Аккумуляторы солите характеристики: Страница не найдена — Источники электропитания — magazinakb.ru

Содержание

Аккумулятор SOLITE CMF 85D23L

Solite Известная торговая марка, знакомая автомобилистам многих стран Мира.Конструкция батарей разработана с использованием новейших технологий. Аккумуляторы ‘СОЛАЙТ’ изготовлены на современном оборудование с использованием высококачественных материалов: свинцовых пластин с содержанием кальция, сепараторов низкого сопротивления, суперполимеров. Аккумуляторы сертифицированы по международным стандартам качества ISO/TS 16949, 14001 и российским стандартам РОСТЕСТ. Широкий модельный ряд.Необслуживаемые аккумуляторы ‘СОЛАЙТ’ с повышенным сроком службы предназначены для современных автомобилей, где используются много электроприборов и где требуется обеспечить их надежную стабильную работу. Преимущества для пользователей. Батареи ‘СОЛАЙТ’ обеспечивают стабильную работу двигателя в большом диапазоне внешних температур. Большой пусковой ток обеспечивает быстрый и мощный запуск двигателя при низких температурах. Использование пластин с содержанием Кальция снижает испарение электролита, повышает коррозионную стойкость пластин, устраняет необходимость доливки электролита в течение всего срока службы, увеличивает срок службы батареи. Высокие электрические характеристики батарей. Низкий саморазряд. Применение пластин конвертного типа и специального состава пластин увеличивает срок службы батарей. Аккумуляторы поставляются залитыми и заряженными, не требуют подготовки. Поставили и поехали ! Имеется центральная вентиляция, обеспечивающая взрывобезопасность батареи. Встроенный индикатор облегчает процесс контроля плотности электролита и состояния заряженности батареи. Удобная ручка позволяет переносить батарею во время сервисного контроля и при плановой замене. На аккумуляторы ‘СОЛАЙТ’ предоставляется гарантия и для удобства Покупателей аккумуляторы могут пройти проверку и сервисное обслуживание в техническом центре.

Категории: Solite

Ваша заявка принята!
Мы свяжемся с вами
в ближайшее время

К сожалению, Вашу заявку не удалось отправить. Пожалуйста, проверьте правильность заполнения всех полей!

Аккумуляторы Solite « Аккумуляторы от профессионалов

Главная > Марки аккумуляторов > Аккумуляторы Solite

Широкий модельный ряд популярной марки

Можно с уверенностью сказать, что в настоящий момент осталось мало стран, где марка АКБ «Solite» еще не популярна. Батареи Solite с широким модельным рядом отличаются особенной конструкцией, которая стала возможна благодаря применению новейших технологий. Многие пользователи по достоинству оценили все преимущества этой торговой марки.

Аккумуляторы Solite отличаются своим качеством, обеспеченным использованием современного оборудования для их производства и высококачественных материалов: свинцовых пластин с содержанием кальция, сепараторов низкого сопротивления и суперполимеров.

Обратите внимание на большой пусковой ток. Именно с его помощью можно добиться быстрого и мощного запуска двигателя в условиях низких температур.

Отметим применение пластин с содержанием кальция – именно это обеспечивает меньшее испарение электролита и одновременно повышение коррозионной стойкости пластин. Устранение необходимости доливки электролита в течение всего срока службы увеличивает срок службы батареи.

Используя батареи Solite, вы можете быть уверены в стабильной работе двигателя в широком диапазоне внешних температур.

Марка	*Ёмкость (Aч)**	Ток (А)	Вес (кг)	Габариты (ДхШхВ)
Solite 44 CMF (44B19) п/о Ca-Ca	44	350	10,0	187x127x199
Solite 50 CMF (65B24) п/о Ca-Ca	50	470	12,9	236x128x200
Solite 70 CMF (85D23) п/о Ca-Ca	70	580	14,0	230x168x200
Solite 85 CMF (95D26) п/о Ca-Ca	85	650	17,6	260х168х200
Solite 95 CMF (115D31) п/о Ca-Ca	95	750	23,1	301x172x200
Solite 115 CMF (115E41) п/о Ca-Ca	115	850	24,5	324х172х204
Solite CMF 130F51 п/о Ca-Ca	120	850	33,5	503х182х208
Solite CMF 155G51 п/о Ca-Ca	150	1000	41	503x216x208
Solite CMF NS200 п/о Ca-Ca	190	1050	49	503x216x208
Solite CMF N200 п/о Ca-Ca	200	1100	50	503x261x217

Перейти к каталогу SOLITE

Солнечно аккумуляторная батарея: виды и основные характеристики

Один из основных расходных материалов для солнечной батареи является аккумулятор. Чем качественнее и лучше будет подобрана солнечно аккумуляторная батарея в системе резервного или автономного питания, тем меньше буду энергозатраты. А, следовательно, ниже общая стоимость электроэнергии, которую вырабатывает солнечная электростанция.

Преимущества в использовании аккумуляторных батарей

Преимущества, которыми обладают почти все аккумуляторы – это их отличные эксплуатационные качества и высокая надежность в работе. Тем не менее, большой вес и невысокая энергоемкость делают эти источники уязвимыми. Так, удельный вес аккумулятора составляет 450 кг/кВт. Это означает, что обычная цинковая баратея при оптимальной емкости 300 Ач может весить около 100 кг.

Однако, без аккумуляторов ни одна из солнечных батарей работать не сможет – ведь потребленную от солнца энергию ей необходимо где-то накапливать, а потом вырабатывать в напряжение и ток, для стабильной работы электроприборов и техники.

Поэтому промышленностью разрабатываются и внедряются в эксплуатацию солнечные батареи с аккумуляторами различных типов и видов, которых способные удовлетворить буквально все потребности, как в быту, так и в народном хозяйстве. Как выбрать внешний универсальный аккумулятор для работы солнечных батарей и не ошибиться?

Солнечно аккумуляторная батарея: основные критерии подбора оптимального варианта

Для того, чтобы подобрать оптимальную модель аккумулятора для работы с батареей, необходимо ознакомится с некоторыми составляющими, позволяющими принять единственно правильное решение:

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора – это его главный технический показатель. Этот параметр целиком и полностью зависит от того, где именно будет установлена электростанция и для каких бытовых нужд она будет предназначена. Если аккумуляторы необходимы для поддержки системы резервного питания, то емкость должна быть рассчитана, исходя из того, каким будет 100% цикл разряда.

А поскольку такой аккумулятор для солнечных батарей будет разряжаться очень медленно и редко, для этих нужд может быть использован самый обычный автомобильный аккумулятор, способный выдержать до 200 циклов разрядки. Однако, если перед ним поставлены определенные задачи – например, обеспечить круглосуточную работу водяного насоса и параллельно при этом осветить весь дом, то стоит учесть, как саму мощность насоса, так и некоторых энергосберегающих светильников.

Солнечно аккумуляторная батарея: тип и марка

Определившись с емкостями, нужно подобрать внешний универсальный тип или марку аккумуляторной батареи. Как правило, производитель всегда указывает в инструкции или описании номинальную емкость батарей для различных временных условий использования. Для 10 или 20-и часовой работы с батареей она, конечно различна, но при условиях одинакового номинала аккумулятор, где указан 10-часовой номинал будет работать дольше, чем 20-часовой.

Вес

При одинаковой емкости, аккумуляторы могут быть абсолютного разного веса. Основную часть массы составляет активный свинец, а поэтому тяжелые аккумуляторные батареи, как правило, работают с более высокими качественными показателями и характеристиками.

Разновидности и определяющие показатели работы

Еще один немаловажный показатель при выборе – жидкокислотные (AGM) или гелиевые (GEL) аккумуляторы. Принято подразумевать под жидкокислотными аккумуляторами только автомобильные, но это не совсем так. Обычный автомобильный источник питания предназначен для быстрой подачи большого тока к стартеру, но не всегда способен обеспечить достаточное число циклов. OPzS – аккумулятор, имеющий максимальное количество зарядов и требующий контроля за основными параметрами электролита.

Хотите экономить на электроэнергии? Тогда узнайте, как работают ветряные мельницы и где выгодно их устанавливать

Этот универсальный источник подачи напряжения, тем не менее, достаточно дорог, и поэтому так и не получил широкой популярности. Гелевые аккумуляторы – имеют более доступную цену, и поэтому в солнечных электростанциях применяются довольно часто. А самыми дешевыми вариантами батарей стали на сегодняшний день AGM – и в этом состоит его популярность.

При выборе этих устройств необходимо учесть и срок их службы. 10- летний продолжительность работоспособности кислотных и гелевых батарей, бесспорно, делает этот выбор предпочтительней.

Кроме того, для различных типов солнечных батарей существуют модифицированные источники питания. Это не только внешние аккумуляторы, но и встроенные в один корпус с самой батареей. Они обеспечивают гарантированное питание различной бытовой и специальной аппаратуры и техники.

Системы и цепи аккумуляторов для улучшения рабочих емкостей

Солнечные батареи с аккумулятором, кажущиеся на первый взгляд простыми системами, на самом деле – сложнейший механизм слаженной работы всех элементов. И если хоть одно звено из этой сбалансированной цепи перестанет функционировать – система полностью прекратит свою работу.

Наибольшую популярность получили 12-и вольтовые источники питания для солнечных батарей. Из них собираются более сложные конструкции, кратные по величине напряжения на 12. Питающие блоки, таким образом, могут быть 24, 48, 96В. Для более мощных солнечных систем применяются цепочки параллельно собранных блоков. Так, чтобы их суммарная мощность давала желаемый результат. Такая сложная солнечная батарея с аккумулятором способна сохранить любое количество солнечной энергии.

Хотите узнать, как построить энергосберегающий дом? Смотрите секреты строительства дома , который сам экономит

Производителями выпускается целый ряд таких накопительных устройств с различными емкостями и мощностями. На сегодняшний день самые популярные и востребованные устройства подобного рода – гелевые аккумуляторы.

Гелевые аккумуляторы

Наиболее функциональным решением использования аккумуляторов для стабильной работы солнечных батарей является гелевый аккумулятор. Источники питания такие очень удобны — выполненные в герметизированном корпусе с использованием внутри гелиевого электролита. Этот внешний накопитель энергии очень популярен на сегодняшний день.

Гелевый — это универсальный аккумулятор. Он работает, практически, в любом положении, не требует замены электролита и доливки воды. Эти источники напряжения принято считать единственно экологически чистыми. Поскольку они не допускают выброса в атмосферу вредных веществ. Кроме того, эти гелевые аккумуляторы способны работать при сильном разбросе температур. А так как, прибор внешний — он стойко выдерживает даже 45-градусные морозы. А срок его эксплуатации, в зависимости от выбранной модели, достигает 15-16 лет.

Гелевый аккумулятор используются в случаях, когда подача напряжения в сети должна производиться круглосуточно. Поэтому электростанции, питающиеся от солнечных батарей, чаще всего работают именно с этими источниками питания.

Батареи со встроенными элементами питания

Солнечная батарея со встроенным аккумулятором – это небольшое питающее устройство. Оно позволяет при помощи солнечной энергии заряжать различные типы мобильных и мультимедийных систем. Внешний аккумулятор должен иметь соединительную цепочку для работы с солнечной батареей. В данном же случае – этого не нужно.

Батареи со встроенными элементами питания

Для того, чтобы использовать такую солнечную батарею необходимо воспользоваться специальным переходником. Чаще всего, такие устройства применяют для подзарядки аудиоплееров, iPod, фото и видео камер.

Выясняем: когда стоит устанавливать солнечные батареи и как быстро они окупаются?

В солнечную батарею встраивается литиевый аккумулятор, питающийся от солнечных лучей при помощи специальных панелей. Все устройство содержится в небольшом пластиковом корпусе, предохраняющем его от повреждений и загрязнений.

Аккумуляторные солнечные батареи способны заменить обычные батарейки. Не придется с собой в поход или путешествие брать их великое множество. Он идеально подходит для людей, любящих длительные путешествия, походы и морские круизы. При наличии всех необходимых переходников это устройство способно снабдить питанием самые разные приборы и виды техники. Начиная от бритвы и заканчивая планшетом или видеокамерой.

Солнечно аккумуляторная батарея способна удерживать самую активную технику в рабочем состоянии на протяжении 10-12 часов.

Как правило, именно это и необходимо для того, чтобы находясь в походе или в местах, где отсутствуют централизованные источники питания чувствовать себя комфортно, пользуясь всеми необходимыми приборами и аппаратурой.

Для любой, использующей солнечные батареи техники, требуется грамотно подобранная солнечно аккумуляторная батарея. Она должна обеспечить оборудование бесперебойной подачей энергии. Это нужно для стабильной работы и качественной эксплуатации. От этого выбора, контроля и поддержания его основных параметров и характеристик напрямую зависит безотказность и надежность всех жизненно необходимых источников потребления энергии.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Расплавленные соли — обзор

Заключение

Расплавленные фториды солей в качестве охлаждающих жидкостей обладают такими интересными характеристиками, как очень хорошие транспортные свойства, высокая стойкость к облучению, высокая термическая стабильность и температуры кипения. У них есть некоторые преимущества с жидкометаллическими теплоносителями, например работа реактора при низком давлении. Это является значительным преимуществом в плане безопасности и стоимости.

MSR имеет много преимуществ по сравнению с другими типами реакторов, например способность сжигать актиниды или воспроизводить делящееся топливо, непрерывную переработку отработавшего топлива, отсутствие необходимости в производстве топлива, безопасную работу и высокий уровень устойчивости, поскольку MSR может быть запущен в качестве трансмутера долгоживущих актинидов из отработанного ядерного топлива или в качестве реактора-размножителя в урановом топливном цикле или (что гораздо лучше) в ториевом топливном цикле.Во всем мире исследуются все эти режимы работы МСР. МСР с жидким топливом могут быть спроектированы со спектром нейтронов от тепловых до быстрых.

Подход с использованием теплового спектра имеет более обширную историческую основу и способность значительно снизить нейтронный поток, достигающий материала корпуса реактора, по сравнению с МСР с быстрым спектром. Конструкции теплового спектра, такие как IMSR и ThorCon, открывают возможность упрощенных вариантов преобразователя, устраняя необходимость в переработке топлива за счет использования НОУ, отдельно или в сочетании с торием.Конструкции MSR конвертера также позволяют рассматривать SS316 в качестве материала контейнера для корпуса реактора и солей-носителей, который свободен от необходимости в обогащенном литии 7 и / или бериллии (и их производстве трития), поскольку нейтронная экономия имеет меньшее значение для конвертеров.

В последние годы НИОКР по MSR были в основном сосредоточены на концепциях быстрого спектра с поддержкой тория или без (MSFR и MOSART), которые были признаны в GIF в качестве долгосрочной альтернативы твердотопливным реакторам на быстрых нейтронах с привлекательными характеристиками ( сильно отрицательные коэффициенты обратной связи по реактивности, меньший запас делящихся материалов, упрощенный топливный цикл).Отрицательный коэффициент реактивности теплоносителя общепризнан как желательный элемент безопасности для энергетических реакторов. MSFR и MOSART могут работать в технических пределах, используя высоконикелевый сплав в качестве материала контейнера с различными загрузками топлива и составом на основе TRU (из отработанного топлива LWR с отношением MA / TRU до 0,45) в качестве специального трансмутера актинидов, в качестве самодостаточной системы. (CR = 1) или даже как заводчик (CR> 1).

Риски коррозии из-за примесей (в основном кислорода, воды), растворенных в расплавленном солевом теплоносителе, или продуктов деления, присутствующих в топливной соли, являются серьезной проблемой для MSR, которые были предметом исследований и разработок с 1950-х годов.Исследования и разработки передовых материалов для конструкций MSR ведутся сейчас в разных странах. Хотя для демонстрации жизнеспособности MSR все еще необходимы дополнительные экспериментальные и квалификационные усилия для специальных материалов, используемых в конструкции MSR, прошлый опыт, накопленный в ORNL в 1960-х и 1970-х годах, остается источником знаний, которые продемонстрировали многие положительные аспекты технологии реактора.

Методы анализа безопасности в их нынешнем виде не могут быть применены к MSR, работающим на жидком топливе, в частности, из-за того, что топливо расплавляется во время нормальной эксплуатации.Его выдающийся уровень безопасности обеспечивается резко отрицательными коэффициентами обратной связи по реактивности даже в спектре быстрых нейтронов и возможностью сливать жидкое топливо в отстойные баки, что исключает перегрев из-за отвода остаточного остаточного тепла. Необходима новая методология проектирования и оценки безопасности МСР на жидком топливе, основанная на принятых в настоящее время принципах безопасности, таких как принцип глубокоэшелонированной защиты, использование нескольких барьеров и трех основных функций безопасности: контроль реактивности, распад отвод тепла и удержание радиоактивных продуктов.Новая методология, применяемая к реактору и перерабатывающим установкам, должна быть надежной и всеобъемлющей, включать как детерминистский, так и вероятностный подходы.

Рассматриваемые конструкции MSR, в которых проточная смесь расплавленных солей на основе фторидов содержит делящийся / воспроизводящий материал, служащий топливом и теплоносителем, представляют собой реакторную установку, объединенную с установкой пиропереработки. Существующие подходы МАГАТЭ PR&PP в основном применимы к U-Pu, но не к топливным циклам на основе MA и Th-U, а также к подсчету единиц твердотопливных реакторов, а также к учету сыпучих материалов для передней и конечной частей реактора. ядерный топливный цикл.Эти методы и связанное с ними оборудование для бухгалтерского учета были разработаны преимущественно для обогащения, изготовления топлива и водной переработки. Однако ни одна из этих мер массового учета не может быть напрямую применена к высокотемпературным конструкциям MSR в целом и для MSFR и MOSART в частности без оценки и возможных изменений. Практически не проводилось работы по определению того, как будет определяться содержание делящегося материала в смеси топливных солей, когда он находится в первом контуре, в дренажных баках или в технологической установке.

Различные проекты MSR имеют общие темы в основных областях НИОКР, из которых наиболее заметными являются технология жидких солей и поведение материалов, химия и моделирование топлива и топливного цикла, а также аспекты численного моделирования и проектирования безопасности реактора. Исследования в этих областях не только поддержат развитие этого конкретного реактора и технологии топливного цикла, но также могут найти применение в других системах поколения IV, таких как SFR (Heidet, 2021), LFR (Alemberti, 2021) и VHTR (Fütterer). и другие., 2021), например, для разработки альтернативных жидкостей для промежуточного переноса тепла, где жидкие соли предлагают потенциальные преимущества, в частности, в отношении высокой объемной теплоемкости, уменьшенного размера оборудования, отсутствия химических экзотермических реакций, теплоносителей промежуточного контура и энергетического цикла.

Тесное международное сотрудничество между участвующими странами оказалось очень эффективным в решении наиболее важных оставшихся проблем НИОКР. Однако всем сторонам необходимы постоянные усилия для того, чтобы к 2025–2030 годам приблизиться к базовой конструкции реактора, обладающей превосходными показателями безопасности и устойчивости.

Границы | Влияние концентрации литиевой соли на структурные и транспортные свойства ионных жидких электролитов

Введение

С ростом популярности персональных портативных электронных устройств быстро развиваются транспортные средства на новых источниках энергии и возобновляемые источники энергии. Электрохимическая система хранения энергии с высокой плотностью энергии, высокой циклической стабильностью и высокой плотностью мощности сталкивается с огромными проблемами и постепенно стала основным направлением исследований в мире.Литий-ионные аккумуляторы доминируют на рынке аккумуляторов с момента их успешной коммерциализации в начале 1990-х годов благодаря их высокому напряжению, высокой удельной энергии и длительному сроку службы (Scrosati and Garche, 2010; G динаф и Ким, 2011). Однако требования к характеристикам и составу аккумуляторов становятся все более строгими по мере того, как требования приложений продолжают улучшаться. Озабоченность по поводу безопасности литий-ионных аккумуляторов стала очевидной и возросла, поскольку трудно удовлетворить требования к легкому, высокопроизводительному и долговечному электронному оборудованию, электромобилям и другим технологиям.Таким образом, разработка нового поколения экологически чистых аккумуляторных систем с высокими характеристиками и защитой окружающей среды стала общей проблемой для международного сообщества.

Электролит, как ключевой компонент литиевой батареи, не только играет роль в проведении ионов лития и внутренней цепи, но также является одним из наиболее важных факторов, определяющих емкость батареи и стабильность цикла. Отличный аккумуляторный электролит обычно имеет следующие характеристики: (1) хорошая химическая и электрохимическая стабильность, т.е.е., не вступающие в реакцию с электродом в диапазоне рабочих напряжений; (2) высокая способность к переносу ионов лития; (3) хорошая совместимость с положительным электродом и отрицательным электродом из металлического лития; (4) отличные характеристики электронной изоляции; (5) низкая стоимость, низкая токсичность и защита окружающей среды и т. Д. Однако в настоящее время наиболее широко используемый в промышленности электролит на основе органических растворителей не может обеспечить все вышеперечисленные комплексные характеристики. Таким образом, оптимизация и разработка состава и формулы электролита стала одним из лучших способов стимулировать быстрое развитие литий-ионных батарей (Xu, 2014; Kim et al., 2015; Wu et al., 2019).

Ионные жидкости (ИЖ) определяются как расплавленные соли с температурой плавления ниже 100 ° C, которые считаются третьим типом растворителей после воды и органических растворителей. Между тем ИЖ обладают уникальными свойствами, такими как высокая термическая стабильность, незначительное давление пара, нелетучесть, высокая ионная проводимость и т. Д. (Galinski et al., 2006; Lewandowski and Swiderska-Mocek, 2009; Zhang et al., 2018). Поэтому они широко используются во многих устройствах хранения энергии, таких как электрохимические двухслойные конденсаторы, солнечные элементы и т. Д., особенно в качестве электролитов в литиевых батареях в последние годы (Рисунок S1). Однако на эти свойства сильно влияют кулоновские взаимодействия, ван-дер-ваальсовы взаимодействия и направленность взаимодействий между катионами и анионами. Таким образом, мы должны внимательно рассмотреть эти характеристики и структуры, а также выбрать подходящие ИЖ для практических приложений. Из-за гибкости структуры ИЖ (теоретически существует 10 ¹⁸ типов ИЖ) невозможно проверить все ИЖ экспериментально и выбрать лучшую систему для литий-ионных аккумуляторов.До сих пор при применении литиевых батарей в качестве электролитов использовалось лишь несколько ИЖ (рис. 1). Между тем, этот рисунок также указывает на то, что структура электролитов ИЖ изменяется с концентрацией соли лития; то есть литиевая соль обернута IL, когда концентрация литиевой соли низкая; напротив, ИЖ обертываются литиевой солью, когда концентрация литиевой соли высока. Поэтому в этом исследовании мы сначала резюмируем недавний прогресс в области электролитов IL и стремимся пролить свет на будущую дорожную карту в этой области исследований.

Рисунок 1 . Общая структура ионных жидкостей и литиевой соли, используемых в литиево-ионных батареях (ионные жидкости обертывают литиевую соль, когда концентрация литиевой соли низкая; напротив, ионные жидкости оборачиваются литиевой солью).

С момента коммерциализации литиевых батарей в основе электролитов лежит органический карбонат. Хотя эти типы электролитов допускают большое количество циклов заряда и разряда, существуют некоторые серьезные проблемы с безопасностью из-за горючести, летучести и т. Д.В последние десятилетия было приложено много усилий для решения этой проблемы, чтобы найти потенциальные альтернативы доступному растворителю. Из-за огромных преимуществ ИЖ распространенной стратегией является тестирование доступных ИЖ, чтобы заменить проблемные органические карбонаты, что широко применяется. Sakaebe и Matsumoto (2003) обнаружили, что ячейка Li / LiCoO ₂, содержащая N, -метил- N -пропилпиперидиний бис (трифторметансульфонил) имид в качестве электролита, показала хорошие характеристики с постоянной емкостью LiCoO ₂ и кулоновской эффективностью. при полных циклах более 97% при норме тока C / 10.После этого Гарсия и др. (2004) исследовали бис- (трифторметансульфонил) -имид этилметилимидазолия ([C ₂ mim] [TFSI]), допированный LiTFSI в качестве электролита в литиевой батарее. Результаты сравнивали с традиционными жидкими органическими растворителями этиленкарбонат / карбонатные электролиты (EC / DMC). Они обнаружили, что электролиты IL могут обеспечить лучшую производительность при езде на велосипеде; между тем проводимость была аналогична проводимости электролита с органическим растворителем, достигая 7 мСм / см. Постепенно все больше исследователей обнаружили, что электролиты IL не только могут эффективно улучшать проводимость, но также демонстрируют свои преимущества в стабильности и цикличности электрода и батареи соответственно.Например, Ishikawa et al. (2006) впервые сообщили о чистом IL-1-этил-3-метилимидазолий бис (фторсульфонил) имид ([C ₂ mim] [FSI]) и N-метил-N-пропилпирролидиния бис (фторсульфонил) имид ([Pry13] [FSI ]) в качестве электролита может обеспечить стабильную и обратимую емкость для графитированного отрицательного электрода без каких-либо добавок или растворителей при температуре окружающей среды. Экспериментальные результаты также показали, что обратимая емкость графитового отрицательного электрода имеет стабильное значение ~ 360 мАч / г в течение 30 циклов при скорости заряда / разряда 0.2 C. Впоследствии Sugimoto et al. (2010) сравнили электролиты IL [C ₂ mim] [FSI] и DMC в композитном аноде кремний-никель-углерод для перезаряжаемых ионно-литиевых батарей. Результаты экспериментов показали, что гальваностатическое циклирование композитного анода на основе Si в электролите на основе FSI ^— с ограничением заряда 800 мАч / г было стабильным и обеспечивало разрядную емкость 790 мАч / г на 50-м цикле. В то же время все больше и больше исследователей осознавали, что электролиты IL могут использоваться для различных электродов в литиевых батареях с высокими характеристиками (Chagnes et al., 2005; Ким и др., 2008; Чжан и др., 2008; Ma et al., 2019).

Однако только экспериментальные исследования ИЖ позволяют получить очень ограниченное количество электролитов, поскольку ИЖ слишком сложны по сравнению с обычными растворителями. Поэтому он получил широкое распространение для исследования микроструктуры и свойств электролита с помощью методов моделирования. Бородин и др. исследовали катионную среду Li ⁺, перенос и механические свойства для N-метил-N-пропилпирролидиния бис (трифторметансульфонил) имида ([mppy] [TFSI]) и N, N -диметил-пирролидиния бис (трифторметансульфонил) имида ( [mmpy] [TFSI]) IL с 0.25 моль / л соли LiTFSI при 303–500 K методом молекулярной динамики. Результат показал, что в среднем с катионом Li ⁺ координировано <4 атомов кислорода; при этом коэффициенты самодиффузии ионов следовали порядку Li ⁺ — + или mppy ⁺ (Бородин и др., 2006). Недавно Леш и др. Исследовали динамические и структурные свойства двух электролитов ИЖ (LiTFSI- [C ₂ mim] [TFSI] и LiTFSI- [Pyr13] [TFSI]).(2016) с помощью метода моделирования всей атомной молекулярной динамики. Они обнаружили, что катион ИЖ не зависит от структуры координационной оболочки Li ⁺. Кроме того, посредством анализа структуры они выяснили, что электролит на основе [pyr13] [TFSI] имеет более высокие числа переноса лития из-за более сильного взаимодействия между [pyr13] ⁺ и [TFSI] ^—. Таким образом, моделирование молекулярной динамики стало обычным инструментом для исследования ключевых структурных и динамических механизмов.Между тем, это мощный метод проверки и разработки новых электролитов в последние годы.

В последнее время все большее внимание исследователей привлекает высокая концентрация концентрированного электролита (≥2 M соли Li). Исследования показали, что высококонцентрированные электролиты могут ингибировать образование дендритов лития во время процесса осаждения / удаления лития, тем самым эффективно улучшая стабильность слоя SEI и термическую стабильность электролита (Yamada et al., 2014; Qian et al., 2015; Ямада и Ямада, 2015). Что еще более важно, электролиты с высокой концентрацией имеют необычную сольватационную структуру по сравнению с обычными электролитами с низкой концентрацией. Shirai et al. (2008) исследовали с помощью экспериментов комбинационного рассеяния света и ЯМР и показали, что в высококонцентрированных электролитах, состоящих из LiTFSI и IL ( N, N -диэтил- N -метил- N — (2-метоксиэтил) бис (трифторметансульфонил) аммония амид, Li ⁺ координируется с четырьмя атомами кислорода в двух анионах [TFSI] ^— с образованием структуры [Li (TFSI) ₂] ^—.В то же время Umebayashi et al. сообщили о влиянии температуры на структуру электролита LiTFS- [C ₂ mim] [TFSI] с высокой концентрацией, что указывает на то, что цис-форма [TFSI] ^— более стабильна при высокой концентрации соли лития (Umebayashi et al. др., 2008). После этого Ямада и др. сообщили, что производительность 3,6 моль / л электролита, состоящего из двойного (фторсульфонил) амида лития (LiFSA) и DME, была намного выше, чем у коммерческих электролитов при сверхбыстрой зарядке.Это открытие является важным прорывом в области быстрой зарядки ионно-литиевых аккумуляторов, а также расширяет наши знания о том, что электролит с высокой концентрацией работает плохо (Yamada et al., 2013). Недавно мы также провели исследование высококонцентрированных электролитов ИЖ. Путем сравнения 2 моль / л литиевой соли (LiTFSI) с чистыми органическими растворителями (DMC и DEC) и растворителями IL ([C _n mim] [BF ₄] и [C _n mim] [ TFSI] ( n  = 2, 4)), мы обнаружили, что электролиты IL имели более высокую проводимость, чем органические растворители, при высокой концентрации соли Li; Между тем растворение LiTFSI в растворителях ИЖ было процессом, управляемым анионами (Тонг и др., 2019). Подводя итог, можно сказать, что электролиты с высокой концентрацией ИЖ перспективны для разработки аккумуляторов высокого напряжения и высокой плотности энергии.

Таким образом, благодаря огромным возможностям IL-электролитов, то, как эффективно экранировать IL, исследовать состав электролита и разрабатывать новые высокоэффективные IL-электролиты, стало ключевым элементом для улучшения характеристик литий-ионных батарей. В этой работе ряд электролитов ИЖ, включая ИЖ на основе 1-алкил-3-метилимидазола ([C _n mim] [TFSI] и [C _n mim] [FSI] ( n = 2,4)), допированный четырьмя различными концентрациями бис (трифторметилсульфонил) имида лития (LiTFSI) (0.3, 0,5, 1,5 и 2,0 моль / л). Влияние концентрации лития на характеристики электролитов ИЖ, такие как плотность, вязкость, коэффициент самодиффузии, число переноса иона лития и структуры, было выявлено при сочетании вычислительных и экспериментальных методов.

Материалы и методы

Экспериментальная

В этой работе все электролиты ИЖ, включая бис (трифторметансульфонил) имид лития (LiTFSI) и четыре различных чистых ИЖ, т.е.е., 1-этил-3-метилимидазолий бис [(трифторметил) сульфонил] имид ([C ₂ мим] [TFSI]), 1-этил-3-метилимидазолий бис (фторсульфонил) имид ([C ₂ мим ] [FSI]), бис (трифторметилсульфонил) имид 1-бутил-3-метилимидазолия (C ₄ мим] [TFSI]) и бис (фторсульфонил) имид 1-бутил-3-метилимидазолия (C ₄ mim] [FSI]) были приобретены в Институте химической физики Ланьчжоу Китайской академии наук. Все образцы были получены путем смешивания ИЖ с разной молярной концентрацией (0.3, 0,5, 1,5 и 2,0 моль / л) LiTFSI и перемешивание в течение ночи в перчаточном боксе, заполненном аргоном.

Измерения плотности и вязкости проводили с использованием измерителя вязкости / плотности (DMA5,000M-Lovis2,000ME) при 25 ° C. Кроме того, диффузионные свойства электролитов измеряли следующим образом: ~ 20 мг образцов диспергировали в 1 мл D ₂ O, и это измеряли с помощью 5-миллиметровой трубки ЯМР (ядерного магнитного резонанса). DOSY (диффузионно-упорядоченная спектроскопия) ЯМР-измерения проводили на спектрометре Bruker (500 WB AVANCE III).Прибор был оснащен 5-миллиметровым датчиком PABBO (работающим на частоте 500,137 МГц для ¹ H, ¹⁹ F, ⁷ Li) и катушкой с градиентом z с номинальным максимальным градиентом 50 Гс · см ^−1.. Последовательность импульсов представляла собой ledbpgp2s (биполярный градиентный импульс с задержкой продольного вихревого тока). Эксперименты проводились с 8 сканированиями (¹ H и ¹⁹ F: Δ = 100 мс; ⁷ Li: Δ = 100 мс). Спектры DOSY, полученные на спектрометре, обрабатывались с помощью Bruker Topspin 3.2. Все результаты будут подробно обсуждены позже.

Детали моделирования

В этой работе все моделирование атомной МД проводилось для четырех ИЖ ([C _n mim] [TFSI], [C _n mim] [FSI] ( n  = 2, 4)) электролиты при четырех различных концентрациях литиевой соли LiTFSI (0,3, 0,5, 1,5 и 2 моль / л) при 298 К. Атом Li описывался силовым полем Янтаря (Wang et al., 2004). Между тем, все ИЖ описывались оптимизированным силовым полем Янтаря, разработанным Liu et al.(2004), поскольку они показали, что надежное описание плотности, коэффициентов диффузии и проводимости может быть достигнуто для ИЖ на основе этого силового поля. Кроме того, для обработки частичного заряда всех ИЖ использовалась процедура ограничения электростатического потенциала (RESP) (Bayly et al., 1993). Кроме того, из-за эффекта поляризации электростатическое взаимодействие между ионами будет завышено. Таким образом, чтобы решить эту проблему, уменьшите частичный заряд атома в 0,8 раза. Таким образом, в данной работе удалось получить более точные термодинамические и структурные свойства электролитов ИЖ (Maginn, 2009; Salanne, 2015).Об эффективности этого метода также сообщают Schmollngruber et al. (2015).

Для поддержания различных концентраций соли в этой работе 100 пар LiTFSI были помещены в периодические граничные блоки моделирования с различным количеством ИЖ, соответственно (Таблица 1). Все моделирование проводилось с периодическими граничными условиями в кубическом ящике, а начальные конфигурации были построены с помощью пакета Packmol (Martínez et al., 2009). Все моделирование МД использовалось программой Gromacs (Van Der Spoel et al., 2005). Алгоритм Верле использовался для интегрирования уравнений движения Ньютона. Между тем, ван-дер-Ваальс и электростатическое взаимодействие обрабатывались с помощью потенциала Леннарда-Джонса и алгоритма Эвальда с сеткой частиц (PME), соответственно. Для каждой системы канонический ансамбль (NVT) и изотермический изобарический ансамбль (NPT) были релаксированы в течение первых 10 нс и следующих 60 нс соответственно. Кроме того, ансамбль NPT и микроканонический ансамбль (NVE) были выполнены в течение 50 и 10 нс для достижения конфигурационного равновесия.В процессе моделирования траектория записывалась каждые 0,1 пс с шагом по времени 1,0 фс для дальнейшего анализа.

Таблица 1 . Составы систем моделирования в этой работе.

Результаты и обсуждения

Физико-химические свойства

Электролиты с высокой плотностью и средней вязкостью обеспечивают более мощную энергию и эффективно предотвращают испарение растворителя. Следовательно, по мере увеличения емкости аккумуляторов энергии будет меньше загрязнения окружающей среды.В этой работе были исследованы плотность (ρ) и динамическая вязкость (η) из экспериментов и моделирования при атмосферном давлении в зависимости от концентрации LiTFSI для всех четырех электролитов IL (Рисунок 2). Ясно, что смоделированная плотность была немного выше экспериментальной, но все ошибки были <3%. Вязкость различалась на порядок из-за ограничения неполяризуемого силового поля, но тенденция осталась прежней. Принимая во внимание простоту силового поля, использованного в этом исследовании, результаты моделирования были относительно удовлетворительными.О подобных результатах также сообщили Рей-Кастро и Вега (2006).

Рисунок 2 . Плотность (A) и вязкость (B) в зависимости от концентрации LiTFSI для всех ионных жидких электролитов (пунктирная линия и открытые точки — результат эксперимента, а сплошная линия и закрашенные точки — модели МД).

На Рисунке 2 тенденции изменения плотности с концентрацией LiTFSI были линейными; Между тем вязкость всех электролитов ИЖ в этой работе была почти экспоненциальной.Ранее мы сообщали, что из-за их сильного взаимодействия между Li ⁺ и TFSI ^— добавление литиевой соли LiTFSI в электролит привело к увеличению плотности (Tong et al., 2019). Между тем, для обычного катиона ([C ₂ mim] ⁺ или [C ₄ mim] ⁺) электролиты IL типа [TFSI] ^— имели более высокую плотность и вязкость, чем [FSI] ^{— электролиты ИЖ марки}. Эти результаты согласуются с исследованиями Gouveia et al., который доказал, что, когда ИЖ имеют общий катион, плотности связаны с числом более плотных атомов в анионах (плотность ИЖ выше, когда в анионах присутствуют более высокие доли атомов кислорода и / или фтора) (Gouveia et al. др., 2017). Однако для обычного аниона ([TFSI] ^— или [FSI] ^—) плотность электролитов IL снижалась по мере увеличения длины боковой цепи, а вязкость следовала обратной тенденции. Кроме того, в зависимости от вязкости и концентрации соли лития вязкость электролитов IL типа [FSI] ^— изменяется медленно по сравнению с вязкостью электролитов типа [TFSI] ^—.

Транспортная недвижимость

Перенос ионов в моделировании МД обычно измеряется коэффициентом самодиффузии (D), который является функцией среднеквадратичного смещения (MSD), показанного в уравнении (1). Более высокое значение D в данный момент времени означает более быструю динамику диффузии.

D = 16limt → ∞ddt 〈∑i = 1N [ri⃗ (t) -ri⃗ (0)] 2〉 (1)

, где ri⃗ (t) указывает вектор положения центра масс –-го иона в момент времени t .

В данной работе рассчитаны МСД Li ⁺, катиона и аниона ИЖ в электролитах от 2 до 6 нс.Затем наклон графиков MSD -t был линейно подогнан, и коэффициенты самодиффузии могли быть получены на примере электролитов LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI] при четырех различных концентрациях при 298 К. (Рисунок 3). Когда концентрация соли лития увеличивалась с 0,3 до 2 моль / л, D всех ионов показывал две поворотные точки: движение ионов быстро увеличивалось с 0,3 до 0,5 моль / л, а затем медленно падало, пока концентрация не превысила 1,5 моль / л. , затем снова увеличился после 1.5 моль / л. Кроме того, тренд коэффициента самодиффузии был D _катион> D _анион> DLi +, что согласуется с выводом Liu и Maginn (2013), в котором они указали, что маленький Li ⁺ имеет самый медленный коэффициент диффузии. из-за того, что Li ⁺ сильно взаимодействует с анионом ИЖ (подробности взаимодействия Li ⁺ и TFSI ^— обсуждаются в разделе «Структурный анализ»). Подробные сведения о результатах коэффициентов самодиффузии для всех электролитов ИЖ показаны в таблице S1.Что еще более важно, с точки зрения эксперимента, мы также получили ту же тенденцию с помощью измерения ЯМР, и результаты перечислены в Таблице S2. Результаты экспериментов и моделирования различаются на несколько порядков из-за высокой степени поляризации электролита в данном исследовании. В настоящее время очень сложно использовать традиционное силовое поле для точного расчета этой системы. Следовательно, в будущей работе поляризуемое силовое поле может быть оптимизировано с учетом транспортных свойств.

Рисунок 3 .Среднеквадратичное смещение (MSD) Li ⁺, [C ₂ mim] ⁺ и [FSI] ^— в зависимости от концентрации LiTFSI для LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI] при 298 К.

В заданный период времени число переноса ионов лития T _Li, т. Е. Вклад в проводимость за счет переноса Li ⁺, можно аппроксимировать из D с помощью уравнения (Lesch et al., 2016 ; Chen et al., 2018):

. TLi = NLiDLi∑NiDi (2)

, где N _i — количество ионов частиц i , а D _i — соответствующий коэффициент самодиффузии.Полученные числа переноса иона лития показаны в таблице 2.

Таблица 2 . Число переноса иона лития ( T _Li) для всех электролитов IL при четырех концентрациях LiTFSI.

Число переноса лития — одно из важнейших свойств литиевой батареи. Очевидно, что таблица 2 показывает, что число переноса лития увеличивается с увеличением концентрации соли лития. Кроме того, число переноса ионов лития было примерно на 24% выше в электролите [C ₂ mim] [TFSI], чем в электролите [C ₂ mim] [FSI].Между тем, в электролитах [C ₄ mim] [TFSI] на 14% выше, чем в [C ₄ mim] [FSI] для всех концентраций соли лития. Следовательно, динамика иона лития в системах типа [TFSI] ^— относительно быстрее при той же длине боковой цепи системы электролитов IL. Это явление в основном связано с различным взаимодействием между Li ⁺ и [TFSI] ^— ИЖ.

Структурный анализ

Функция радиального распределения (RDF) (Méndez-Morales et al., 2013) — мощный метод исследования взаимосвязи между структурой и физико-химическими свойствами на микромасштабе. Поэтому в данной работе исследовалась ФРР центра масс ионов:

g (r) = 〈∑i, jδ (r-rij)〉 Nρ, (3)

, где N — количество частиц, ρ — числовая плотность, а r _ij — пространственное расстояние между частицами i и j .

Координационный номер ( N ) (Lourenço et al., 2018) является функцией RDF, как показано в уравнении (4). Число частиц j , окружающих частицу i в ее первой сольватной оболочке, описывается координационным числом N _{( i — j )},

N (i-j) = 4πρj∫0r′gij (r) r2dr, (4)

, где r ′ — первый минимум на графике g (r), r — расстояние, а ρ _j — плотность частицы j .

Время пребывания (τ) отражает степень сольватации ИЖ, которая определяется интегрированием автокорреляционной функции (АКФ). Время пребывания катиона и аниона ИЖ в первой координационной оболочке Li ⁺ можно рассчитать по уравнению (5):

τi = ∫0∞ACF (t) ACF (t) = 〈Bij (t) Bij (0)〉〈Bij (0) Bij (0)〉, (5)

, где B _ij = 1, если ионы i и j находятся внутри первой координационной оболочки друг друга; в противном случае B _ij = 0.

Как упоминалось в наших предыдущих исследованиях, в электролитах ИЖ наблюдался анионный управляющий эффект, т.е. ионы лития в основном взаимодействовали с анионами ИЖ в растворе электролита (Tong et al., 2019). Поэтому в этом разделе, как показано на рисунке 4, мы изучили влияние концентрации четырех литиевых солей на структуру и взаимодействие ионов Li с анионами в ИЖ по функции радиального распределения, координационному числу, времени пребывания, тенденции ассоциации ионов и сольватации. эффект.

Рисунок 4 .Функция радиального распределения иона лития и аниона (A) [C ₂ mim] [TFSI], (B) [C ₂ mim] [FSI], (C) [C ₄ мим] [TFSI] и (D) [C ₄ мим] [FSI] при четырех концентрациях литиевой соли LiTFSI при 298 К.

Координационная структура

Как показано на рисунке 4, исследовали RDF между ионами лития и анионами ИЖ в четырех типах электролитов ИЖ при всех концентрациях LiTFSI. Очевидно, что при увеличении концентрации лития взаимодействие между ионом лития и анионом ослабевает.Что еще более важно, для той же боковой цепи структура электролитов IL типа [TFSI] ^— резко изменилась с концентрацией соли лития по сравнению с таковой электролитов IL типа [FSI] ^— (Фигуры 4A, B). , что отражает более медленное изменение вязкости систем типа [FSI] ^—, как упомянуто выше. Кроме того, взаимодействия для более длинной боковой цепи катиона ([C ₄ mim] ⁺) были намного сильнее для электролитов IL типа [FSI] ^— (Рисунки 4B, D), что указывает на то, почему [C ₄ мим] [FSI] имеет более высокую вязкость, чем [C ₂ мим] [FSI].Однако для электролитов типа [TFSI] ^— взаимодействие между Li ⁺ и анионом [C ₄ mim] [TFSI] было усилено по сравнению с взаимодействием [C ₂ mim] [TFSI] когда концентрация LiTFSI была <1,5 моль / л. Однако при высокой концентрации (1,5–2 моль / л) они были практически одинаковыми. Это свидетельствует о влиянии катионов ИЖ на основе имидазола на взаимодействие анионов с ионами лития при низкой концентрации соли лития. Однако влияние катионов постепенно уменьшалось по мере увеличения концентрации LiTFSI.Кроме того, результаты нашего моделирования показали, что анион Li ⁺ имеет структуру с двумя пиками между 2,8 и 5,0 Å независимо от типа ИЖ. Между тем первый пик был намного выше второго. Это указывает на то, что существует сильная координация между Li ⁺ и анионом в системе электролита, и на структуру стабильности первого пика в меньшей степени влияет тип ИЖ. Что еще более важно, как показано на рисунке 4A, две возможные координации аниона и иона лития были подтверждены структурой с двумя пиками, в которой первый пик представлял бидентатную координацию Li ⁺ и аниона (TFSI ^— или FSI ^{). —}), а второй — монодентатная координация.К таким же выводам пришли Lesch et al. (2016). Кроме того, после первичного пика при 2,8 Å мы также наблюдали два вторичных пика RDF при 3,5 и 4,2 Å. Согласно нашим предыдущим исследованиям, основной причиной появления двух вторичных пиков была цис-трансформная структура аниона, где цис-FSI в основном появлялся в положении пика 3,5 Å, в то время как транс-FSI в основном появлялся при 4,2 Å (рис. 4B). .

Для дальнейшего изучения влияния концентрации литиевой соли на ионную ассоциацию электролитов ИЖ, в этом исследовании была проанализирована координация иона лития и аниона ИЖ.Один пример того, где координационное число каждой системы Li ⁺ -O (FSI) и Li ⁺ -N (FSI) для системы LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI], приведено на рисунке 5. В нашем примере В предыдущей работе мы доказали, что ионы лития в основном координируются с атомами кислорода анионов в ИЖ. Таким образом, сумма координационных чисел Li ⁺ -O (FSI) была вычислена, когда концентрация LiTFSI составляла 0,3 моль / л, N (Li-O) составляла 5,8; однако оно было уменьшено до N (Li-O) = 3,42 в системе 2,0 моль / л LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI].Наша гипотеза о причине заключалась в том, что ионный кластер, то есть [Li [FSI] ₃] ^2-, был сформирован в электролитах, что было подтверждено на снимках МД в этой работе и показано на рисунке 6. Как упоминалось выше , ион лития был расположен в центре трех анионов, когда концентрация LiTFSI была низкой, из-за бидентатной координации для Li- [FSI] ^—. Когда концентрация LiTFSI увеличивалась, ион лития и атом кислорода постепенно склонялся к монодентатной координации.Однако структура ионного кластера всегда состояла из трех анионов и одного иона лития, что согласуется с колебательным спектроскопическим анализом Lassègues et al. (2009). Координационное число ионов лития и атомов кислорода для других электролитов ИЖ также было рассчитано и приведено в таблице S3. Между тем, ионный кластер [Li [TFSI] ₃] ^— был обнаружен в других системах LiTFSI-IL, и тот же вывод был также продемонстрирован Монтейро и др. (2008).

Рисунок 5 .Координационный номер между участком ( N ) Li ⁺ -O (FSI ^—) и Li ⁺ -N (FSI ^—) для LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI] система электролита (A) в 0,3 моль / л LiTFSI (B) в четырех различных концентрациях литиевой соли.

Рис. 6. (A) Снимки четырех различных концентраций лития в системе LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI] от MD (синий цвет представляет ионные жидкости, розовый цвет представляет соли лития). (B) Конфигурации [Li [FSI] ₃] ^2- были случайно захвачены при 0,3 и 2 моль / л для системы электролита LiTFSI- [C ₂ mim] [FSI], соответственно.

Время пребывания

Время пребывания катиона и аниона ИЖ в первой координационной оболочке Li ⁺ является одним из наиболее важных свойств десорбирующей сольватационной оболочки в литий-ионной батарее. Его можно рассчитать по уравнению (5) и показать в таблице 3.Очевидно, что увеличение концентрации LiTFSI привело к увеличению времени пребывания всех электролитов ИЖ. Как упоминалось выше, увеличение концентрации соли лития привело к более замкнутой и компактной координационной структуре. Следовательно, должна существовать закрытая координационная оболочка из-за большего времени пребывания. Кроме того, время пребывания в системах на основе [C ₂ mim] ⁺ было ниже, чем в системах на основе [C ₄ mim] ⁺.В основном это связано с различными взаимодействиями [C ₂ mim] ⁺ и [C ₄ mim] ⁺ с Li. Что еще более важно, сильная корреляция / связь между временем пребывания и подвижностью Li ⁺ была доказана Li et al. (2015). Следовательно, это основная причина увеличения числа переноса иона лития с увеличением концентрации LiTFSI.

Таблица 3 . Время пребывания (нс) катиона и аниона для всех ИЖ в первой координационной оболочке Li ⁺.

Выводы

ИЖ используются в качестве электролитов в устройствах накопления энергии благодаря своим уникальным характеристикам, тем самым повышая безопасность и емкость литий-ионных аккумуляторов. В этой работе мы рассмотрели развитие и направления исследований электролитов IL и прояснили большие возможности электролитов IL. Комбинируя атомистическое моделирование МД и эксперименты по фундаментальным физическим свойствам, мы исследовали влияние концентрации лития на характеристики электролита в четырех растворителях ИЖ ([C _n mim] [TFSI] и [C _n mim] [ FSI], n  = 2, 4).

Сначала были рассчитаны и измерены физико-химические свойства всех электролитов-растворителей ИЖ. Результаты моделирования показали, что плотность и вязкость увеличиваются с увеличением концентрации LiTFSI для всех электролитов LiTFSI-IL. Как показано в результатах моделирования, по мере увеличения концентрации LiTFSI были обнаружены более высокие значения плотности и вязкости электролитов LiTFSI-IL. Точка поворота коэффициента самодиффузии указывает на то, что миграция ионов в электролитах ИЖ нелинейна с концентрацией.Следовательно, изучение экстремальных значений концентрации электролита в окружающей среде имеет решающее значение для улучшения миграции ионов лития и улучшения характеристик батареи. Позднее мы исследовали влияние концентрации соли лития на ионные ассоциации ионов Li ⁺ и ИЖ, оценивая функцию радиального распределения и координационное число ионов. Для всех электролитов ИЖ сильная координация между Li ⁺ и анионом ИЖ, бидентатная и монодентатная координация наблюдалась в положениях между 2.8 и 5,0 Å соответственно. Между тем, цис- и транс-изомерия [FSI] ^— наблюдалась вблизи Li ⁺ в положениях 3,5 и 4,2 Å. Кроме того, ионный кластер [Li [анион] ₃] ^2- в электролитах ИЖ был обнаружен путем анализа координации иона лития и аниона ИЖ. Кроме того, вычисляя время пребывания катиона и аниона ИЖ в первой координационной оболочке иона лития, мы видим, что увеличение концентрации LiTFSI приводит к более замкнутой и компактной координационной структуре и что существует сильная корреляция / связь между временем пребывания продемонстрирована подвижность Li ⁺.

Заявление о доступности данных

Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью / Дополнительные материалы.

Авторские взносы

JT участвовал в разработке исследования, выполнил моделирование электролитов и написал рукопись. SW внесла свой вклад в экспериментальные исследования. Все авторы внесли свой вклад в доработку рукописи, прочитали и одобрили представленную версию.

Финансирование

Эта работа была поддержана Департаментом химической и биохимической инженерии Датского технического университета; Пекинский фонд естественных наук (2192052), Общая программа Национального фонда естественных наук Китая (21878295, 21978291) и Основная программа Национального фонда естественных наук Китая (218

Конфликт 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.2019.00945/full#supplementary-material

Список литературы

Bayly, C. I., Cieplak, P., Cornell, W.Д., и Коллман П. А. (1993). Метод с хорошим поведением, основанный на электростатическом потенциале, использующий ограничения заряда для получения атомных зарядов: модель RESP. J. Phys. Chem. 97, 10269–10280. DOI: 10.1021 / j100142a004

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бородин О., Смит Г. Д., Хендерсон В. (2006). Катионное окружение Li +, перенос и механические свойства N-метил-N-алкилпирролидиния + TFSI-ионных жидкостей, легированных LiTFSI. J. Phys. Chem. B 110, 16879–16886.DOI: 10.1021 / jp061930t

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chagnes, A., Diaw, M., Carré, B., Willmann, P., and Lemordant, D. (2005). Смеси имидазолия и органических растворителей в качестве электролитов для литиевых батарей. J. Источники энергии 145, 82–88. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2004.12.035

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Ф., Хоулетт П. и Форсайт М. (2018). Сольватация ионов натрия и высокое число переноса в суперконцентрированных ионных жидких электролитах: теоретический подход. J. Phys. Chem. С 122, 105–114. DOI: 10.1021 / acs.jpcc.7b09322

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Галински М., Левандовски А. и Степняк И. (2006). Ионные жидкости как электролиты. Электрохим. Acta 51, 5567–5580. DOI: 10.1016 / j.electacta.2006.03.016

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гарсия, Б., Лавалле, С., Перрон, Г., Мишо, К., и Арман, М. (2004). Расплавленные соли при комнатной температуре в качестве электролита литиевой батареи. Электрохим. Acta 49, 4583–4588. DOI: 10.1016 / j.electacta.2004.04.041

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуденаф, Дж. Б., и Ким, Ю. (2011). Проблемы аккумуляторных батарей. J. Источники энергии 196, 6688–6694. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.11.074

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гувейя А.С.Л., Бернардес К.Э.С., Томе Л.С., Лозинская Е.И., Выгодский Ю.С., Шаплов А.С. и др. (2017). Ионные жидкости с анионами на основе фторсульфонильных производных: от асимметричных замещений к модели согласованного силового поля. Phys. Chem. Chem. Phys. 19, 29617–29624. DOI: 10.1039 / C7CP06081E

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исикава, М., Сугимото, Т., Кикута, М., Исико, Э., и Коно, М. (2006). Чистые ионные жидкие электролиты, совместимые с графитированным углеродным отрицательным электродом в перезаряжаемых литий-ионных батареях. J. Источники энергии 162, 658–662. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2006.02.077

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж.Г., Сон, Б., Мукерджи, С., Шупперт, Н., Бейтс, А., Квон, О. и др. (2015). Обзор твердотельных батарей на литиевой и нелитиевой основе. J. Источники энергии 282, 299–322. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2015.02.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Дж. К., Черувалли, Г., Ли, X., Ан, Дж. Х., Ким, К. В., и Ан, Х. Дж. (2008). Приготовление и электрохимическая характеристика электропряденых, микропористых мембранных композитных полимерных электролитов для литиевых батарей. J. Источники энергии 178, 815–820. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2007.08.063

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lassègues, J. C., Grondin, J., Aupetit, C., and Johansson, P. (2009). Спектроскопическая идентификация частиц, переносящих ионы лития, в ионных жидкостях, легированных LiTFSI. J. Phys. Chem. А 113, 305–314. DOI: 10.1021 / jp806124w

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леш В., Ли З., Бедров Д., Бородин О., Хойер А. (2016). Влияние катионов на координацию и перенос ионов лития в ионных жидких электролитах: исследование методом МД. Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 382–392. DOI: 10.1039 / C5CP05111H

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Левандовски А., Свидерска-Мочек А. (2009). Ионные жидкости как электролиты для литий-ионных аккумуляторов — обзор электрохимических исследований. J. Источники энергии 194, 601–609.DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2009.06.089

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли З., Бородин О., Смит Г. Д., Бедров Д. (2015). Влияние органических растворителей на сольватацию и перенос ионов Li ⁺ в ионных жидких электролитах: исследование с помощью моделирования молекулярной динамики. J. Phys. Chem. B 119, 3085–3096. DOI: 10.1021 / jp510644k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю Х., Магинн Э. (2013). Влияние ионной структуры на проводимость в ионных жидких электролитах, легированных литием: исследование молекулярной динамики. J. Chem. Phys. 139: 114508. DOI: 10.1063 / 1.4821155

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю З., Хуанг С. и Ван В. (2004). Уточненное силовое поле для молекулярного моделирования ионных жидкостей на основе имидазолия. J. Phys. Chem. B 108, 12978–12989. DOI: 10.1021 / jp048369o

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лоренсу, Т. К., Чжан, Ю., Коста, Л. Т., и Магинн, Э. Дж. (2018). Исследование молекулярной динамики литийсодержащих апротонных гетероциклических ионных жидких электролитов. J. Chem. Phys. 148: 193834. DOI: 10.1063 / 1.5016276

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ма, З., Форсайт, М., Макфарлейн, Д. Р., и Кар, М. (2019). Ионная жидкость / тетраглимный гибридный Mg [TFSI] 2 электролит для перезаряжаемых Mg аккумуляторов. Green Energy Environ. 4, 146–153. DOI: 10.1016 / j.gee.2018.10.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартинес, Л., Андраде, Р., Биргин, Э. Г., и Мартинес, Х.М. (2009). PACKMOL: пакет для создания начальных конфигураций. Softw. Обновление новостей. 30, 2157–2164. DOI: 10.1002 / jcc.21224

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мендес-Моралес, Т., Каррете, Дж., Бусон-Капело, С., Перес-Родригес, М., Кабеса, О., Гальего, Л. Дж. И др. (2013). МД-моделирование образования стабильных кластеров в смесях щелочных солей и ионных жидкостей на основе имидазолия. J. Phys. Chem. B 117, 3207–3220.DOI: 10.1021 / jp312669r

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Монтейро, М. Дж., Базито, Ф. Ф. К., Сикейра, Л. Дж. А., Рибейро, М. К. С. и Торрези, Р. М. (2008). Коэффициенты переноса, спектроскопия комбинационного рассеяния и компьютерное моделирование растворов солей лития в ионной жидкости. J. Phys. Chem. В 40, 2102–2109. DOI: 10.1021 / jp077026y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цянь, Дж., Хендерсон, В. А., Сюй, В., Бхаттачарья, П., Энгельгард М., Бородин О. и др. (2015). Высокая скорость и стабильная работа анода из металлического лития. Nat. Commun. 6: 6362. DOI: 10.1038 / ncomms7362

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рей-Кастро К. и Вега Л. Ф. (2006). Транспортные свойства ионной жидкости хлорида 1-этил-3-метилимидазолия на основе равновесного молекулярно-динамического моделирования. влияние температуры. J. Phys. Chem. B 110, 14426–14435. DOI: 10.1021 / jp062885s

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сакаэбе, Х., и Мацумото, Х. (2003). N-метил-N-пропилпиперидини бис (трифторметансульфонил) имид (PP13-TFSI) — новая электролитная основа для литиевых аккумуляторов. Электрохим. Commun. 5, 594–598. DOI: 10.1016 / S1388-2481 (03) 00137-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Саланн, М. (2015). Моделирование ионных жидкостей при комнатной температуре: от поляризуемых до крупнозернистых силовых полей. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 14270–14279. DOI: 10.1039 / C4CP05550K

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмольнгрубер, М., Леш В., Шредер К., Хойер А. и Штайнхаузер О. (2015). Сравнение наведенных точечных диполей и осцилляторов Друде. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 14297–14306. DOI: 10.1039 / C4CP04512B

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Скросати, Б., и Гарче, Дж. (2010). Литиевые батареи: состояние, перспективы и будущее. J. Источники энергии 195, 2419–2243. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2009.11.048

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шираи, А., Фуджи, К., Секи, С., Умэбаяси, Ю., Исигуро, С. И., Икеда, Ю. (2008). Сольватация иона лития в бис (трифторметансульфонил) амиде N, N-диэтил-N-метил-N- (2-метоксиэтил) аммония с использованием рамановской и многоядерной ЯМР-спектроскопии. Анал. Sci. 24, 1291–1296. DOI: 10.2116 / analsci.24.1291

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сугимото Т., Ацуми Ю., Коно М., Кикута М., Исико Э., Ямагата М. и др. (2010). Применение ионного жидкого электролита на основе бис (фторсульфонил) имида для кремний-никель-углеродного композитного анода для литий-ионных аккумуляторов. J. Источники энергии 195, 6153–6156. DOI: 10.1016 / j.jpowsour.2010.01.011

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тонг, Дж., Сяо, X., Лян, X., фон Сольмс, Н., Хо, Ф., Хе, Х. и др. (2019). Понимание сольватации и динамического поведения литиевой соли в электролитах на основе органических и ионных жидкостей. Phys. Chem. Chem. Phys. 35, 19216–19225. DOI: 10.1039 / C9CP01848D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Умэбаяси, Ю., Ямагути, Т., Фукуда, С., Мицуги, Т., Такеучи, М., Фуджи, К. и др. (2008). Рамановское спектроскопическое исследование сольватации иона щелочного металла в ионной жидкости 1-бутил-3-метилимидазолий бис (трифторметансульфонил) амид. Анал. Sci. 24, 1297–1304. DOI: 10.2116 / analsci.24.1297

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван дер Споэль, Д., Линдал, Э., Хесс, Б., Гроенхоф, Г., Марк, А. Э. и Берендсен, Х. Дж. С. (2005). GROMACS: быстро, гибко и бесплатно. J. Comput. Chem. 26, 1701–1718. DOI: 10.1002 / jcc.20291

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван Дж., Вольф Р. М., Колдуэлл Дж. У., Коллман П. А. и Кейс Д. А. (2004). Разработка и тестирование общего силового поля Янтаря. J. Comput. Chem. 25, 1157–1174. DOI: 10.1002 / jcc.20035

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Wu, X., Pan, K., Jia, M., Ren, Y., He, H., Zhang, L., et al.(2019). Электролит для литиевой защиты: от жидкого до твердого. Green Energy Environ. 4, 360–374. DOI: 10.1016 / j.gee.2019.05.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ямада Ю., Фурукава К., Содеяма К., Кикучи К., Яэгаши М., Татэяма Ю. и др. (2014). Необычная стабильность суперконцентрированных электролитов на основе ацетонитрила для быстро заряжаемых литий-ионных аккумуляторов. J. Am. Chem. Soc. 136, 5039–5046. DOI: 10.1021 / ja412807w

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ямада, Ю., Яэгаши, М., Абэ, Т., и Ямада, А. (2013). Сверхконцентрированный эфир-электролит для быстро заряжаемых литий-ионных аккумуляторов. Chem. Commun. 49, 11194–11196. DOI: 10.1039 / c3cc46665e

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ямада Ю., Ямада А. (2015). Обзор-суперконцентрированные электролиты для литиевых аккумуляторов. J. Electrochem. Soc. 162, 2406–2423. DOI: 10.1149 / 2.0041514jes

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, Х., Чжу, М., Чжао, В., Ли, С., Фэн, Г. (2018). Молекулярно-динамическое исследование ионных жидкостей при комнатной температуре с водой на поверхности слюды. Green Energy Environ. 3, 120–128. DOI: 10.1016 / j.gee.2017.11.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан, З. X., Чжоу, Х. Ю., Ян, Л., Тачибана, К., Камидзима, К., и Сюй, Дж. (2008). Асимметричные дикатионные ионные жидкости на основе имидазолия и алифатического аммония в качестве потенциальных электролитных добавок, применяемых для литиевых вторичных батарей. Электрохим. Acta 53, 4833–4838. DOI: 10.1016 / j.electacta.2008.02.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Smart Grid Battery: Аккумулятор на расплавленной соли

Вам необходимо включить JavaScript для голосования Категория: блоги, Тенденции — Аккумуляторные технологии Теги: аккумулятор, изменение климата, CO2, опреснение, маховик, зеленая энергия, хранение жидкого воздуха, литий, расплавленная соль, NaS, окислительно-восстановительный поток, возобновляемые источники энергии, умная сеть, ультраконденсаторы

Батареи на расплавленной соли дешевы, просты и имеют потенциал для бесконечного срока службы

Рынок накопителей энергии процветает.Поскольку w e требуется возобновляемых накопителей энергии для снабжения наших интеллектуальных электрических сетей в повседневные моменты, потребность в энергии высока.

Батарея расплавленной соли — это батарея, на которую стоит обратить внимание прямо сейчас. Обзор.

В аккумуляторах на расплавленной соли (также известных как жидкометаллические аккумуляторы) два жидких электрода разделены расплавленным солевым электролитом.

Характерной чертой солей является то, что они являются направляющими в жидком состоянии, потому что ионы могут свободно перемещаться.Соль и электроды разделяются своей разной плотностью и несмешиваемостью.

Батареи с расплавленной солью имеют следующие характеристики:

дешевые материалы
простое производство
потенциал для бесконечной жизни
высокая степень безопасности
высокая рабочая температура
низкая плотность энергии
определенные составы с высоким саморазрядом

Скорость разряда состава и влияние на эффективность солевого аккумулятора.

Цены

В лабораторных условиях стоимость материалов составляет 50–100 долларов США / кВтч или 50–400 долларов США / кВт при плотности энергии от 70 до 1100 мА / см2. В реальном мире стоимость системы будет примерно в пять раз выше.

Аккумуляторы Aquion Energy примерно такие же дорогие, как свинцово-кислотные, только в два раза дольше.

Привлекательная альтернатива

Из-за высокого спроса на литий и ограниченных запасов натрий в качестве электролита (также называемый натрий-ионным аккумулятором или ионно-натриевым аккумулятором) является привлекательной альтернативой из-за большого предложения и низкой стоимости.Это преимущество частично компенсируется более низкой плотностью энергии натрия, поскольку он более тяжелый и менее электроположительный, чем литий.

Необходимая высокая рабочая температура привела к большим исследованиям натриево-серных батарей при более низких температурах.

Натрий-серная батарея

Натрий-серные аккумуляторные элементы (NaS-аккумуляторы) отличаются тем, что они обычно имеют цилиндрическую форму (Energy Storage Association, 2015).

Таким образом, (жидкий) натриевый катод расположен внутри, а (жидкий) серный анод — снаружи.

Катод и анод разделены мембраной, пропускающей ионы натрия. В результате на аноде образуется сплав.

Натрий-серные батареи имеют высокий КПД (обычно выше 89%), но их также необходимо нагревать до температуры более 300 ° C.

Исследования

Необходимая высокая рабочая температура привела к большим исследованиям натриево-серных батарей при более низких температурах. Теоретически эти клетки имеют гораздо более высокую плотность энергии (1672 мАч / г), но на практике исследователям приходится иметь дело с химическими побочными эффектами.

Прорыв приведет к созданию очень подходящего материала для переключения нагрузки, особенно в сочетании с высокой эффективностью и долгим сроком службы.

Примеры из практики

Установка NaS мощностью 34 МВт для ветряной электростанции 51 МВт. Роккашо, Япония

1. Япония

В Японии много NaS используется в качестве накопителя энергии в сети.

Aquion Energy M100-LS82 аккумулятор на 85% эффективнее?

2.Aquion Energy

Aquion Energy (StartUp от Университета Карнеги-Меллона) заявляет, что в рамках своего производства второго поколения разработала батарею, которая на на 85% эффективнее с временем разряда 20 часов.

На основе их данных (Aquion Energy, 2015) можно рассчитать число Пойкерта, показывающее, что модуль батареи M100-LS82 намного более чувствителен к скорости разряда, чем многие другие батареи. Но… надо отметить, что неопределенность в цифрах сильно влияет на результаты.Данные Аквиона, кажется, сведены в большую сторону.

Ambri (дочернее предприятие Массачусетского технологического института) использует марганец и сурьму в своей батарее Molten Salt Battery

3. Амбри

Ambri (дочерняя компания MIT) использует марганец и сурьму. В 2012 году эффективность 69% была достигнута при токе 50 мА / см2 (Bradwell, Kim, Sirk, & Sadoway, 2012).

Данные Ambri дают число Пейкерта 1,25 и срок службы 15 000 циклов.

Подробнее

Испытательный контур Fluieds, подключенный к системе аккумулирования тепла из расплавленной соли

Возможности опреснения (снабжения пресной водой)

Свыше 97 процентов мировых запасов воды содержится либо в соленой океанской воде, либо в запасах солоноватых подземных вод.

Если удастся разработать эффективный и экономичный процесс опреснения, он обеспечил бы практически неограниченный запас пресной воды, решая мировые водные проблемы.

В настоящее время большая часть мировых опреснительных мощностей основана на тепловых технологиях, в первую очередь многоступенчатой мгновенной дистилляции (MSF) и мультиэффектной дистилляции (MED). MSF и MED популярны в тех частях мира, где тепловая энергия легко доступна и недорога.

Эти технологии требуют больших затрат тепловой энергии для испарения воды, образования проблемных сбросов рассола и относительно низких показателей извлечения воды.Примечательно, что эти технологии имеют электрические требования для вспомогательных операций, которые часто приближаются к требованиям обратного осмоса.

Реактор на расплавленной соли

Без более эффективного управления водными ресурсами доступность пресной воды не будет удовлетворять спрос. Технология реактора на расплавленной соли (MSR) предлагает мощное потенциальное решение надвигающегося глобального кризиса пресной воды.

MSR производят экономичное высокотемпературное технологическое тепло, которое можно использовать для множества ценных применений.

Синергия совместного производства / производства MSR и угля с доступом к морской воде или солоноватым грунтовым водам может обеспечить электричество, промышленное тепло, газообразное и жидкое транспортное топливо, удобрения и, что наиболее важно, чистую питьевую воду для сельского хозяйства, промышленности и быта. использовать.

Обзор компаний по производству соляных батарей и стартапов

General Electric

GE — одна из крупнейших корпораций в мире, которая также занимается хранением энергии.Аккумулятор GE Durathon используется как для стационарных целей, так и для электромобилей, включая электрические автобусы. Батарея Durathon состоит из натриевых батарей и литий-ионных батарей .
Younicos
Younicos сочетает в себе литий-ионные батареи с натриево-серными батареями и проточными батареями окислительно-восстановительного потенциала ванадия, чтобы создать что-то вроде супербатареи .
Но его самым большим конкурентным преимуществом, как сообщается, является программное обеспечение, которое оптимизирует эти батареи для достижения максимальной производительности и значительного увеличения срока службы в сетевых хранилищах.
Обзор новейших систем хранения энергии
Перспективные системы
Вы это видели?
Плюсы и минусы (возобновляемых) источников энергии (досье)
Системы хранения энергии Smart Grid (досье)
Проекты интеллектуальных сетей и тематические исследования (досье)
Trending Renewable Energy Technologies and Initiatives (досье)
BetterWorldSolutions поможет вам найти квалифицированных потенциальных клиентов и партнеров по продажам по всему миру.
Зарегистрироваться
или напишите по адресу info @ betterworldsolutions.eu
Аноды из неупорядоченной каменной соли и переходного металла — Разработка батарей будущего
Люди любят говорить, что нет ничего точного, кроме смерти и налогов. Но есть еще кое-что, в чем мы можем быть уверены — объявления о новых технологиях аккумуляторов, которые обещают более высокую плотность энергии и более короткое время зарядки. Учитывая, что открытия в лаборатории обычно проходят через годы, чтобы их запустить в производство, два таких объявления на этой неделе предполагают, что дети завтрашнего дня будут думать о сегодняшних литий-ионных батареях так же, как дети сегодня думают о транзисторах.
Неупорядоченная каменная соль
Ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего открыли новый анодный материал, который они называют неупорядоченной каменной солью, который позволяет безопасно заряжать литий-ионные батареи в течение нескольких минут и рассчитывать на тысячи циклов. Они состоят из атомов лития, ванадия и кислорода, которые расположены примерно так же, как обычная кухонная поваренная соль, за исключением случайного распределения. Исследование было проведено профессорами Пинг Лю и Шюэ Пинг Онг и опубликовано 2 сентября в журнале Nature.
Кредит: Новости Сан-Диего
В настоящее время двумя материалами, наиболее часто используемыми в качестве анодов в имеющихся в продаже литий-ионных аккумуляторах, являются графит, обладающий высокой энергоемкостью, и титанат лития, который позволяет осуществлять более быструю зарядку без риска возгорания, но имеет более низкую плотность энергии. Неупорядоченный анод из каменной соли имеет свойства, которые находятся где-то посередине. Он безопаснее в использовании, чем графит, но имеет плотность энергии как минимум на 70% выше, чем титанат лития.
«Емкость и энергия будут немного ниже, чем у графита, но он быстрее, безопаснее и долговечнее.Он имеет гораздо более низкое напряжение и, следовательно, гораздо более высокую плотность энергии по сравнению с коммерчески доступными быстрозарядными литий-титанатными анодами », — сказал Хаодун Лю, научный сотрудник лаборатории профессора Пин Лю и первый автор статьи. «Таким образом, из этого материала мы можем изготавливать быстро заряжаемые, безопасные батареи с длительным сроком службы, не жертвуя слишком большой плотностью энергии». Согласно Science Daily , первыми аккумуляторами с новыми анодами будут электрические автобусы и электроинструменты, поскольку характеристики неупорядоченной каменной соли делают ее идеальной для использования в устройствах, где можно легко запланировать подзарядку.
«В течение долгого времени аккумуляторное сообщество искало анодный материал, работающий с потенциалом чуть выше графита, чтобы обеспечить безопасную и быструю зарядку литий-ионных аккумуляторов. Этот материал заполняет важный пробел в знаниях и применении », — сказал Пинг Лю. «Мы рады его коммерческому потенциалу, поскольку этот материал может стать незаменимым решением для современного процесса производства литий-ионных аккумуляторов».
В ходе исследования исследователи обнаружили, что неупорядоченный анод из каменной соли может обратимо циклировать два иона лития при среднем напряжении 0.6 В — выше, чем 0,1 В графита, что исключает металлическое покрытие лития при высокой скорости заряда, что делает аккумулятор более безопасным, но ниже 1,5 В, при которых титанат лития интеркалирует литий, и, следовательно, накапливает гораздо больше энергии. Во время испытаний новый анод был задействован более 6000 раз с незначительной потерей емкости. Он может быстро заряжать и разряжать энергию, обеспечивая более 40 процентов своей емкости за 20 секунд.
Кандидат в докторантуру Чжоин Чжу говорит: «Мы обнаружили, что Li3V2O5 действует посредством механизма зарядки, который отличается от других электродных материалов.Ионы лития перестраиваются таким образом, что приводит как к низкому напряжению, так и к быстрой диффузии лития ».
Оксиды переходных металлов
Ученые давно очарованы группой оксидов металлов, которые хранят больше энергии, чем теоретически возможно. Теперь международная исследовательская группа из Техасского университета в Остине, Массачусетского технологического института, Университета Ватерлоо в Канаде, Шаньдунского университета Китая, Университета Циндао и Китайской академии наук считает, что они раскрыли тайну.В исследовании, опубликованном в Nature Materials , было обнаружено несколько типов соединений металлов, способных до трех раз накапливать энергию по сравнению с материалами, которые обычно используются в имеющихся сегодня в продаже литий-ионных батареях.
«В течение почти двух десятилетий исследовательское сообщество было озадачено аномально высокими характеристиками этих материалов, превышающими их теоретические пределы», — говорит Гуйхуа Ю, доцент кафедры машиностроения Уолкера инженерной школы Кокрелла.«Эта работа демонстрирует самое первое экспериментальное свидетельство, показывающее, что дополнительный заряд физически хранится внутри этих материалов с помощью механизма хранения пространственного заряда».
Во главе открытия находятся оксиды переходных металлов — соединения, содержащие кислород, связанный с железом, никелем или цинком. Согласно Science Daily , энергия может храниться внутри оксидов металлов, в отличие от изменений кристаллической структуры, которые требуются обычным литий-ионным батареям для хранения энергии.
Ключевой метод, использованный в этом исследовании, называется магнитометрия in situ , представляет собой метод магнитного мониторинга в реальном времени, используемый для исследования эволюции внутренней электронной структуры материала. Он может количественно оценить емкость заряда, измеряя вариации магнетизма. Этот метод можно использовать для изучения накопления заряда в очень малом масштабе — возможности, недоступной при использовании многих традиционных инструментов определения характеристик. «Наиболее значимые результаты были получены с помощью метода, который обычно используется физиками, но очень редко в сообществе производителей аккумуляторов», — говорит Ю.«Это идеальная демонстрация прекрасного союза физики и электрохимии».
QuantumScape станет публичной
Все вышеперечисленные исследования являются теоретическим материалом, проводимым в лабораториях. Время, необходимое для перехода от исследования к коммерциализации, демонстрирует QuantumScape, результат исследований в Стэнфордском университете, основанный Джагдипом Сингхом десять лет назад. Теперь, десять лет спустя, компания думает, что она почти готова к прайм-тайм, и планирует провести IPO, чтобы собрать средства для запуска и запуска процесса производства своего первого прототипа.
IPO будет проведено путем так называемого обратного слияния с использованием специальной компании по приобретению Kensington Capital Acquisition — методики, которая широко распространена на Уолл-стрит. Недавно его использовали для обнародования Lordstown Motors, Nikola и Fisker. Canoo собирается провести IPO таким же образом. Ожидается, что IPO QuantumScape привлечет 3,3 миллиарда долларов.
Согласно Tech Crunch , обычная литий-ионная батарея имеет два электрода. С одной стороны анод, с другой — катод.Электролит в середине действует как курьер, который перемещает ионы между электродами при зарядке и разрядке. В твердотельных батареях используется твердый электролит вместо жидкого или гелевого электролита, который есть в большинстве литий-ионных батарей. Компания утверждает, что твердые электролиты имеют более высокую плотность энергии, что означает больший диапазон от меньших, более легких (и, надеюсь, менее дорогих) батарей. Предполагается, что твердые электролиты также снижают риск возгорания и необходимость в системах охлаждения, связанных с традиционными литий-ионными батареями.
Сегодня мы часто слышим об удивительных достижениях в области аккумуляторных технологий, которые представляют собой не более чем пустое оборудование. QuantumScape кажется настоящим. Не меньший авторитет, чем Дж. Б. Штробель, бывший главный технический директор Tesla, а ныне основатель Redwood Materials, компании, разрабатывающей способы возврата сырья внутри литий-ионных батарей для повторного использования, называет твердотельную безанодную конструкцию QuantumScape. «Самая элегантная архитектура, которую я видел для системы литиевых батарей.«Высокая похвала от того, кто должен знать.
Цените оригинальность CleanTechnica? Подумайте о том, чтобы стать участником, сторонником, техническим специалистом или представителем CleanTechnica — или покровителем Patreon.
Реклама
Есть совет для CleanTechnica, вы хотите разместить рекламу или предложить гостя для нашего подкаста CleanTech Talk? Свяжитесь с нами здесь.
Роль внутренней сольватационной оболочки в комплексах соль-растворитель в настройке межфазных границ электрод / электролит для литий-металлических батарей
Высоковольтные (> 4.0 В) литий (Li) -металлические батареи (LMB) считаются одной из самых многообещающих систем хранения энергии из-за их гораздо более высокой плотности энергии по сравнению с обычными литий-ионными батареями (LIB) (1⇓ – 3). Что касается анода, металлический Li является идеальным анодным материалом со сверхвысокой удельной емкостью 3 860 мАч g ^-1, а также чрезвычайно низким электрохимическим потенциалом -3,040 В (по сравнению со стандартным водородным электродом). Со стороны катода — современные высоковольтные катоды с высоким содержанием никеля, например.г., LiNi _0,8 Mn _0,1 Co _0,1 O ₂ (NMC811), может обеспечивать емкость более 200 мАч g ^-1, что намного выше, чем у LiFePO ₄, LiCoO ₂ , или стехиометрические материалы NMC111 (4). Таким образом, ожидается, что LMB со структурой Li || NMC811 будут иметь удельную плотность энергии более 500 Вт · ч · кг ^-1 на уровне ячеек, что почти вдвое больше, чем у LIB, используемых в настоящее время в электромобилях (5). Однако применение LMB все еще сдерживается рядом препятствий.Высокая восстановительная природа литий-металлического анода (LMA) делает его склонным к реакции со всеми полярными растворителями и солевыми анионами, используемыми в настоящее время в батареях, хотя и в разной степени. Эта проблема не только приводит к низкой кулоновской эффективности (CE) Li из-за непрерывных побочных реакций во время процессов металлизации Li / снятия металлического покрытия, но также тесно связана с неконтролируемым ростом дендритов Li, что создает серьезные риски безопасности для аккумуляторных приложений (3). Кроме того, ионы переходных металлов с высокой реакционной способностью (например,g., Ni ⁴⁺) на поверхностях катодов (особенно катодов с высоким содержанием никеля), сформированных в делитированном состоянии при высоких зарядных напряжениях, также может вызывать серьезные побочные реакции с электролитами (6). Фактически, такие реакции оказались одним из основных факторов деградации катода NMC811 под высоким напряжением (7, 8).
Стабильность LMA в значительной степени определяется межфазной фазой твердого электролита (SEI), образующейся на поверхности металлического Li в неводных электролитах (6). SEI образуется в результате самоограничивающейся реакции между LMA и электролитом и действует как кинетический барьер между ними.Точно так же межфазная поверхность катодного электролита (CEI) играет важную роль в подавлении побочных реакций между катодно активным катодом и электролитом. Поскольку состав и свойства SEI и CEI напрямую связаны с химической природой используемого электролита, разработка функциональных электролитов для LMB имеет решающее значение для решения проблем стабильности реактивных электродов. В последние годы было доказано, что различные растворители, соли и добавки электролитов полезны для улучшения характеристик LMB (9⇓⇓⇓⇓⇓ – 15).В частности, как одна из наиболее важных концепций в недавней разработке электролитов, электролиты с высокой концентрацией (HCE) (или суперконцентрированные электролиты) продемонстрировали свою совместимость как с LMA, так и с высоковольтными катодами (16⇓⇓⇓⇓ – 21) . В отличие от обычных электролитов с низкой концентрацией (LCE) с большой долей свободных растворителей и анионов солей (рис. 1 A ), HCE с высоким соотношением соль / растворитель не имеют достаточного количества молекул свободного растворителя для полной сольватации ионов Li ⁺ в электролиты.В результате анионы соли втягиваются во внутреннюю сольватную оболочку электростатическим притяжением (рис. 1 B ). Принято считать, что самые низкие энергии незанятых молекулярных орбиталей (НСМО) анионов смещаются к значению ниже, чем у растворителя в ГЭ. Следовательно, анион в электролите сначала будет восстановлен с образованием слоя SEI, обогащенного неорганическими соединениями (такими как LiF, Li ₂ O), который может эффективно улучшить стабильность LMA (19). В то же время смещение вниз энергий наивысших занятых молекулярных орбиталей (ВЗМО) координированных молекул растворителя и нехватка молекул свободного растворителя в основном препятствуют окислению электролита и, следовательно, коррозии катода.В обоих сценариях роль молекул растворителя в HCE в межфазных реакциях часто рассматривается как одиночная или даже тривиальная. Тем не менее, предыдущие модели не смогли объяснить критическую синергию соль-растворитель в HCE, обнаруженную недавно (22). Поэтому дальнейшие исследования механизма взаимодействия в «переполненной» сольватной оболочке имеют большое значение для понимания стабильности электродов в различных электролитах.
Последняя разработка локализованных электролитов с высокой концентрацией (LHCE) показала большие перспективы для дальнейшего продвижения HCE и содействия практическому применению LMB (23⇓⇓ – 26).В LHCE добавление несольватирующих молекул разбавителя в HCE создает уникальную сольватирующую структуру, где общие сольватационные свойства HCE сохраняются во внутренней сольватной оболочке, а разбавитель образует внешнюю несольватирующую сферу, как показано на рис. 1 С . При правильном выборе разбавитель может хорошо смешиваться с внутренней сольватной оболочкой из-за диполь-дипольных взаимодействий. Следует отметить, что несольватирующая внешняя сфера разбавителя не только улучшает физические свойства LHCE (например,g., вязкость и смачиваемость) для аккумуляторных батарей по сравнению с HCE, но также защищает катионы и анионы во внутренней сольватной оболочке от электростатического притяжения ионов в соседних сольватных комплексах. В результате взаимодействия катион-анион и ион-растворитель во внутренней сольватной оболочке LHCE еще больше усиливаются. Это явление было подтверждено различными экспериментальными наблюдениями в последнее время: дальнейшее отклонение от «идеальной» линии KCl на графиках Вальдена (указывающее на полностью диссоциированные ионы) и характерные химические сдвиги координирующих атомов кислорода из спектров ЯМР ¹⁷ по сравнению с те, которые находятся в параллельных HCE (24, 27, 28).Таким образом, система LHCE может служить уникальной платформой для исследования свойств внутренней сольватной оболочки и ее роли в межфазных реакционных процессах между электродами и электролитами.
Хотя для приготовления LHCE использовались различные комбинации сольватирующих растворителей и разбавителей, предыдущие исследования в основном были сосредоточены на их возможностях улучшения физических свойств обычных HCE, например, более низкая вязкость, более высокая ионная проводимость, лучшая смачиваемость, более широкий диапазон рабочих температур, более низкая растворение полисульфидов в литий-серных аккумуляторах и др.(23⇓ – 25, 29⇓ – 31) Критическая роль внутренней сольватной оболочки в комплексах соль-растворитель на межфазной стабильности электрод / электролит не совсем понятна. В этой работе мы систематически исследовали LHCE на основе четырех различных типов модельных растворителей для аккумуляторных батарей, включая диметилкарбонат (DMC), тетраметиленсульфон (TMS), триэтилфосфат (TEP) и 1,2-диметоксиэтан (DME), в чтобы объяснить основные механизмы их различного поведения как на LMA, так и на катоде.Экспериментальные результаты показывают, что молекулы растворителя, несмотря на их низкую долю в LHCE, во внутренней сольватной оболочке имеют важное значение для стабильности межфазных электродов, особенно на высоковольтном катоде. Дальнейшие теоретические расчеты показывают, что реакции протона / переноса заряда между солью и растворителем во внутренней сольватной оболочке играют важную роль в межфазной химии и оказывают значительное влияние на устойчивость батареи к циклированию.Благодаря этому LHCE на основе эфирного растворителя, который часто считается нестабильным растворителем для использования в высоковольтных (более 4 В) батареях, демонстрируют лучшие характеристики как на LMA, так и на катоде NMC811 при высоком напряжении 4,4 В. Это исследование раскрывает другое измерение в химии сольватации электролитов и предлагает стратегию того, как управлять внутренней сольватационной структурой электролитов и дополнительно улучшать стабильность электролитов в широком электрохимическом окне.
Результаты и обсуждение
Для исследования влияния различных типов координирующих растворителей на стабильность LMA и катода из оксида металла NMC811, четыре сольватирующих растворителя, DMC, TMS, TEP и DME, охватывающие четыре типичных растворителя. выбраны системы — карбонат, сульфон, фосфат и эфир, подходящие для высоковольтных приложений LMB (32). Соль Li представляет собой бис (фторсульфонил) имид лития (LiFSI), популярную в последние годы соль для LMB, которая обеспечивает отличную защиту от Li в различных HCE.TTE (1, 1, 2, 2-тетрафторэтил-2,2,3,3-тетрафторпропиловый эфир) выбран в качестве разбавителя (который имеет незначительную растворимость для соли LiFSI), который имеет приемлемую температуру кипения (93 ° C) и низкая стоимость и продемонстрировала хорошие характеристики в LHCE (24, 26). Когда молярное отношение LiFSI к TTE фиксировано как 1: 3, молярное содержание координирующего растворителя в соответствующем LHCE зависит от свойств растворителя, таких как сольватирующая способность с LiFSI, смешиваемость с TTE и т. Д.Для честного сравнения количество сольватирующего растворителя доводят до уровня, близкого к солевому насыщению, но с избыточным соотношением ~ 5%, чтобы уменьшить количество нескоординированных молекул растворителя, а также избежать осаждения кластеров во время тестирования. Следует отметить, что из-за различной геометрии координации соль-растворитель в разных LHCEs точные молярные отношения между солью LiFSI и молекулами сольватирующего растворителя различаются. Однако почти все молекулы растворителя скоординированы с солью LiFSI для улучшения электрохимических характеристик.Составы электролитов этих четырех LHCE: LiFSI-2.2DMC-3TTE, LiFSI-1DME-3TTE, LiFSI-1.4TEP-3TTE и LiFSI-3TMS-3TTE, и их физические свойства показаны в приложении SI, таблица S1. Снимки химической структуры четырех LHCE показаны на рис. 2, который показывает, что эти LHCE имеют разные кластеры соли Li с координирующими молекулами растворителя, и эти кластеры разделены некоординирующими молекулами разбавителя. Функции радиального распределения (ФРР) на рис.2 также указывают на высокое соотношение соль / растворитель, из-за которого почти все молекулы растворителя координированы ионами Li ⁺ и анионами соли, в то время как молекулы разбавителя в основном исключены из внутренней сольватирующей оболочки ионов из-за их плохой ионо-сольватирующей способности. В результате благоприятные характеристики реактивности HCE могут быть сохранены в LHCE.
Рис. 2.
снимков моделирования AIMD различных систем LHCE и соответствующих RDF ( A и B ) TMS-LHCE, ( C и D ) TEP-LHCE, ( E и F ) DMC-LHCE и ( G и H ) DME-LHCE.(Для наглядности кластеры соль-растворитель отображаются в модели шариковой палочки, а молекулы разбавителя — в линейной модели.)
Чтобы оценить стабильность LMA в этих четырех LHCE, средние КЭ покрытия / удаления Li в Li | | Клетки Cu были измерены с использованием 10-циклового среднего протокола в сочетании с циклом предварительного кондиционирования, как описано в нашем предыдущем отчете (33). Все четыре LHCE имеют высокие значения CE Li более 99%, что подтверждает, что эта стратегия разбавления хорошо работает с HCE для поддержания желаемой стабильности металлического Li, а также ограничения потерь Li в результате побочных реакций электролита и «мертвых» образований Li.С другой стороны, средние КЭ Li по-прежнему демонстрируют некоторые вариации в зависимости от выбранного координирующего растворителя (рис. 3 A ), которые следуют в следующем порядке: 99,1% (TEP-LHCE) <99,2% (TMS-LHCE) < 99,3% (DMC-LHCE) <99,5% (DME-LHCE). При длительном циклировании симметричных ячеек Li || Li в различных LHCE также могут наблюдаться вариации профилей напряжения ( SI Приложение , Таблица S1). Это говорит о том, что сольватирующие растворители действительно влияют на межфазную химию металл Li / электролит, и подробные объяснения будут обсуждены в следующих разделах (например,g., Li / Electrolyte Interphase и Simulation on Electrolyte Systems ).
Рис. 3.
( A ) Средние значения CE Li, измеренные в элементах Li || Cu с использованием различных LHCE. ( B ) Окислительная стабильность LHCE на электроде SP-PVDF / Al. ( C ) Профили вольтамперной емкости первого цикла формирования ячеек Li || NMC811 с использованием различных LHCE при скорости C / 10 в диапазоне напряжений 2,8–4,4 В. ( D ) Соответствующие кривые dQ / dV первый цикл формирования клеток Li || NMC811 с четырьмя LHCE.( E ) Сравнение циклических характеристик элементов Li || NMC811 с использованием различных LHCE в диапазоне напряжений 2,8–4,4 В при скоростях заряда / разряда C / 3 после двух циклов формирования при скорости C / 10.
Электрохимическая стойкость к окислению изученных LHCE была дополнительно оценена с использованием электродов на основе Super P (SP) [изготовленных из углеродного SP и связующего из поливинилиденфторида (PVDF), покрытого алюминиевой (Al) фольгой] в качестве рабочего электрода и металлического Li в качестве противоэлектрода в установке плоской ячейки, и результаты показаны на рис.3 Б . При напряжении 4,4 В плотности тока отклика для вышеуказанных LHCE составляют 3,53, 3,35, 3,00 и 2,57 мкА · см ^-2 для DMC-LHCE, DME-LHCE, TMS-LHCE и TEP-LHCE соответственно. Для DME-LHCE наклон кривой тока окисления начинает увеличиваться выше 4 В перед экспоненциальным увеличением до 4,5 В. Возможно, что начальное разложение DME-LHCE вызывает пассивацию электрода SP, которая будет более подробно обсуждается позже. В целом, на относительно активном SP-электроде, несмотря на небольшую разницу в токах окисления, все четыре LHCE не показывают чрезмерного разложения при 4.4 В. Хотя простые эфиры обычно нестабильны выше 4 В, высокое соотношение соль / эфир эффективно повышает их анодную стабильность, что согласуется с предыдущими исследованиями (20, 22).
Для оценки стабильности электролитов в более практичных условиях, необходимых для высокоэнергетических LMB, были исследованы элементы Li || NMC811 с различными LHCE при высоком напряжении отсечки заряда 4,4 В. Как показано на рис. 3 C , общие профили вольтамперной емкости ячеек в первом цикле формирования (при скорости C / 10) очень похожи, когда используются разные LHCE, за исключением электролита TEP-LHCE.Мелкую разницу лучше иллюстрирует кривая dQ / dV, показанная на рис. 3 D , где два анодных пика при более высоких потенциалах (~ 3,70 и 3,79 В) для TEP-LHCE разрешены лучше, чем пики других LHCE. Эти два пика представляют собой окисление смешанного Ni ²⁺ / Ni ³⁺ до Ni ⁴⁺, сопровождающее процессы фазового перехода во время делитирования (8). Характеристики циклов Li || NMC811 в различных LHCE сравниваются на рис. 3 E . Основываясь на общепринятом понимании, электролиты с более высокой анодной стабильностью (> 4 В), такие как DMC, TMS и TEP, будут иметь лучшую стабильность в условиях высокого напряжения, чем электролиты с DME, когда эти растворители использовались отдельно.Однако LHCE, использующие DMC, TMS и TEP, на самом деле приводят к худшей долгосрочной стабильности при езде на велосипеде по сравнению с LHCE на основе DME, как показано на рис. 3 E . Подобно тому, что мы продемонстрировали ранее (22), высокое молярное соотношение LiFSI / эфир может значительно ингибировать разложение молекул эфира с пониженным уровнем энергии HOMO и эффективным защитным слоем CEI. При молярном соотношении LiFSI / DME 1: 1 в DME-LHCE средний CE элемента Li || NMC811 за 300 циклов может достигать 99.8%, что очень близко к показателям TEP-LHCE (99,9%) и выше, чем у DMC-LHCE (99,7%) и TMS-LHCE (99,3% для 300 циклов, 99,8% для первых 200 циклов) ( SI Приложение , рис. S2). Ячейка Li || NMC811 с DME-LHCE сохранила ∼90% емкости и показала стабильные профили напряжения ( SI, приложение , рис. S3) в течение 300 циклов, в то время как ячейки с DMC-LHCE, TMS-LHCE и TEP-LHCE сохранили только 56, 13 и 85% емкости соответственно, как показано на Рис. 3 E и SI Приложение , Рис.S3.
Электрохимическая спектроскопия импеданса использовалась для мониторинга изменений импеданса в элементах Li || NMC811 во время циклирования. Графики Найквиста, полученные после 20-го, 50-го и 100-го циклов разряда, сравниваются в Приложении SI, рис. S4. Полукруг с высокой частотой обычно связан с процессом диффузии Li ⁺, особенно с диффузией Li ⁺ через пассивирующий слой анода Li в этом случае, в то время как полукруг с более низкой частотой связан с процессом межфазного переноса заряда, особенно катодный перенос заряда в этом случае.Из результатов подгонки ( SI Приложение , Таблица S2 и Рис. S4 E и F ) ясно, что наиболее очевидное изменение диффузионного сопротивления Li ⁺ происходит в DMC-LHCE, за которым следует TEP-LHCE. Изображения анодов Li после 100 циклов, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), показывают прозрачные пористые поверхностные слои поверх анодов Li ( SI Приложение , рис. S5), которые являются результатом накопления побочных продуктов реакции между металлическим Li и электролитами.В то время как DMC-LHCE показывает высокий уровень CE Li, составляющий 99,3% по результатам измерения CE за 10 циклов, коррозионный слой Li (то есть пористый поверхностный слой на Li) имеет самую высокую среднюю толщину 60,3 мкм, что нежелательно для эффективного Li ⁺ диффузионный. В отличие от более быстрого образования слоя коррозии в DMC-LHCE (60,3 мкм) и TEP-LHCE (∼51,8 мкм), гораздо более тонкие слои коррозии видны в TMS-LHCE (∼40,0 мкм) и DME-LHCE ( ∼40,5 мкм) наряду с ограниченным увеличением диффузионного сопротивления Li ⁺.Между тем, наименьшее изменение сопротивления переносу заряда обнаружено в TEP-LHCE, что согласуется с CE с большим количеством ячеек, показанным в SI Приложение , рис. S2. Поскольку только ограниченные изменения объемной кристаллической структуры катодов могут быть обнаружены с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) после 100 циклов ( SI Приложение , рис. S6), деградация ячейки может быть в основном связана с эволюцией электрода. / межфазные электролиты. Чтобы лучше проиллюстрировать взаимосвязь между координирующими растворителями в LHCE и межфазной химией электрод / электролит, границы раздела Li / электролит и NMC811 / электролит будут обсуждаться отдельно в следующих двух разделах.
Li / Электролит Interphase.
В недавних исследованиях различные HCE и LHCE на основе LiFSI использовались в LMB и продемонстрировали значительно улучшенную стабильность металлического Li по сравнению с традиционными электролитами на основе LiPF ₆ (16, 18, 34). В отличие от дендритного роста Li, очень похожие неровные отложения металлического Li могут быть выращены на подложках из меди в этих электролитах. Считалось, что это изменение связано с образованием слоя SEI, обогащенного LiF, полученного из соли LiFSI.Тем не менее роли растворителей уделялось мало внимания. Здесь был проведен анализ рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), чтобы охарактеризовать слои Li-анода SEI, сформированные в различных LHCE. Особое внимание было уделено тому, чтобы не подвергать образцы XPS воздействию окружающей атмосферы во время транспортировки и загрузки образцов.
Как показано на рис. 4, аналогичные спектры F 1s и S 2p согласуются с нашим ожиданием, что восстановление соли LiFSI имеет решающее значение для стабилизации металлического Li.Однако верхние слои SEI состоят из множества элементов Li и O вместе с промежуточным количеством элемента C по сравнению с относительно небольшими соотношениями элементов F, S и N. Это говорит о том, что молекулы сольватирующего растворителя также вносят большой вклад в слои SEI. Хотя аналогичный элементный состав затрудняет однозначный вывод, высокое атомное соотношение O может свидетельствовать о разложении молекул растворителя в образованиях SEI. Если мы предположим, что разбавитель TTE имеет одинаковую реакционную способность по отношению к металлическому Li в этих LHCE, соотношение между атомами C и атомами Li может быть использовано для сравнения тенденции реакции различных молекул растворителя на аноде Li, что соответствует порядку как: DMC (0.48)> ТМС (0,42)> ТЭП (0,28)> ДМЭ (0,19). Кроме того, спектры C 1s и O 1s в DMC-LHCE (рис. 4 B ) демонстрируют сигналы с немного более высокими энергиями связи (C 1s, 290,0 эВ; O 1 s, 531,6 эВ), чем в трех других образцах, которые, вероятно, являются частицами O-C = O из молекул DMC. Хотя атомное соотношение P в образце TEP-LHCE невелико, оно также поддерживает разложение молекул TEP во время образования SEI ( SI Приложение , рис. S7 C ), учитывая, что некоторые частично восстановленные молекулы TEP могут иметь тенденцию к растворяются в электролите.Такие вариации составов и структур поверхностных слоев Li из-за участия молекул растворителя в реакциях имеют тесную взаимосвязь с ионным транспортом Li ⁺ и поведением металлического покрытия / удаления Li, как показано ранее. Среди четырех изученных LHCE, LHCE на основе эфира, в котором молекулы DME более устойчивы по отношению к металлическому Li, демонстрирует самый высокий Li CE и наименьшее образование поверхностного слоя после цикла. В дополнение к явно более высоким атомным отношениям F и N и более низким атомным отношениям C в образцах DME-LHCE, чем в других образцах, более очевидный сигнал Li ₃ N из спектра N 1s (396.1 эВ, SI Приложение , рис. S7 A ) и сигнал Li ₂ O из спектра O 1s (528,2 эВ, рис. LiFSI очень полезны для повышения стабильности LMA.
Рис. 4.
( A ) XPS атомные отношения различных элементов на циклических анодах Li с использованием различных LHCE. ( B ) XPS-спектры выбранных элементов на циклических литиевых анодах.
Межфазный катод / электролит.
По сравнению с влиянием сольватирующих молекул растворителя на стабильность LMA в LHCE, их влияние на катод NMC811 с высоким содержанием никеля еще более драматично. Как показано на рис. 3 E , выбранные растворители в значительной степени определяют стабильность катода и циклические характеристики ячеек, где различия в стабильности LMA сводятся к минимуму за счет избыточного количества металлического Li и электролита. Несмотря на хорошую стойкость к окислению большинства выбранных растворителей (DMC, TEP и TMS), которая может быть дополнительно усилена за счет высоких соотношений соль / растворитель в LHCE, молекулы растворителя имеют решающее значение в межфазных реакциях на Ni-богатых пластинах. NMC811 во время зарядки (до 4.4 В). Как показано на дифрактограммах катодов NMC811 после 100 циклов в четырех различных LHCE в приложении SI , рис. S6, за исключением незначительных сдвигов отражений (003) и (108) / (110) для катода. В образцах, подвергнутых циклическому воздействию TMS-LHCE, TEP-LHCE и DMC-LHCE из исходного образца, основные кристаллические структуры катодов NMC811 с циклическим циклом показывают незначительные изменения, что указывает на относительную структурную целостность NMC8111 после цикла. В частности, катод NMC811 из DME-LHCE не показывает даже незначительных сдвигов в отражениях (003) и (108) / (110) ( SI Приложение , рис.S6 B и C ), демонстрируя хорошо сохраняемую кристаллическую структуру катода с помощью этого электролита.
Сравнение изображений СЭМ вида сверху катодов после 100 циклов с изображениями исходного катода (Рис. 5 A — D и SI Приложение , Рис. S8), скопления продуктов разложения электролита и можно было обнаружить эволюцию структур вторичных частиц. Популяция растрескавшихся частиц следует последовательности от высокого к низкому: TMS-LHCE> DMC-LHCE> TEP-LHCE> DME-LHCE.Кроме того, поперечные сечения катодов с циклическим циклом, полученные с использованием метода резки сфокусированным ионным пучком (FIB), также демонстрируют распространение трещин внутри вторичных частиц и следуют в том же порядке по степени растрескивания (Рис. 5 E — H ). Вероятно, что анизотропное объемное расширение первичных частиц во время процессов заряда и разряда увеличит зазор между ними и вызовет побочные реакции между катодом и электролитом. Если слой CEI из начальных циклов в электролите не может хорошо пассивировать катодные частицы, побочные реакции не могут быть остановлены; тогда зазор между первичными частицами будет еще больше увеличиваться, и трещины будут расти к внутренней стороне вторичной частицы и нарушить контакт между первичными частицами.Тенденция к стабильности вторичных частиц может частично объяснить циклическую производительность клеток Li || NMC811 с четырьмя LHCE в порядке от высокого к низкому, как DME-LHCE> TEP-LHCE> DMC-LHCE> TMS-LHCE, как показано на рис.3 E .
Рис. 5.
Электронно-микроскопические характеристики циклических катодов NMC811 в различных LHCE. ( A — D ) СЭМ-изображения вида сверху, ( E — H ) СЭМ-изображения поперечного сечения, ( I — L ) изображения HAADF-STEM и ( M — P ) ABF-STEM изображения [Масштабные полосы, ( A — H ) 5 мкм, ( I — P ) 2 нм.]
Кроме того, катоды после 100 циклов были охарактеризованы с помощью кольцевой сканирующей электронной микроскопии в светлом поле (ABF-STEM) и высокоугловой кольцевой темнопольной микроскопии (HAADF) -STEM для изучения влияния различных LHCE на CEI, как показано на рис.5 I — L . HAADF-STEM используется для отображения распределения атомов, которые являются ионами переходных металлов, на Z-контрастных изображениях. В TMS-LHCE поверхность катодной частицы образовывала толстый, но нерегулярный слой (∼5.7 нм) с неупорядоченной структурой каменной соли или смешивающей катионы фазовой структурой (рис. 5 I ). Это фазовое превращение исходной слоистой структуры R-3m, вероятно, вызвано образованием продуктов коррозии в результате побочных реакций между поверхностью катода и электролитом и последующим растворением ионов переходных металлов. Из-за ограниченного количества молекул свободно сольватирующего растворителя в LHCE растворенные ионы металлов имеют тенденцию осаждаться на поверхности катода. В DMC-LHCE относительно более тонкий слой (2.3 нм) с фазовым переходом (рис. 5 K ), но есть сигналы от ионов переходных металлов в толстом слое наверху, что указывает на очевидную катодную коррозию этим электролитом. Для двух других LHCE на основе ТЭП (рис. 5 J ) и DME (рис. 5 L ) слои смешения катионов имеют гораздо меньшее значение. Изменение толщины трансформированного слоя в четырех LHCE (5,7 нм в TMS-LHCE, 2,3 нм в DMC-LHCE, 1,4 нм в TEP-LHCE и 1,0 нм в DME-LHCE) согласуется с тенденцией к снижению емкости клеток, показанной на Инжир.3 E .
С другой стороны, изображения ABF-STEM, которые визуализируют как легкие, так и тяжелые элементы, могут определять различные особенности внешних поверхностей катодных частиц. Как показано на рис. 5 M — P , можно ясно увидеть межфазные слои от различных реакций катод-электролит. Помимо образца TMS-LHCE с сильной катодной коррозией, слой CEI, сформированный в DMC-LHCE, является самым толстым (4,3 нм), но в основном аморфным, что может объяснить его плохую способность защищать катод от электролитной коррозии.Среди четырех изученных LHCE DME-LHCE дает самый тонкий CEI и наименьшее изменение фазы, что еще раз доказывает превосходную способность LHCE на основе эфира для стабилизации NMC811 с высоким содержанием никеля при высоком напряжении 4,4 В. Хотя TEP -LHCE вызывает более очевидную деградацию на межфазной границе, чем DME-LHCE, это также приводит к незначительным трещинам во вторичных частицах, что может объяснить небольшое изменение сопротивления переносу заряда, показанное в SI Приложение , рис. .S4 Ф .
Для дальнейшего изучения взаимодействия между LHCE на основе различных сольватирующих растворителей и катодом с высоким содержанием никеля и для понимания межфазной химии поверхностные слои катодов NMC811 после 100 циклов были охарактеризованы с помощью XPS. Рис.6 A сравнивает атомные отношения Li, F, C, O, S и N катодов, циклически включенных в разные LHCE, и их региональные спектры показаны на Рис.6 B и SI Приложение , Рис. . S9. По сравнению с исходным NMC811, который показывает сигналы от проводящего углерода, связующего PVDF и поверхностного слоя карбоната / оксида, циклически повторяющиеся поверхности катода демонстрируют очевидные изменения из-за реакций с электролитами.Увеличение атомных соотношений Li, F, S и N, а также эволюция LiF (684,7 эВ) в спектрах F 1s и частиц S с более высокой валентностью (например, SO ₄ ²⁻ при 169,0 эВ , S 2p _3/2) указывают на реакции соли LiFSI на катодах. Более низкие атомные отношения C и более слабые сигналы от C 1s-спектров по сравнению с исходными NMC, вероятно, связаны с накоплением продуктов реакции электролита на катодах (особенно на проводящем углероде).Значительное количество LiF (Li: 40,2%, F: 43,4%), обнаруженное на поверхности катода из DME-LHCE, подтверждает предыдущие дискуссии (14, 18) о критической роли LiF в соответствующем количестве на границе раздела электрод / электролит. для эффективной межфазной защиты. Благодаря защите этого обогащенного LiF CEI от DME-LHCE, в спектре O 1s не наблюдается видимого сигнала МО из-за растворения переходного металла (рис. 6 B ), а структура катода сохраняется в хорошем состоянии (рис. .5 H , L и P и SI Приложение , рис. S6).
Рис. 6.
( A ) Атомные отношения различных элементов, измеренные с помощью XPS на циклических катодах NMC811 с использованием различных LHCE. ( B ) XPS-спектры выбранных элементов для циклических катодов NMC811.
Несмотря на высокое содержание LiF, обнаруженное в образце NMC811 из DMC-LHCE, низкая кристалличность CEI не может предотвратить проникновение электролита и эффективно защитить катод.Интересно отметить в TEP-LHCE, что, хотя отношения Li, F, S и N относительно ниже по сравнению с другими образцами, а отношение LiF в спектре F 1s значительно меньше, его стабильность при циклическом воздействии только хуже. к этому в DME-LHCE. Это говорит о том, что соль LiFSI имеет наименьшую тенденцию реагировать на катоде при координации с молекулами ТЕР по сравнению с другими, что объясняет ее разницу dQ / dV (рис. 3 D ). Относительно стабильная клеточная цикличность в TEP-LHCE также может быть частично отнесена к видам PO ₄ ^3-, сформированным в CEI, как показано в спектре XPS P 2p ( SI, приложение , рис.S9). Как LiF, так и PO ₄ ^3-9 также могут ограничивать побочные реакции электролита между NMC811 и TEP-LHCE, о чем также свидетельствует его самый высокий CE ячейки (99,9%). Что касается NMC811, прошедшего цикл в TMS-LHCE, особенность (например, C-SO _x ^2-, S = O) в спектре S 2p указывает на то, что молекулы TMS участвуют в реакциях катод-электролит, которые также объясняет ускоренный катодный распад и плохую циклическую смену элементов.
Моделирование электролитных систем.
Чтобы выяснить механизм межфазной реакции, ab initio моделирование молекулярной динамики (AIMD) было выполнено для систем электролитов LiFSI и TTE с различными сольватирующими растворителями (DMC, TMS, TEP и DME). SI Приложение , рис. S10 показывает графики прогнозируемой плотности состояний (PDOS) соли LiFSI с различными растворителями в разбавителе TTE, полученные с помощью моделирования AIMD. Установлено, что максимумы валентной зоны (уровни энергии ВЗМО) электролитов связаны с сольватирующими растворителями, что означает, что растворители легко окисляются на катоде.Хотя этот результат согласуется с интуитивным пониманием обычных электролитов, он не может удовлетворительно объяснить тенденцию реакционной способности различных LHCE на катоде. Стоит отметить, что моделирование AIMD ограничено коротким временным интервалом в десятки пикосекунд из-за вычислительной мощности, которая не может уловить важные процессы реакции, происходящие в более длительных временных масштабах, например, реакции переноса протона (H-перенос) между растворитель и анион или разбавитель.Тем не менее, такие пути анодных реакций на поверхности катода весьма вероятны для обычных компонентов электролита LIB (35).
Чтобы лучше понять механизм образования CEI, были проведены расчеты по дополнительной теории функционала плотности (DFT) для изучения влияния реакций переноса водорода между растворителем и анионом / разбавителем на катод. Различные индивидуальные частицы и комплексы с потенциальными взаимодействиями в LHCE были приняты во внимание в расчетах DFT, и их потенциалы окисления показаны на рис.7 А . Для отдельных видов окислительный потенциал молекулы разбавителя (TTE) самый высокий, в то время как у аниона FSI ^— самый низкий, за исключением того, что молекула растворителя DME имеет более низкий потенциал окисления, чем анион FSI ^—. Хотя поведение отдельных видов не может объяснить особенности реакции различных LHCE, считается, что взаимодействия в молекулярных комплексах сильно влияют на ландшафт реакции на катоде. По сравнению с отдельными видами, потенциалы окисления их молекулярных комплексов значительно снижаются, причем потенциалы окисления комплексов растворитель-анион являются самыми низкими, где происходят реакции переноса водорода между растворителем и анионом FSI ^— (атом азота в качестве предпочтительный акцептор протонов).
Рис. 7.
( A ) Сравнение потенциалов окисления различных молекул и комплексов. ( B ) Снимки комплексов анион – растворитель с реакциями переноса водорода. ( C ) Сравнение потенциалов восстановления различных молекул и комплексов. Обратите внимание, что потенциалы восстановления LiFSI-DME и LiFSI-TEP не показаны, поскольку наблюдались разложения анионов FSI ^— в этих двух кластерах.
Оптимизированные структуры этих реакций переноса водорода показаны на рис.7 B , где красные стрелки и пунктирные кружки указывают активные сайты. Из-за высокоэлектрофильного S-центра в FSI ^— последующее нуклеофильное замещение промежуточными звеньями реакции могло управлять уходом F ^— и образованием LiF в CEI (36). Установлено, что тенденция к уменьшению содержания LiF на катодах в четырех LHCE (рис. 6 A , DME-LHCE> TMS-LHCE> DMC-LHCE> TEP-LHCE) в целом коррелирует с увеличением расчетного потенциалы окисления комплексов растворитель – анион.Хотя конкретные взаимодействия между каталитически активной поверхностью катода и компонентами электролита, а также влияние других возможных коррозионных побочных продуктов не включены в расчет DFT, реакции переноса заряда во внутренней сольватационной оболочке LHCE обеспечивают критическую перспективу в понимании химии сольватации и механизм его функционирования на электродах. В нашем предыдущем исследовании (26) было указано, что разбавитель также участвует в химии образования CEI, но в то время подробный механизм не был ясен.Расчеты в этой работе также показывают, что потенциалы окисления комплексов анион – разбавитель и растворитель – разбавитель снижаются, когда происходят реакции переноса водорода, и оптимизированные структуры комплексов растворитель – разбавитель с переносом водорода в степени окисления также показаны в SI. Приложение , рис. S11. Однако их более высокие потенциалы окисления, чем комплексы анион-растворитель, означают, что вклад комплексов растворитель-разбавитель или анион-разбавитель в компоненты F в CEI будет относительно небольшим по сравнению с комплексами растворитель-анион.
Анализ PDOS также показывает, что все минимумы зоны проводимости (уровни энергии LUMO) относятся к анионам FSI ^— в LHCE, подразумевая, что анионы FSI ^— преимущественно восстанавливаются на аноде Li, что согласуется с вышеупомянутым приводит к тому, что слой SEI, производный от FSI ^—, очень полезен для повышения стабильности LMA. Тем не менее, это не может оправдать влияние различных растворителей на химию Li анод / электролит. Чтобы понять механизм этого несоответствия, в нашем исследовании также рассматривается реакция переноса заряда с помощью расчетов методом DFT.Фиг. 7 C показывает потенциалы восстановления сольватационных кластеров и отдельного растворителя / разбавителя / аниона. Соотношение молекул в кластерах соответствует молярным отношениям, указанным в SI Приложение , Таблица S1. Ограниченные вычислительной мощностью, только один или два иона Li ⁺ были включены в кластеры. Для восстановления отдельной молекулы / аниона показано, что анион FSI ^— легче восстанавливать, что согласуется с результатом моделирования AIMD. Кроме того, потенциал восстановления TTE очень близок к FSI ^—, подразумевая, что TTE также может быть уменьшено на аноде.Интересно обнаружить, что потенциалы восстановления комплексов растворитель-соль уменьшаются по сравнению с отдельными видами, что указывает на то, что растворитель или анион FSI ^— в кластерах на самом деле более электрохимически устойчив к восстановлению внутренней сольватной оболочки LHCEs. В результате восстановление кластеров соль-растворитель сопровождается переносом заряда между анионом FSI ^— и растворителем, что подчеркивает роль как аниона, так и растворителя в процессе образования SEI.Следует отметить, что для кластеров LiFSI-DME и LiFSI-TEP длина связи S – N (исходное значение 1,56 Å) увеличивается до 3,40 и 3,10 Å после того, как комплексы принимают один электрон, что указывает на благоприятный разрыв связи S – N. перед разложением растворителя, что согласуется с тенденцией реакционной способности растворителя для металлического Li из анализа XPS. Дальнейшие реакции с молекулами растворителя для образования LiF [например, реакция переноса F при восстановлении LiFSI-DME, как в предыдущих расчетах методом DFT Ким и др. (37)] и другие компоненты, наблюдаемые в SEI, могут быть альтернативными путями во время формирования SEI.Причина низкого уровня Li CE, измеренного в TEP-LHCE, в настоящее время неясна, но, возможно, связана с «мертвыми» потерями Li во время очистки от Li.
Из приведенных выше экспериментальных и расчетных результатов мы видим, что химическая природа соли Li и молекулы растворителя и их тесные взаимодействия во внутренней сольватной оболочке LHCE оказывают огромное влияние на химические процессы на границе раздела между анодом или катодом и электролит. Вместо отдельных молекул соли и растворителя кластеры соль-растворитель в целом и их процессы переноса протонов / заряда контролируют химический состав и структуры как на межфазной границе катод / электролит, так и на границе раздела анод / электролит.Для DME-LHCE, где перенос H между DME и LiFSI, скорее всего, происходит в анодном процессе, можно эффективно сформировать слой CEI, обогащенный LiF, для защиты катода NMC811. С другой стороны, реакция переноса водорода в TEP-LHCE настолько сложна, что реакции с участием LiFSI на катоде очень ограничены. Для DMC-LHCE участие DMC как в реакционных процессах CEI, так и в реакционных процессах SEI отрицательно сказывается на стабильности электродов с неудовлетворительной защитой катода и образованием толстого поверхностного слоя анода.Напротив, синергетическое взаимодействие между DME и LiFSI в DME-LHCE позволило добиться наилучших характеристик как на катоде NMC811, так и на LMA.
Материалы и методы
Материалы.
LiFSI (аккумуляторный, Nippon Shokubai) сушили под вакуумом при 120 ° C в течение 24 часов перед использованием. DME и DMC (оба в классе батарей) были приобретены у Gotion и использовались в том виде, в каком они были получены. ТМС (99%, Sigma-Aldrich) дополнительно очищали перегонкой в вакууме, а затем сушили с молекулярными ситами 4А перед использованием.Перед использованием TEP (99,8%, Sigma-Aldrich) и TTE (99%, SynQuest Laboratories) сушили с помощью предварительно активированных молекулярных сит. Металлическая стружка Li (толщина: 450 мкм, диаметр: 15,5 мм) была заказана у MTI Corporation. Материал NMC811 с высоким содержанием никеля (SNMC-03008) был заказан у Targray. Для приготовления катодных ламинатов использовали суспензионное покрытие с использованием материала NMC811, проводящего углерода (C-NERGY Super P C65, Timcal) и связующего PVDF (Kureha L # 1120) с массовым соотношением 96: 2: 2. Катодные диски имели диаметр 1.27 см, а загрузка составляла около 1,5 мАч см ^-2.
Приготовление электролита.
Для приготовления LHCE, соль LiFSI и разбавитель TTE сначала смешивали вместе в стеклянном флаконе в молярном соотношении 1: 3. Поскольку LiFSI практически не растворяется в TTE, смесь имеет белые твердые суспензии. При перемешивании основной растворитель (например, DMC, TEP, TMS или DME) добавляли по каплям в суспензию с помощью микропипетки. Точку насыщения солью определяли, когда частицы белой соли в суспензии исчезали и раствор становился прозрачным.Затем в раствор добавляли еще 5% (по объему) от общего количества ранее использованного основного растворителя, чтобы предотвратить осаждение кластеров соль-растворитель во время цикла клеток.
Электрохимические испытания.
Для тестов с плоскими ячейками ячейки типа CR2032 (MTI) собирали внутри перчаточного бокса, заполненного аргоном (MBraun, H ₂ O <1 ppm, O ₂ <1 ppm). Li-фольга, полиэтиленовый (PE) сепаратор (Asahi Kasei) и катодный диск были зажаты вместе, чтобы получить элемент Li || NMC811.В каждую монетную ячейку было добавлено 75 мкл электролита. Для предотвращения коррозии положительного корпуса из нержавеющей стали использовался положительный корпус с алюминиевым покрытием (положительный корпус из нержавеющей стали 304 с алюминиевым покрытием) (EQ-CR2032-CASE-AL, MTI). Между катодным диском и алюминиевым корпусом помещалась дополнительная алюминиевая фольга. Предыдущие исследования продемонстрировали значительно улучшенную стабильность Al при высоких напряжениях в HCE и LHCE. (22, 24) Гальваностатическое циклирование выполнялось в диапазоне напряжений 2,8–4.4 В с помощью тестеров батарей Landt (Wuhan Land) в температурной камере (TestEquity) при 25 ° C. Первые два цикла формирования были выполнены при скорости заряда / разряда C / 10, а затем ячейки были заряжены до 4,4 В при C / 3 и удерживались при 4,4 В до тех пор, пока анодный ток не упал ниже C / 20, а затем разрядился до 2,8 В при С / 3.
Характеристики.
Для постанализа образцов монетные элементы после цикла были разобраны внутри перчаточного бокса и несколько раз промыты безводными растворителями для удаления остаточных электролитов перед сушкой в вакууме.Картины XRD получали на приборе Rigaku MiniFlex II XRD (Cu K _{, излучение}, 30 кВ, 15 мА и скорость сканирования 0,3 ^o / мин). Обработку образцов для получения изображений поперечного сечения и подготовки ПЭМ выполняли на приборе FEI Helios Nanolab 660 Dualbeam Ga FIB SEM. Поперечные сечения, обнажающие ядро частиц, были выполнены ионным пучком при ускоряющем напряжении 30 кВ и токе 2,5 нА с полировкой 0,43 нА. Образцы ПЭМ готовили, сначала укладывая 300 нм Pt, осажденного электронным пучком, и 3 мкм осажденного ионным пучком C для защиты образца от повреждения ионами Ga, а затем следуя стандартным процедурам извлечения.Разбавление проводилось ионным пучком при 30 и 5 кВ, а окончательная полировка проводилась при 2 кВ для уменьшения аморфного поврежденного слоя. Другие характеристики, например, XPS, SEM и TEM, были выполнены в соответствии с теми же процедурами, которые описаны в нашей предыдущей работе (26). Образцы электродов были извлечены из циклических монетных ячеек, промыты, высушены и затем запечатаны в герметичные контейнеры в перчаточном боксе, заполненном аргоном в нашей лаборатории. Образцы были перенесены в другой перчаточный ящик, прикрепленный к прибору XPS.Внутри второго перчаточного бокса, заполненного инертным газом, образцы электродов извлекались из герметичного контейнера, устанавливались на держателе образцов, а затем переносились в прибор XPS. Поэтому образцы никогда не подвергались воздействию окружающего воздуха во время подготовки, транспортировки и погрузки.
Детали моделирования.
Расчеты DFT были выполнены с использованием функционала M06-HF с программным обеспечением NWCHEM. Функционал M06-HF был выбран, поскольку он является подходящим вариантом для улавливания различий в плотности заряда комплексов анион – растворитель физически согласованным образом (38, 39).Исходные структуры комплексов были извлечены из классического молекулярно-динамического моделирования с силовым полем COMPASS с помощью алгоритма моделирования отжига (40). Затем геометрия молекул / комплексов была дополнительно оптимизирована с использованием базиса 6–31G * (6–31 + G * для аниона). Одноточечные расчеты энергии выполнялись с использованием базиса 6–311 ++ G (d, p). Частоты колебаний были рассчитаны для получения нулевой энергии и температурных поправок. Свободные энергии Гиббса рассчитаны при 298,15 К. Влияние неявного растворителя с диэлектрическими свойствами ТТЭ (диэлектрическая проницаемость = 6.2) был включен через модель COSMO. Потенциал окисления E _ox в сравнении с Li / Li ⁺ был рассчитан следующим образом: Eox = G (M +) — G (M) F − 1,4 В, Ered = G (M) −G (M -) F − 1,4 В,
, где G ( M ), G ( M ⁺) и G ( M ^—) — свободная энергия частиц M , его окисленная и восстановленная формы при 298,15 К соответственно. F — постоянная Фарадея. Моделирование AIMD было выполнено с помощью пакета моделирования Vienna Ab initio (VASP).Электрон-ионные взаимодействия описывались псевдопотенциалами усиленных прожектором волн (41) с энергией отсечки 400 эВ. Функционал обменно-корреляции был представлен с использованием обобщенного градиентного приближения Пердью-Берка-Эрнцерхофа. Использовался обменно-корреляционный функционал с шириной размытия по Гауссу 0,05 эВ. Критерий сходимости для электронной самосогласованной итерации был установлен равным 1 · 10 ⁻⁵ эВ. Влияние растворителя на микроскопические структуры было исследовано с использованием моделирования AIMD в каноническом ансамбле на 298.15 К. Постоянная температура систем моделирования AIMD контролировалась с помощью метода термостата Нозе с параметром массы Нозе 0,1. Первоначальная структура каждой системы смеси соль LiFSI / растворитель / разбавитель была создана путем случайного размещения количества молекул растворителя (DME, TEP, DMC или TMS), разбавителя (TTE) и LiFSI на основе экспериментальных плотностей и молярных соотношений. соотношения. Эти исходные структуры были сначала оптимизированы методами молекулярной механики и молекулярной динамики с силовым полем COMPASS (36).Во всех расчетах AIMD использовался временной шаг 1 фс. Схема сетки Monkhorst – Pack с k-точечной сеткой имела размер 2 × 2 × 2. Системы были предварительно уравновешены в течение 5 пс. Тогда время изготовления составляло 10 пс. Были выбраны десять структур из траектории и усреднены для расчета PDOS.
Натрий-ионные батареи готовы к использованию в крупномасштабных литий-ионных приложениях
Практически не изменился и способ проведения проверок.
Исторически, проверка состояния электрической инфраструктуры была обязанностью мужчин, идущих по очереди.Когда везет и есть подъездная дорога, линейные рабочие используют автовышки. Но когда электрические конструкции находятся на заднем дворе, на склоне горы или иным образом вне досягаемости механического подъемника, рабочие все равно должны пристегнуть свои инструменты и начать подъем. В отдаленных районах вертолеты несут инспекторов с камерами с оптическим зумом, которые позволяют инспектировать линии электропередач на расстоянии. Эти инспекции на большом расстоянии могут охватывать больше территории, но не могут заменить более пристальный взгляд.
В последнее время электроэнергетические компании начали использовать дроны для более частого сбора дополнительной информации о своих линиях электропередач и инфраструктуре.Помимо зум-объективов, некоторые устанавливают на дроны термодатчики и лидары.
Термодатчики улавливают избыточное тепло от электрических компонентов, таких как изоляторы, проводники и трансформаторы. Если игнорировать эти электрические компоненты, они могут вызвать искру или, что еще хуже, взорваться. Лидар может помочь в управлении растительностью, сканировании области вокруг линии и сборе данных, которые программное обеспечение позже использует для создания трехмерной модели области. Модель позволяет менеджерам энергосистемы определять точное расстояние от растительности до линий электропередач.Это важно, потому что, когда ветви деревьев подходят слишком близко к линиям электропередач, они могут вызвать короткое замыкание или воспламенить искру от других неисправных электрических компонентов.
Алгоритмы на основе искусственного интеллекта могут обнаруживать участки, в которых растительность посягает на линии электропередач, обрабатывая десятки тысяч аэрофотоснимков за несколько дней. Buzz Solutions
Хорошая новость — использование любой технологии, которая позволяет проводить более частые и качественные проверки. А это означает, что, используя современные, а также традиционные инструменты мониторинга, основные коммунальные предприятия ежегодно собирают более миллиона изображений своей сетевой инфраструктуры и окружающей среды.
AI хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, глядя на закономерности в данных с течением времени.
А теперь плохие новости. Когда все эти визуальные данные возвращаются в центры обработки данных коммунальных предприятий, выездные техники, инженеры и монтажники тратят месяцы на их анализ — от шести до восьми месяцев на цикл проверки. Это отвлекает их от работы по техническому обслуживанию в полевых условиях. И это слишком долго: к моменту анализа данные уже устарели.
Пришло время вмешаться ИИ. И он начал это делать. ИИ и машинное обучение начали использоваться для обнаружения неисправностей и разрывов в линиях электропередач.
Несколько энергетических компаний, в том числе Xcel Energy и Florida Power and Light тестируют ИИ для обнаружения проблем с электрическими компонентами на линиях электропередач как высокого, так и низкого напряжения. Эти энергетические компании наращивают свои программы инспекции дронов, чтобы увеличить объем данных, которые они собирают (оптические, тепловые и лидарные), в надежде, что ИИ сможет сделать эти данные более полезными.
Моя организация, Buzz Solutions — одна из компаний, которые сегодня предоставляют подобные инструменты искусственного интеллекта для электроэнергетики. Но мы хотим сделать больше, чем обнаруживать проблемы, которые уже возникли, — мы хотим предсказать их до того, как они произойдут. Представьте, что могла бы сделать энергетическая компания, если бы она знала, где находится оборудование, приближающееся к отказу, позволяя экипажам войти внутрь и принять меры по профилактическому обслуживанию, прежде чем искра вызовет следующий крупный лесной пожар.
Пора спросить, может ли ИИ быть современной версией старого талисмана Дымчатого медведя Лесной службы США: предотвращение лесных пожаров. Они случаются с до .
Повреждение оборудования линии электропередачи из-за перегрева, коррозии или других проблем может вызвать возгорание. Buzz Solutions
Мы начали создавать наши системы, используя данные, собранные государственными учреждениями, некоммерческими организациями, такими как Исследовательский институт электроэнергетики (EPRI), электроэнергетические компании и поставщики услуг по воздушной инспекции, которые предлагают в аренду вертолеты и дроны. В совокупности этот набор данных включает тысячи изображений электрических компонентов на линиях электропередач, включая изоляторы, проводники, соединители, оборудование, столбы и опоры.Он также включает коллекции изображений поврежденных компонентов, таких как сломанные изоляторы, корродированные разъемы, поврежденные проводники, ржавые конструкции оборудования и треснувшие опоры.
Мы работали с EPRI и энергосистемами, чтобы создать рекомендации и таксономию для маркировки данных изображений. Например, как именно выглядит сломанный изолятор или корродированный разъем? Как выглядит хороший изолятор?
Затем нам пришлось объединить разрозненные данные, изображения, снятые с воздуха и с земли с использованием различных датчиков камеры, работающих под разными углами и разрешениями и снятых в различных условиях освещения.Мы увеличили контрастность и яркость некоторых изображений, чтобы попытаться привести их в единый диапазон, мы стандартизировали разрешения изображений и создали наборы изображений одного и того же объекта, снятого под разными углами. Нам также пришлось настроить наши алгоритмы, чтобы сосредоточиться на интересующем объекте в каждом изображении, например на изоляторе, а не рассматривать все изображение целиком. Для большинства этих корректировок мы использовали алгоритмы машинного обучения, работающие в искусственной нейронной сети.
Сегодня наши алгоритмы искусственного интеллекта могут распознавать повреждения или неисправности, связанные с изоляторами, соединителями, амортизаторами, полюсами, траверсами и другими конструкциями, а также выделять проблемные области для личного обслуживания.Например, он может обнаруживать то, что мы называем перекрывающимися изоляторами — повреждение из-за перегрева, вызванного чрезмерным электрическим разрядом. Он также может обнаружить износ проводов (что также вызвано перегревом линий), корродированные разъемы, повреждение деревянных опор и траверс и многие другие проблемы.
Разработка алгоритмов для анализа оборудования энергосистемы требовала определения того, как именно выглядят поврежденные компоненты под разными углами в разных условиях освещения.Здесь программное обеспечение отмечает проблемы с оборудованием, используемым для уменьшения вибрации, вызванной ветром. Buzz Solutions
Но одна из самых важных проблем, особенно в Калифорнии, заключается в том, чтобы наш ИИ распознал, где и когда растительность растет слишком близко к высоковольтным линиям электропередачи, особенно в сочетании с неисправными компонентами, что является опасным сочетанием в стране пожаров.
Сегодня наша система может обрабатывать десятки тысяч изображений и выявлять проблемы за часы и дни, по сравнению с месяцами для ручного анализа.Это огромная помощь коммунальным предприятиям, пытающимся поддерживать инфраструктуру электроснабжения.
Но ИИ хорош не только для анализа изображений. Он может предсказывать будущее, глядя на закономерности в данных с течением времени. ИИ уже делает это, чтобы предсказывать погодные условия, рост компаний и вероятность возникновения болезней — это лишь несколько примеров.
Мы полагаем, что ИИ сможет предоставить аналогичные инструменты прогнозирования для электроэнергетических компаний, упреждая сбои и отмечая области, где эти сбои потенциально могут вызвать лесные пожары.Мы разрабатываем систему для этого в сотрудничестве с отраслевыми и энергетическими партнерами.
Мы используем исторические данные инспекций линий электропередач в сочетании с историческими погодными условиями для соответствующего региона и передаем их в наши системы машинного обучения. Мы просим наши системы машинного обучения найти закономерности, относящиеся к сломанным или поврежденным компонентам, здоровым компонентам и заросшей растительности вокруг линий, наряду с погодными условиями, связанными со всем этим, и использовать эти закономерности для прогнозирования будущего состояния источника питания. линии или электрические компоненты и растительность вокруг них.
Программное обеспечение PowerAI от компании
Buzz Solutions анализирует изображения энергетической инфраструктуры для выявления текущих проблем и прогнозирования будущих
Прямо сейчас наши алгоритмы могут предсказать на шесть месяцев вперед, что, например, существует вероятность повреждения пяти изоляторов в определенной области, наряду с высокой вероятностью зарастания растительности вблизи линии в то время, что в совокупности создает риск возникновения пожара.
Сейчас мы используем эту систему прогнозирующего обнаружения неисправностей в пилотных программах с несколькими крупными коммунальными предприятиями — одним в Нью-Йорке, одним в регионе Новой Англии и одним в Канаде.С тех пор, как мы начали наши пилотные проекты в декабре 2019 года, мы проанализировали около 3500 электрических опор. Мы обнаружили среди примерно 19 000 исправных электрических компонентов 5 500 неисправных, которые могли привести к отключению электроэнергии или искрообразованию. (У нас нет данных о произведенных ремонтах или заменах.)
Куда мы отправимся отсюда? Чтобы выйти за рамки этих пилотных проектов и более широко развернуть прогнозирующий ИИ, нам потребуется огромный объем данных, собранных с течением времени и в разных географических регионах. Это требует работы с несколькими энергетическими компаниями, сотрудничества с их группами по инспекции, техническому обслуживанию и управлению растительностью.У крупных энергетических компаний США есть бюджеты и ресурсы для сбора данных в таком большом масштабе с помощью программ инспекций с помощью дронов и авиации. Но небольшие коммунальные предприятия также получают возможность собирать больше данных, поскольку стоимость дронов падает. Чтобы сделать такие инструменты, как наш, широко полезными, потребуется сотрудничество между крупными и мелкими коммунальными предприятиями, а также поставщиками дронов и сенсорных технологий.
Перенесемся в октябрь 2025 года. Нетрудно представить западный U.S ждет еще один жаркий, сухой и чрезвычайно опасный пожарный сезон, во время которого небольшая искра может привести к гигантской катастрофе. Люди, живущие в стране пожаров, стараются избегать любых действий, которые могут привести к пожару. Но в наши дни они гораздо меньше обеспокоены рисками, связанными с их электросетью, потому что несколько месяцев назад пришли коммунальные работники, которые ремонтировали и заменяли неисправные изоляторы, трансформаторы и другие электрические компоненты и подрезали деревья, даже те, которые еще не были дойти до линий электропередач.Некоторые спрашивали рабочих, почему такая активность.
No related posts.

Аккумулятор SOLITE CMF 85D23L

Аккумуляторы Solite « Аккумуляторы от профессионалов

Солнечно аккумуляторная батарея: виды и основные характеристики

Преимущества в использовании аккумуляторных батарей

Солнечно аккумуляторная батарея: основные критерии подбора оптимального варианта

Солнечно аккумуляторная батарея: тип и марка

Вес

Разновидности и определяющие показатели работы

Системы и цепи аккумуляторов для улучшения рабочих емкостей

Гелевые аккумуляторы

Батареи со встроенными элементами питания

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Что сохраняется в файле cookie?

Расплавленные соли — обзор

Заключение

Границы | Влияние концентрации литиевой соли на структурные и транспортные свойства ионных жидких электролитов

Введение

Материалы и методы

Экспериментальная

Детали моделирования

Результаты и обсуждения

Физико-химические свойства

Транспортная недвижимость

Структурный анализ

Координационная структура

Время пребывания

Выводы

Заявление о доступности данных

Авторские взносы

Финансирование

Конфликт интересов

Дополнительные материалы

Список литературы

Smart Grid Battery: Аккумулятор на расплавленной соли

Цены

Привлекательная альтернатива

Натрий-серная батарея

Исследования

Примеры из практики

1. Япония

2.Aquion Energy

3. Амбри

Подробнее

Возможности опреснения (снабжения пресной водой)

Реактор на расплавленной соли

Обзор компаний по производству соляных батарей и стартапов

General Electric

Younicos

Обзор новейших систем хранения энергии

Перспективные системы

Вы это видели?

BetterWorldSolutions поможет вам найти квалифицированных потенциальных клиентов и партнеров по продажам по всему миру.

Аноды из неупорядоченной каменной соли и переходного металла — Разработка батарей будущего

Неупорядоченная каменная соль

Оксиды переходных металлов

QuantumScape станет публичной

Роль внутренней сольватационной оболочки в комплексах соль-растворитель в настройке межфазных границ электрод / электролит для литий-металлических батарей

Результаты и обсуждение

Li / Электролит Interphase.

Межфазный катод / электролит.

Моделирование электролитных систем.

Материалы и методы

Материалы.

Приготовление электролита.

Электрохимические испытания.

Характеристики.

Детали моделирования.

Натрий-ионные батареи готовы к использованию в крупномасштабных литий-ионных приложениях

Можно ли использовать ноутбук без батареи при питании от сети: как включить, можно ли пользоваться

Аккумулятор автофан отзывы владельцев: что это и чем он известен

Добавить комментарий Отменить ответ