2017
МВДЦ «Сибирь», Кванториум,
Вузы и научные площадки города
6-8 октября 2017
Самарский университет
27-29 октября
Кампус ДВФУ, ВГУЭС
30 сентября - 1 октября
Ледовый каток «Родные города»
21-22 сентября 2018 года
ВКК "Белэкспоцентр"
9-10 ноября 2018 года
Мурманский областной Дворец Культуры

Литий-ионные аккумуляторы станут эффективнее благодаря кремнию, германию и углеродным наностенкам

Сотрудники Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В. Скобельцына вместе с коллегами с химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова разработали новый материал на основе кремния и германия, с помощью которого можно существенно повысить удельные характеристики литий-ионных аккумуляторов. Результаты работы были опубликованы в Journal of Materials Chemistry A.

Литий-ионные аккумуляторы — наиболее часто используемый тип накопителей энергии в современных электронных устройствах. Такие аккумуляторы состоят из двух электродов, отрицательного (анода) и положительного (катода), которые помещены в герметичный корпус. Пространство между ними заполнено пористым сепаратором, пропитанным электролитом — растворенной литиевой солью. Сепаратор предотвращает короткое замыкание между разнополярными электродами и обеспечивает необходимый для высокой ионной проводимости запас электролита. Электрический ток во внешней цепи возникает, когда ионы лития движутся из вещества анода через электролит в вещество катода. При этом энергоемкость литий-ионного аккумулятора во многом определяется количеством ионов лития, которые могут принять и перенести активные материалы анода и катода.

Ученые разработали и исследовали новый анодный материал, позволяющий заметно повысить энергоэффективность литий-ионных аккумуляторов, в том числе используемых в тонкопленочных приложениях.

«Сегодня большое внимание уделяется разработке анодных материалов на основе таких элементов, как кремний (Si) и германий (Ge). Эти элементы при взаимодействии с ионами лития способны образовывать сплавы, теоретическая энергоемкость которых значительно превышает емкость графита — традиционного анодного материала современных литий-ионных аккумуляторов», — рассказал Виктор Кривченко, один из авторов статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики плазмы и физических основ микротехнологии отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ.

Из всех известных анодных материалов кремний обладает наибольшей теоретической литиевой емкостью, достигающей 4200 мАч/г, что делает его наиболее перспективным материалом для аккумуляторов с повышенной энергоемкостью. В свою очередь, германий, хоть он дороже и менее емкий, чем кремний, лучше проводит через себя электрический ток. При этом перенос ионов лития (диффузия) внутри германия протекает на несколько порядков интенсивнее, чем внутри кремния. Такие особенности германия позволяют значительно увеличить мощность литий-ионных аккумуляторов без существенного изменения их объема.

Основная проблема электродных материалов заключается в том, что их структура разрушается в цикличном процессе заряда и разрядки, что приводит к выходу литий-ионного аккумулятора из строя. Ученые предлагают решить эту проблему с помощью перехода к наноструктурированным материалам и создания композитных материалов, где в качестве стабилизирующей матрицы могут выступать различные углеродные наноструктуры. Альтернативный вариант решения — переход от традиционного двухмерного к трехмерному распределению активного вещества на поверхности электродов.

«Главная новизна представленной работы заключается в том, что для реализации анодных материалов с требуемыми структурными и функциональными свойствами на основе кремния и германия использовалась матрица, сформированная плазмохимически синтезированными углеродными структурами с очень развитой поверхностью. Такие структуры представляют собой плотный массив графеноподобных наностенок, ориентированных перпендикулярно к поверхности металлической подложки», — рассказал Виктор Кривченко.

В ходе работы ученые использовали метод магнетронного напыления, что позволило им однородно покрыть поверхность наностенок слоем кремния или германия толщиной 10-50 нанометров. При этом конечная структура композитного анода может состоять как из одного слоя активного материала, так и из чередующихся слоев. В результате было показано, что полученная трехмерная архитектура позволяет достигнуть высокой удельной емкости и повышает стабильность удельных характеристик анодов на основе кремния и германия.

«Результаты представляют существенную научно-техническую основу для дальнейшего создания перспективных электродных материалов для накопителей энергии нового поколения. В рамках работы были достигнуты научные результаты мирового уровня в области разработки, исследования электрохимических и физико-химических свойств, а также применения новых наноструктурных материалов. Проведенные исследования позволили получить новые экспериментальные данные, способствующие расширению теоретических знаний о поведении наноструктур в электрохимических системах», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с учеными из Университета Дубна, Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева (Казахстан) при технической поддержке специалистов компании «Инжиниринговый инкубатор».

 

Фото: Микрофотография пленок кремния (сверху) и германия (снизу) на поверхности наностенок (вид сверху). Источник: Виктор Кривченко

Добавьте свой комментарий

Plain text

  • Переносы строк и абзацы формируются автоматически
  • Разрешённые HTML-теги: <p> <br>
LiveJournal
Регистрация

Новости в фейсбук

Случайные статьи

Ученые выяснили, как состав Мирового океана изменился за 25 миллионов лет

Сотрудники биологического факультета МГУ выяснили, что за 25 миллионов лет состав Мирового океана сильно изменился от преимущественно бескислородной закисной водной тол

Химикам удалось сделать шаг вперед на пути создания переключаемых реакторов

Нобелевское зеркало

«До объявления Нобелевских лауреатов осталось … часов, … минут, … секунд», - эта заставка сайта Nobelprize.org всю неделю висит как основная страница на компьютерах тысяч, а то и миллионов пользователей.

Пределы вычислений

Существует ряд фундаментальных физических и технических ограничений на объём вычислений или хранения данных, которые могут быть осуществлены при использовании массы, объёма или энергии данной величины:

Об урановых таблетках и обыденности чуда

— А сейчас таблетки на лодочке отправляются на обжиг, — поясняет нам заместитель начальника цеха Новосибирского завода химических концентратов. Он в белом халате, бахилах-чунях и маске-респираторе модели «Лепесток». Мы тоже в халатах, масках и чунях.