закрыть
Выберите сайт
глобальный
Социальные средства массовой информации
Просмотры:2361 Автор:Pедактор сайта Время публикации: 2026-11-09 Происхождение:Работает
Поверхностно-активные вещества могут изменять кристаллическую морфологию оксидов металлов, ингибировать выделение водорода, подавлять рост дендритов, уменьшать коррозию и задерживать пассивацию электродов. Эмульсии, приготовленные с использованием поверхностно-активных веществ, могут действовать как «микрореакторы» и предотвращать агломерацию наночастиц.
В этой статье рассматривается прогресс исследований, касающихся использования поверхностно-активных веществ при подготовке материалов для аккумуляторов и переработке отработанных аккумуляторов. В условиях истощения мировых энергетических ресурсов и ухудшения состояния окружающей среды развитие экологически чистой новой энергетики привлекло всеобщее внимание, где новые энергетические материалы играют важную направляющую и вспомогательную роль. Материалы для аккумуляторов в основном включают катоды, аноды, электролиты и сепараторы, которые являются важными компонентами для хранения и подачи электрической энергии.
В настоящее время материалы для аккумуляторов имеют тенденцию к наноразмерам. Наноматериалы обладают уникальной микроскопической морфологией, высокой способностью к интеркаляции лития, высокой плотностью энергии и длительным сроком службы. Однако критические задачи, такие как контроль агломерации и размера наночастиц, улучшение ограниченной площади контакта между материалами электродов и электролитами и усиление ингибирования электролитной коррозии, требуют использования поверхностно-активных веществ.
Молекулы ПАВ состоят из гидрофобных и гидрофильных групп. В растворе они могут самособираться в упорядоченные агрегаты, такие как мицеллы, обратные мицеллы и везикулы, которые служат «микрореакторами» для приготовления наночастиц. Поверхностно-активные вещества также могут вызывать направленное выравнивание носителей, предотвращая агломерацию наночастиц, контролируя размер частиц и улучшая электрохимические характеристики электрода. Поверхностно-активные вещества продемонстрировали жизненно важную полезность при изготовлении аккумуляторных катализаторов, синтезе электродных материалов, действии в качестве ингибиторов коррозии и переработке отработанных батарей.
Поверхностно-активные вещества играют важную роль в производстве катализаторов топливных элементов с ионообменными мембранами, прежде всего микроэмульсионными методами. Микроэмульсионные системы делятся на нормальные мицеллярные и обращенно-мицеллярные системы:
Обычные мицеллярные микроэмульсионные системы : их основными недостатками являются сложность отделения и очистки частиц от микроэмульсии и большой расход реагентов при обработке.
Обратный мицеллярный метод . При использовании для приготовления электрокатализаторов для топливных элементов с протонообменной мембраной (PEMFC) частицы, синтезированные с помощью этого метода, менее склонны к агломерации, имеют контролируемый размер и обеспечивают хорошую диспергируемость по сравнению с другими химическими методами. Благодаря простоте оборудования и требований к обработке, это многообещающий метод приготовления наночастиц.
К основным функциям ПАВ при получении наночастиц методом обращенных мицелл относятся:
Формирование обратных мицеллярных систем для контроля размеров частиц;
Уменьшение агломерации частиц;
Управление формой частиц, морфологией кристаллов и соответствующими свойствами.
Поверхностно-активные вещества, используемые в настоящее время при приготовлении электродных материалов, в основном включают ЦТАБ, 2-этилгексилсульфосукцинат натрия, этоксилат нонилфенола (NPE), триблок-сополимер этиленоксида (ЭО) и пропиленоксида (ПО) EO100PO70EO100, P123 (EO20PO70EO20 EO 20PO 70EO 20) , PEO600, Tween-80, Span, Triton. X-100, моноолеат сорбитана, SDBS, SDS, циклогексан, четвертичные фторалкиламмониевые соли, олеиновая кислота и 4-стиролсульфонат натрия.
Общие методы приготовления включают фазовый перенос, осаждение, самосборку, шаблонизацию и золь-гель методы.
С помощью SDBS, CTAB, Triton X-100 и Brij56 [C16H33(OCH2CH2)8H C 16H 33( OCH 2CH 2) 8 H ] можно синтезировать 2MnO2 MnO с различной структурой и электрохимическими свойствами:
MnO2 MnO 2 , приготовленный с использованием SDBS в качестве шаблона, снижает эффективность циклической зарядки батареи;
CTAB лишь незначительно повышает эффективность езды на велосипеде;
Triton X-100 обеспечивает хорошую пропускную способность и циклическую стабильность;
Использование Brij56 в качестве добавки к электролиту при электроосаждении позволяет получить наноразмерные катодные материалы MnO2 MnO 2 с отличными циклическими характеристиками и высокой разрядной емкостью.
P123, 4-стиролсульфонат натрия, CTAB и расплавленная смесь олеиновой кислоты и керосина могут быть применены для приготовления катодных материалов литиевой батареи:
Шаблон P123 : LiCoO2 Электроды LiCoO 2 , приготовленные золь-гель-методом, демонстрируют хорошие циклические характеристики, простую обработку и низкую стоимость.
Шаблон 4-стиролсульфоната натрия : использование FeCl3 FeCl 3 в качестве окислителя позволяет получить композитный материал сера-полипиррол (S-PPy). При использовании в качестве катода в батареях Li/S-PPy разрядная емкость и цикличность значительно улучшаются.
Шаблон CTAB : Гидротермически приготовленные катодные материалы LiFePO4 LiFePO 4 демонстрируют повышенную разрядную емкость, снижение стоимости и меньшую токсичность.
Расплавленная смесь олеиновой кислоты и керосина : LiFePO4 LiFePO 4 в сочетании с наноразмерным композитом TiO2 TiO 2/ графит образует композитный электрод LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO 2 . По сравнению с обычными литиевыми батареями они обладают более низкой плотностью энергии, но практически не теряют емкости в течение 700 циклов, достигают эффективности по току до 100% и обеспечивают долговечность, низкую стоимость и высокую безопасность.
Эти результаты показывают, что поверхностно-активные вещества играют значительную роль в подготовке катодных материалов, при этом система поверхностно-активных веществ из расплавленной смеси олеиновой кислоты и керосина обеспечивает особенно высокие характеристики 4композитного электрода LiFePO4/TiO2 LiFePO 2/ TiO .
Поверхностно-активные вещества не только контролируют размер частиц и способствуют упорядоченному расположению кристаллов, но также регулируют пористость, тем самым улучшая электрические свойства получаемых электродов:
Улагаппан и др. впервые синтезировал мезопористые материалы на основе олова (диаметр пор 3,2 нм), используя в качестве матрицы катионное поверхностно-активное вещество 2-этилгексилсульфосукцинат натрия.
Поверхности CuO CuO , модифицированные ПАВ ЦТАБ, имеют упорядоченную игольчатую кристаллическую структуру, увеличивающую площадь контакта между CuO CuO и электролитом. Регулировка дозировки CTAB может контролировать пористость олово-фосфатных материалов и улучшить циклическую работу батареи.
Композитные поверхностно-активные вещества обеспечивают синергетический эффект ингибирования коррозии. Контроль размеров частиц Cu-Sn с помощью соотношений Triton X-100 и н-гексанола позволяет получить наночастицы Cu-Sn, которые при сборке в аноды литий-ионных аккумуляторов демонстрируют более высокую циклическую емкость и обратимую удельную емкость.
Сочетание неионогенных ПАВ, содержащих полиоксиэтиленовые группы, с добавками гидроксида индия существенно подавляет саморазряд аккумуляторов и одновременно улучшает электрохимические характеристики перезаряжаемых щелочных цинк-марганцевых аккумуляторов.
Наноразмерные композиты диоксид олова/углерод и композиты оксид/углерод на основе олова, приготовленные в растворе P123-этанол, демонстрируют превосходные характеристики при циклическом использовании по сравнению с обычными наноразмерными материалами на основе олова при использовании в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов.
Саморазряд цинкового электрода щелочных цинк-марганцевых аккумуляторов является основным фактором, ограничивающим срок службы аккумуляторов. Традиционно для подавления саморазряда использовались ртуть или соли ртути. Однако ртуть высокотоксична, опасна для окружающей среды и ускоряет деформацию цинковых электродов. Следовательно, устранение или замена токсичной ртути имеет важное значение.
Текущие инициативы по безртутному производству щелочных цинк-марганцевых батарей сосредоточены на двух подходах: добавлении ингибиторов коррозии в электролит или их введении непосредственно в цинковый анод. Оцениваемые добавки включают неорганические ингибиторы и органические ингибиторы, заменяющие ртуть, а органические альтернативы в основном состоят из антикоррозионных поверхностно-активных веществ:
Оценка 6 поверхностно-активных веществ с различными гидрофильными цепями на предмет их эффективности ингибирования цинка в растворе КОН показала, что фосфат децил(окта)оксиэтиленового эфира калия снижает выделение водорода из цинкового порошка на 70,6%, достигая эффективности ингибирования 78,7%.
Поскольку отдельные добавки редко обеспечивают значительные общие электрохимические улучшения, исследования сосредоточены на высокоэффективных смесях поверхностно-активных веществ:
Сравнение органических добавок YLZX (бромид алкилтриметиламмония с C12–C16 C 12–C алкильными 16 цепями ), YZ (смесь алкилфенолэтоксилата и алкилэтоксисульфата с C10–C17 C 10–C алкильными цепями), этоксилат лаурилового спирта , 17 смешанный с алкилэтоксисульфатом, ПЭО400, ДСН и Твин-20 показало, что YLZX и YZ заметно подавляет выделение водорода и образование дендритов без ущерба для разрядных характеристик цинкового электрода.
Композитная система SDBS и Tween-20 демонстрирует превосходное ингибирование коррозии, замедленную пассивацию и явную синергию, значительно увеличивая разрядную емкость цинкового электрода и достигая эффективности ингибирования 83,26% при оптимальных соотношениях смеси.
Хотя большинство исследований сосредоточено на добавлении ингибиторов в электролиты, меньше исследований исследуют добавление непосредственно в материалы электродов. Текущие исследования по добавлению SDBS и CTAB в цинковый порошок показывают, что одновременное добавление повышает эффективность заряда-разряда аккумулятора, сохранение емкости и срок службы. Однако органические ингибиторы, добавленные в анод, хотя и снижают саморазряд в цинк-никелевых батареях, они все же не в полной мере отвечают коммерческим требованиям.
Поверхностно-активные вещества образуют эмульсии, которые улучшают скорость транспорта конкретных металлов:
Для отделения и концентрирования ионов кадмия из отработанных никель-кадмиевых аккумуляторов использовалась эмульсионная жидкая мембрана, состоящая из керосина, ПАВ (Спан-80), носителя и внутреннего водного раствора аммиака. В эксперименте по масштабированию реактора емкостью 100 л скорость миграции кадмия достигла 93,3%, а миграция никеля составила только 14,6%, что позволило обеспечить эффективное разделение ионов кадмия и никеля.
Поверхностно-активные вещества также могут снизить энергию активации межфазных реакций между углеродом и оксидом марганца, что существенно влияет на скорость восстановления. После того, как отработанные батареи сортируются, измельчаются и просеиваются, диоксид марганца гранулируется с углеродным восстановителем, спекается и восстанавливается в индукционной печи для производства марганцевой стали. Результаты экспериментов показывают, что этот процесс может быть непосредственно применен при производстве литой стали для переработки отработанных батарей.
Поверхностно-активные вещества выполняют жизненно важные функции в аккумуляторных системах: изменяют кристаллическую морфологию оксидов металлов, подавляют выделение водорода и рост дендритов, обеспечивают ингибирование коррозии и образуют эмульсии, которые действуют как «микрореакторы» для предотвращения агломерации. Используемые поверхностно-активные вещества включают анионные, катионные, неионные и специальные поверхностно-активные вещества в топливных элементах с протонообменной мембраной, литий-ионных, щелочных цинк-марганцевых, цинк-воздушных и никель-кадмиевых батареях. Композитный электрод, приготовленный с использованием системы поверхностно-активных веществ из расплавленной смеси олеиновой кислоты и керосина, представляет собой благоприятный путь. Нано-аноды литий-ионных аккумуляторов, приготовленные из растворов этанола, содержащих P123, демонстрируют превосходные характеристики при циклическом использовании, хотя технические проблемы остаются.
Хотя поверхностно-активные вещества улучшают циклическую работу электродов и эффективность заряда-разряда, до полной практической реализации остаются пробелы; например, эффективность заряда-разряда многих электродов не превышает 99,5%. При переработке аккумуляторов использование поверхностно-активных веществ остается ограниченным. Поверхностно-активные вещества по своей сути могут действовать как коллекторы, депрессанты и пенообразователи, а это означает, что методы флотации полностью пригодны для разделения металлов во время переработки аккумуляторов — области, где поверхностно-активные вещества могут играть более важную роль.
Более того, существующие исследования в значительной степени полагаются на традиционные поверхностно-активные вещества с относительно высокой стоимостью, в то время как исследования новых поверхностно-активных веществ остаются недостаточными. Электрохимические характеристики новых поликарбоксилатов, нафталина и биоповерхностно-активных веществ с сильными дисперсионными характеристиками в материалах аккумуляторов остаются в значительной степени неисследованными.
