Новости химической науки > Модель воздушного шара и интервал зарядов аккумулятора

По словам исследователей из Германии и Словакии, предельное упрощение химических процессов, протекающих в химических аккумуляторах, предоставляет возможность увеличить энергетическую эффективность источников тока.

Исследователи отмечают, что предложенная модель может применяться для описания любых взаимосвязанных источников частиц – включая связанные воздушные шары с одинаковым содержимым.

До настоящего времени предполагалось, что ионы лития постоянно и одновременно заполняют «контейнеры» для заряженных частиц (сценарий 1). Сейчас исследователи уверены, что более вероятен следующий процесс миграции ионов лития – индивидуальные «контейнеры» заполняются поочередно друг за другом (сценарий 2), перемещение ионом между контейнерами приводит к потере энергии. (Рисунок из Nature Materials, 2010, DOI: 10.1038/NMAT2730)

Миран Габершек (Miran Gaberscek) из Национального Института Химии Словении говорит, что большинство людей предполагает, что при подключении нескольких воздушных шаров к одному баллону - источнику газа эти шары должны заполняться одновременно. Габершек отмечает, что подобный же подход использовался учеными для объяснения особенностей накопления заряда аккумуляторами.

Ранее полагалось, что индивидуальные частицы-контейнеры при зарядке аккумулятора заполняются ионами – переносчиками тока – постепенно, однако в группе Габершека показано, что частицы могут обмениваться своим содержимым, что, благодаря наличию в аккумуляторе миллиардов «контейнеров» приводит к неожиданным явлениям, протекающим при наполнении контейнеров и зарядке аккумуляторов.

Предположение Габершек о взаимодействии частиц-контейнеров было основано на энергетическом различии между напряжением заряжающегося и разряжающегося аккумулятора при нулевой силе тока. С одной стороны в этих условиях аккумулятор должен находиться в состоянии равновесия, с другой – различие значений напряжения опровергает существование равновесия. Для выяснения причин исследователи из группы Габершека проводили медленную зарядку и разрядку аккумуляторов на основе LiFePO₄. При измерении вольтажа аккумуляторов после двух и более дней после зарядки или разрядки наблюдалось его изменение, что позволяло предположить протекание ранее неизвестного процесса.

Для интерпретации полученных результатов и разработки теоретической модели особенностей термодинамического профиля процессов, происходящих при разрядке и зарядке аккумуляторов исследователи из Словении скооперировались с коллегами из Института Вейерштрасса (Германия). Главная цель состояла в изучении обязательного энергетического барьера, препятствующего заполнению частиц-контейнеров переносчиками заряда. Габершек отмечает, что этот барьер сродни сопротивлению эластичной стенки воздушного шара при его заполнении.

Было обнаружено, что прохождение барьера активации и полное заполнение одной частицы-контейнера выгоднее по энергии, чем частичное заполнение нескольких таких контейнеров. Частицы-контейнеры заряжаются скорее последовательно, чем одновременно. Габершек поясняет, что такая модель распределения заряда становится возможной благодаря тому, что заряд из одной частицы может передаваться на другие, при таком перемещении ионов лития энергия теряется. Исследователь из Словакии предполагает, что для предотвращения ионного обмена между частицами необходима разработка контейнеров-носителей с гомогенным профилем потенциальной энергии, ионам-переносчикам тока при этом не придется преодолевать энергетические барьеры.

Марни Вагенмейкер (Marnix Wagemaker), специалист по литий-ионным аккумуляторам из Технологического Университета Делфта (Нидерланды) отмечает, что результаты, полученные коллегами из Словакии и Германии демонстрирует, что мы еще недостаточно знаем о процессах, протекающих в литий-ионных аккумуляторах, добавляя, что несмотря на небольшое значение изменение вольтажа аккумулятора (5 мВ на аккумулятор с вольтажом 3,00 В), определение происхождения этого эффекта весьма важно.

Источник: Nature Materials, 2010, DOI: 10.1038/NMAT2730

метки статьи: #квантовая химия, #неорганическая химия, #физическая химия, #химия поверхности