Математическая модель открывает перспективы создания батарей следующего поколения
Для батарей главными качествами являются мощность, легкий вес и быстрота зарядки. Более перспективными в этом смысле являются литий-металлические батареи, в отличии от литий-ионных. Но их конструкция требует определенной доработки. Ученые Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде выбрали математическую модель как основу решения данной проблемы. Основой служит наличие дендритов, особых наростов, образующихся внутри …
Математическая модель открывает перспективы создания батарей следующего поколения Читать полностью »
The post Математическая модель открывает перспективы создания батарей следующего поколения first appeared on Новости науки.
Для батарей главными качествами являются мощность, легкий вес и быстрота зарядки. Более перспективными в этом смысле являются литий-металлические батареи, в отличии от литий-ионных. Но их конструкция требует определенной доработки. Ученые Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде выбрали математическую модель как основу решения данной проблемы.
Основой служит наличие дендритов, особых наростов, образующихся внутри аккумулятора вследствие процесса осаждения лития в ходе циклов зарядки и разрядки. При соединении анода и катода, наросты могут приводить к перегреву или короткому замыканию, а также провоцировать потерю эффективности, если достигают больших размеров. В настоящее время именно образование дендритов тормозит коммерческий прогресс литий-металлических батарей. Лабораторные исследования в этой области занимают много времени и имеют достаточно разрозненные результаты, которые к тому же достаточно сложно поддаются интерпретации.
Исследователи приняли решение и детальной проработке теоретического аспекта. Работа велась над математической моделью, в основе которой лежат физические и химические характеристики, способствующие отложению дендритов. Итоги исследований широко представлены в журнале Journal of the electrochemical society.
Даниель Тартаковский, профессор инженерии энергетических ресурсов в Стэнфорде отмечает, что основная масса исследований была направлена на изучение материалов и экспериментов по работе со сложными аккумуляторными системами. Вейю возглавил перспективное направление по разработке теории на основе математических расчетов, которых до сегодняшнего времени не было. Созданная модель дает представление о механизмах, действующих внутри литиево- металлического накопителя, об особенностях внутренних электрических полей и переносе ионов лития посредством состава электролита.
Основной целью созданной модели является предоставление теоретических основ для осуществления целевых экспериментальных разработок, вследствие которых будет реализована на практике возможность увеличения продолжительности эксплуатации батарей. Соавтор исследования, Хамди Тчелепи, особо подчеркнул важность полученных данных для продолжения плодотворной работы по разработке устройств с заданным функционалом, что позволит сократить время на экспериментальные вариации.
Передовое исследование, проведенное на основе математической модели, дало массу интересных фактов, которые лягут в основу более результативных экспериментов. Тчелепи также определил важность конкретных деталей и среды формирования дендритов, а самое главное, возможности для подавления и контроля их роста. Анизотропные материалы открывают безграничные возможности в развитии батарей будущего. Первая модель, разработанная учеными, делает акцент на использовании инновационных анизотропных электролитов, способных приостановить или прекратить полностью рост дендритов. Электролит выступает в качестве проводящего вещества для свободного передвижения ионов между парой электродов батареи.
Свойства анизотропных материалов обусловлено их направлением. Одним из представителей таких материалов является древесина, которая более прочная по направлению волокон, которые визуально видно, как линии. Анизотропные электролиты по мнению ученых математиков Стэнфордсткой школы наук о Земле, энергии и окружающей среде, могут направлять движение ионов таким образом, чтобы исключить образование дендритов. Такими же свойствами обладают некоторые жидкие кристаллы или гели. Анизотропные материалы могут быть широко использованы и в мембранах. Одним из вариантов предотвращения соприкосновения электродов и короткого замыкания от дендритов является установка защитной мембраны. Сепараторы с порами также могут быть достаточно востребованы при обеспечении анизотропного потока ионов.
Остается только ждать, когда прогрессивные теоретические выводы экспериментально подтвердятся и найдут практическое применение. Но ученые не теряют времени, работая над созданием виртуальной модели батареи, называемой «цифровым аватаром системы ионно-металлической батареи». Даниэль Тартаковский подтверждает перспективы создания более совершенных устройств хранения энергии.
The post Математическая модель открывает перспективы создания батарей следующего поколения first appeared on Новости науки.