Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис.1: Нанонити диоксида олова на поверхности нового, еще не используемого электрода
Рис.2: Нанонити олова (с примесью лития) электрода после 10 циклов заряда-разряда аккумулятора
Рис.3: Зависимость удельной емкости от количества зарядо-разрядочных циклов для различных электродов

Нанопровода внутри аккумулятора

Ключевые слова:  аккумуляторы, анодный материал, нанонити, оксид олова

Опубликовал(а):  Чепиков Всеволод Николаевич

31 октября 2009


Литий-ионные аккумуляторы широко применяются в портативных электронных устройствах, электрических и гибридных транспортных средствах и остро нуждаются в повышении энергоемкости на единицу массы. Обычные анодные материалы для этих батарей способны брать менее одного эквивалента (иона лития) на формульную единицу. А многие материалы на основе элементов: Si, Ge, Sn - до 4,4 ионов лития на формульную единицу. Например, насыщенное литием олово (Li4.4Sn) может хранить заряд до 994 мА*час/г, что втрое больше, чем полностью интеркалированный графит.

Проблема в том, что при интеркаляции - деинтеркаляции лития кристаллическая решетка материала увеличивается / уменьшается в объеме примерно в четыре раза, что приводит к огромным механическим напряжениям и, как следствие, к быстрому разрушению электрода после нескольких циклов зарядки-разрядки. Поэтому и возникла идея применения в качестве анодного материала нанонитей оксида олова. При первой зарядке идет необратимый процесс:

SnO2 + 4Li→ 2Li2O + Sn

А затем, при функционировании устройства, обратимый:

Sn + xLi ↔ LixSn (0 ≤ x ≤ 4.4).

Фаза Li2O электрохимически неактивна, работает буфером и повышает срок службы батареи, препятствуя агрегации наночастиц олова, снижающей площадь поверхности электродов. Применение оксида олова в виде системы из одномерных нанообъектов сильно увеличивает площадь поверхности электрода, делает его менее подверженным разрушению при циклических механических напряжениях при зарядке-разрядке. В полученных электродах ниже внутренне сопротивление, возможны большие токи, эти электроды более долговечны и позволяют создавать батареи с более высокой энергоемкостью за счет более полного использования свойств материала.

Технология основана на непосредственном (без буферных слоев) выращивании нанонитей на поверхности анодного коллектора тока по технологии пар-жидкость-кристалл (VLS) при довольно низкой температуре. Процесс осуществляется в электрической печи при 600°С и парциальном давлении кислорода менее одного миллиметра ртутного столба. В наиболее горячую зону печи вносится порошок олова, который в этих условиях испаряется. В более холодную - будущий анодный коллектор из нержавеющей стали или покрытого золотом кремния, на поверхности которого будет сформирована система из торчащих нанонитей оксида олова. Олово поступает за счет транспорта через газовую фазу. Таким образом, получается уже готовый электрод.

Авторы методики для сравнения использовали электроды, полученные нанесением на медную фольгу помещенных в органический растворитель нанопорошков олова или оксида олова в смеси с углеродной проводящей фазой с последующим удалением растворителя в вакууме при 100°С. Для электрода на основе нанонитей введения специальной проводящей фазы не требовалось. Три сравниваемых электрода были включены в состав литий-ионных аккумуляторов с использованием 1М раствора LiPF6 в смеси этиленкарбоната и диметилкарбоната в качестве растворителя. В начале аккумуляторы показывали близкую энергоемкость, но после 20-30 циклов заряда-разряда для всех из них, кроме содержащего нанонити, она резко упала (см. рисунок 3).

Таким образом, была продемонстрирована перспективность данной технологии. Скорее всего, варьируя средние длины и толщины нанонитей за счет подбора условий синтеза, в дальнейшем удастся получить электроды с еще лучшими эксплуатационными свойствами и долговечностью, которые найдут широкое применение в аккумуляторах всевозможных устройств.




Комментарии
Ура, если это правда! А когда мы это сможем увидеть в своих устройствах? Надеюсь, что скоро. При этом главное, чтобы он был, реально был долговечен и не зависел от неумелого "разгона" вначале эксплуатации - сейчас из-за этого аккумуляторы быстро выходят из строя.
Ну, в медицине 10 лет проходит от разработки до внедрения...
Что касается сроков, то они определяются темпами освоения месторождения лития в Боливии. Эти запасы оцениваются 50% от мировых.
Интересная статья, и написано понятно. Исследовали разрядные характеристики, смотрели как меняется емкость при разных скоростях разряда (рис. 4). Неясно, почему выбрали режим, когда электрод циклируют 10 раз и затем скорость повышают? Извернулись по-моему, правильнее было бы при каждой скорости снимать 80 циклов.

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Лед и пламень: эшелоны моноатомных ступеней
Лед и пламень: эшелоны моноатомных ступеней

Все члены сборной России получили медали на 30-й Международной биологической олимпиаде для школьников
21 июля в Сегеде (Венгрия) подвели итоги 30-й Международной биологической олимпиады для школьников. Российская сборная на состязании завоевала три серебряные медали и одну бронзовую.

Шесть медалей завоевали российские школьники на 60-й Международной математической олимпиаде
Стали известны итоги 60-й Международной математической олимпиады для школьников, которая проходила в Бате (Великобритания). Российская сборная завоевала две золотые и четыре серебряные медали.

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в международной конференции ACNS’2019. Тезисы доклада Быкова В.А.

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.