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Séparateur bactérien à base de cellulose dans les batteries lithium-soufre

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Séparateur bactérien à base de cellulose dans les batteries lithium-soufre

Une équipe de chercheurs a récemment publié un article de recherche dans la revue Interfaces matérielles avancées qui a démontré les caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose bactérienne (BC) dans les applications de batteries au lithium-soufre (Li-S).

Stady : Comprendre les caractéristiques utiles d’un séparateur bactérien à base de cellulose dans une batterie Li-S. Crédit d’image : RESTOCK images / Shutterstock.com

Contexte

Les batteries Li-S ont reçu beaucoup d’attention en tant que systèmes de stockage d’énergie de nouvelle génération en raison de leur respect de l’environnement et de leur haute densité énergétique. Le séparateur est l’un des composants essentiels des batteries Li-S qui affecte les performances de la batterie, car il sépare l’anode et la cathode et empêche un court-circuit dans la batterie.

Le séparateur affecte l’homogénéité entre l’électrolyte et l’électrode et le transfert d’ions entre les électrodes. Les séparateurs en polypropylène (PP) et en polyéthylène (PE) sont largement utilisés comme séparateurs de batterie. Cependant, ces séparateurs présentent une faible sélectivité pour le transport des ions et une mauvaise compatibilité avec l’anode Li, ce qui les rend moins adaptés aux applications de batterie Li-S.

La cellulose, une ressource abondante, naturelle et renouvelable, est une alternative appropriée aux séparateurs traditionnels en polyoléfine utilisés dans diverses batteries secondaires en raison de sa grande résistance mécanique et de sa stabilité thermique élevée, garantissant des performances de sécurité accrues.

Les groupes hydroxyle de la cellulose facilitent la régulation du transport des ions dans la batterie. Les cellules utilisant des masques à base de cellulose comme séparateurs ont montré une forme d’anode Li uniforme et des performances de charge-décharge exceptionnelles sur 200 h. De plus, les séparateurs de cellulose nanoporeuse ont montré des performances sans dendrites pendant 500 h.

Bien que plusieurs études aient démontré les performances exceptionnelles des batteries utilisant différents séparateurs à base de cellulose, le manque de compréhension détaillée des diverses caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose, en particulier des séparateurs à base de BC, dans les batteries Li-S entrave l’utilisation généralisée de ces derniers. entretoises.

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Images SEM de la surface et de la coupe transversale de BC-1 a, b) aérogel et c, d) espaceur PP.  e) Adsorption de N2 - adsorption isotherme de différents aérogels BC.  f) Capacités de stockage d'électrolyte des séparateurs PP et BC.  g) Stabilité thermique de différents séparateurs à différentes températures.

Images SEM de la surface et de la coupe transversale du BC-1 Pére) aérogel et grand-père) Séparateur PP. e) n2 adsorption – adsorption isotherme de différents aérogels BC. F) Capacités de stockage d’électrolyte des séparateurs PP et BC. g) Stabilité thermique de différents joints sous différentes températures. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés

l’étude

Dans cette étude, les chercheurs ont préparé des modèles de séparateurs BC de différentes épaisseurs et les ont comparés avec des séparateurs PP en termes de performances électrochimiques. Le but de l’étude était de confirmer la capacité des séparateurs à base de cellulose à améliorer les performances de la batterie Li-S en régulant le lithium-ion (Li+) dépôt sur l’anode et régulation du mouvement des espèces ioniques, telles que Li+ et les polysulfures de lithium (LiPS).

L’hydrogel BC, l’hydroxyde de sodium et le sulfure de lithium ont été utilisés comme matières premières. L’épaisseur du séparateur BC a été contrôlée dans le processus de fermentation microbienne. Dans ce processus, un milieu nutritif aqueux commun a été utilisé pour faire pousser des bactéries, puis le BC a été produit sous forme de polysaccharide exogène à l’interface milieu/air.

Un gel épais, appelé pellicule, constitué de 99% d’eau et d’un réseau interconnecté BC poreux tridimensionnel (3D) a été obtenu. Ensuite, la protéine dans l’hydrogel BC a été éluée en la trempant dans une solution de NaOH à 5% et en la chauffant à 80 sC pendant plusieurs heures, puis finalement lavé avec de l’eau déminéralisée.

L’hydrogel BC purifié résultant a été stocké dans une solution aqueuse à 4 sC puis lyophilisé pendant 24 heures à 10-6 bar pression f −52 sTempérature C pour obtenir l’aérogel BC. Enfin, l’aérogel BC a été découpé en disques de 19 mm sous forme d’entretoises de cinq, trois et un mm d’épaisseur et identifiés respectivement par BC-5, BC-3 et BC-1.

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La diffraction des rayons X, la microscopie électronique à balayage, la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie électronique aux rayons X ont été réalisées pour caractériser les échantillons composites. Les changements dans les dimensions des joints à différentes températures ont été enregistrés pour mesurer leur stabilité thermique.

Les chercheurs ont évalué le taux d’absorption de l’électrolyte, la capacité de stockage de l’électrolyte et la porosité du séparateur. Le package de simulation ab initio de Vienne a été utilisé pour effectuer une simulation théorique des énergies de liaison. Les chercheurs ont également effectué des mesures électrochimiques sur des échantillons d’espaceurs BC préparés et des tests de navette optique en polysulfure.

a) Profils de tension des cellules au lithium homologues avec PP et BC-1.  Images SEM de la surface d'une anode de lithium arrondie (après 680 h) dans une cellule homologue avec b) PP ou c) BC-1.  Spectres XPS haute résolution d'une surface d'anode de lithium arrondie dans une cellule homologue à d) PP ou e) BC-1.

une) Profils de tension des cellules au lithium homologues avec PP et BC-1. Images SEM de la surface d’une anode de lithium arrondie (après 680 h) dans une cellule homologue avec b) PP ou c) BC-1. Spectres XPS haute résolution d’une surface d’anode de lithium arrondie dans une cellule homologue à d) PP ou e) BC-1. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés

Remarques

Des séparateurs BC d’épaisseurs variables ont été fabriqués avec succès. Les séparateurs BC ont montré une meilleure absorption de l’électricité et une meilleure mouillabilité par rapport aux séparateurs PP commerciaux en raison de l’abondance de groupes hydroxyle et de la porosité élevée, ce qui a entraîné une amélioration de Li+ amélioration de la portabilité et de la compatibilité des interfaces.

Les séparateurs empêchent également la formation de dendrites de Li, ce qui conduit à un dépôt uniforme de Li sur l’anode. De plus, les séparateurs ont montré une stabilité thermique élevée, ce qui a permis d’améliorer les performances de sécurité de la batterie. De plus, les groupes fonctionnels oxygène BC ont supprimé la transition des polysulfures solubles par une adsorption efficace des polysulfures par le biais d’interactions électrostatiques.

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a) des courants navettes d'intervalles différents ;  b) Les taux de décroissance du courant navette sont calculés après que le courant à l'état d'équilibre d'une cellule lithium-soufre est atteint.  Les équations algébriques expriment le taux de décroissance.

une) courants de navette pour différentes entretoises ; B) Les taux de décroissance du courant navette sont calculés après que le courant à l’état stable de la cellule lithium-soufre est atteint. Les équations algébriques expriment le taux de décroissance. Crédit image : Li, J et al., Interfaces de matériaux avancés

La cellule réplique avec séparateur BC a montré des performances électrochimiques sûres pendant 680 h en raison de la formation d’oxyde de lithium (Li2O) de cellulose et d’une fibre squelette métallique tridimensionnelle. La relation quantitative entre la perte d’amplitude et les propriétés physiques du séparateur a été décrite avec succès en optimisant le modèle mathématique. La cellulose a joué un rôle unique dans le processus de transport de masse LiPS.

Pour résumer, les résultats de cette étude clarifient la faisabilité de l’utilisation des séparateurs BC comme matériau de batterie approprié pour les batteries Li-S à haute densité d’énergie et autres batteries Li-métal et valident l’hypothèse sur les caractéristiques bénéfiques des séparateurs à base de cellulose pour Li-S. applications de batterie.

À l’avenir, les connaissances acquises dans cette étude sur les caractéristiques utiles des séparateurs BC pourraient fournir une base théorique pour la conception de séparateurs fonctionnels BC pour les batteries.

références

Li, J., Li, Y., Li, Z., et d’autres. (2022) Comprendre les caractéristiques utiles d’un séparateur bactérien à base de cellulose dans une batterie Li-S. Interfaces matérielles avancées. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admi.202201730

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

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Ingénieur – Des « mégaclusters » de satellites pourraient mettre en péril la reconstitution du trou d’ozone

Le Protocole de Montréal de 1987 a réglementé avec succès les CFC nocifs pour la couche d’ozone afin de protéger la couche d’ozone, réduisant ainsi le trou d’ozone au-dessus de l’Antarctique, et une reprise est attendue dans les 50 prochaines années.

Cependant, de nouvelles recherches de Université de Californie du Sud Ecole d’Ingénieurs de Viterbi Il a montré que ces oxydes ont été multipliés par huit entre 2016 et 2022 et continueront de s’accumuler à mesure que le nombre de satellites en orbite terrestre basse (LEO) augmentera, mettant ainsi la couche d’ozone en danger dans les décennies à venir.

Les chercheurs ont expliqué que sur 8 100 objets en orbite terrestre basse, 6 000 sont des satellites Starlink lancés au cours des dernières années et que la demande d’une couverture Internet mondiale entraîne une augmentation rapide du lancement d’essaims de petits satellites de communication.

SpaceX est le leader de ce projet, avec l’autorisation de lancer 12 000 satellites Starlink supplémentaires et jusqu’à 42 000 satellites prévus. Amazon et d’autres sociétés dans le monde envisagent également de créer des constellations allant de 3 000 à 13 000 satellites, ajoutent les auteurs de l’étude.

Les satellites Internet ont une durée de vie d’environ cinq ans seulement, les entreprises doivent donc lancer des satellites de remplacement pour maintenir le service Internet, ce qui poursuit un cycle d’obsolescence programmée et de contamination imprévue, ont indiqué les chercheurs.

Les oxydes d’aluminium déclenchent des réactions chimiques qui détruisent l’ozone stratosphérique, qui protège la Terre des rayons ultraviolets. Les oxydes ne réagissent pas chimiquement avec les molécules d’ozone, mais conduisent plutôt à des réactions destructrices entre l’ozone et le chlore, conduisant à l’appauvrissement de la couche d’ozone.

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Étant donné que les oxydes d’aluminium ne sont pas consommés dans ces réactions chimiques, ils peuvent continuer à détruire molécule après molécule d’ozone pendant des décennies à mesure qu’ils dérivent dans la stratosphère, ont indiqué les chercheurs.

« Ce n’est que ces dernières années que les gens ont commencé à penser que cela pourrait devenir un problème », a déclaré Joseph Wang, chercheur en astronautique à l’Université de Californie du Sud et auteur correspondant de l’étude, dans un communiqué. « Nous avons été l’une des premières équipes à considérer les implications de ces faits. »

Puisqu’il est impossible de collecter des données sur des engins spatiaux en feu, des études antérieures ont utilisé des analyses de micrométéorites pour estimer la contamination potentielle. Cependant, les chercheurs ont indiqué que les micrométéorites contiennent très peu d’aluminium, un métal qui représente 15 à 40 % de la masse de la plupart des satellites. Ces estimations ne s’appliquent donc pas bien aux nouveaux satellites.

Au lieu de cela, les chercheurs ont modélisé la composition chimique et les liaisons au sein des matériaux satellites lors de leurs interactions aux niveaux moléculaire et atomique. Les résultats ont permis aux chercheurs de comprendre comment la matière change avec différents apports d’énergie.

L’étude a été financée par NASAIl a été constaté qu’en 2022, la rentrée des satellites a augmenté la quantité d’aluminium dans l’atmosphère de 29,5 % au-dessus des niveaux normaux.

La modélisation a montré qu’un satellite typique de 250 kg avec 30 pour cent de sa masse d’aluminium générerait environ 30 kg de nanoparticules d’oxyde d’aluminium (taille de 1 à 100 nanomètres) lors de la rentrée. La plupart de ces particules sont générées dans la mésosphère, entre 50 et 85 kilomètres (30 à 50 miles) au-dessus de la surface de la Terre.

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L’équipe a ensuite calculé que, en fonction de la taille des particules, il faudrait jusqu’à 30 ans pour que les oxydes d’aluminium dérivent jusqu’aux hauteurs stratosphériques, où se trouvent 90 % de l’ozone troposphérique.

Les chercheurs estiment qu’au moment où les constellations de satellites actuellement prévues seront achevées, 912 tonnes d’aluminium tomberont sur Terre chaque année. Cela libérerait environ 360 tonnes d’oxydes d’aluminium par an dans l’atmosphère, soit une augmentation de 646 % par rapport aux niveaux naturels.

L’étude a été publiée dans la revue en libre accès AGU Lettres de recherche géophysiqueentièrement lisible ici.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

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Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau terrestre perdait de la vitesse.

Le noyau interne a commencé à ralentir vers 2010, se déplaçant plus lentement que la surface de la Terre. Crédit : Université de Californie du Sud

Une nouvelle étude fournit des preuves claires que le noyau interne de la Terre a commencé à ralentir vers 2010.

Université de Californie du Sud Les scientifiques ont découvert que le noyau interne de la Terre ralentit par rapport à la surface de la planète, un phénomène qui a commencé vers 2010 après des décennies de tendance inverse. Ce changement majeur a été révélé par l’analyse de données sismiques détaillées provenant de tremblements de terre et d’essais nucléaires. La décélération est affectée par la dynamique du noyau externe liquide environnant et par l’attraction gravitationnelle du manteau terrestre, ce qui peut légèrement affecter la rotation de la Terre.

Dynamique du noyau interne

Des scientifiques de l’Université de Californie du Sud ont prouvé que le noyau interne de la Terre reculait – ralentissait – par rapport à la surface de la planète, comme le montre une nouvelle étude publiée le 12 juin dans la revue nature.

La communauté scientifique débat depuis longtemps du mouvement du noyau interne, certaines études suggérant qu’il tourne plus vite que la surface de la Terre. Cependant, des recherches récentes de l’Université de Californie du Sud montrent de manière concluante qu’à partir de 2010 environ, le noyau interne a ralenti et se déplace désormais à un rythme plus lent que la surface de la planète.

« Quand j’ai vu pour la première fois les sismogrammes qui faisaient allusion à ce changement, j’ai été mystifié », a déclaré John Vidal, professeur de géosciences au doyen de l’USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences. « Mais lorsque nous avons trouvé vingt autres observations pointant vers le même schéma, la conclusion était inévitable. Le noyau interne avait ralenti pour la première fois depuis plusieurs décennies. D’autres scientifiques ont récemment plaidé en faveur de modèles similaires et différents, mais notre dernière étude fournit la solution la plus convaincante. »

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Déclin et ralentissement relatifs

Le noyau interne est dans un état d’inversion et de rétraction par rapport à la surface de la planète car il se déplace légèrement plus lentement au lieu de plus vite que le manteau terrestre pour la première fois depuis environ 40 ans. Par rapport à sa vitesse des décennies précédentes, le noyau interne ralentit.

Le noyau interne est une boule solide de fer et de nickel entourée d’un noyau externe de fer et de nickel liquides. D’environ la taille de la Lune, le noyau interne se trouve à plus de 3 000 milles sous nos pieds et présente un défi pour les chercheurs : il ne peut être ni visité ni vu. Les scientifiques doivent utiliser les ondes sismiques des tremblements de terre pour créer des visualisations du mouvement du noyau interne.

Une nouvelle approche de l’approche itérative

Vidal et Wei Wang, de l’Académie chinoise des sciences, ont utilisé des formes d’onde et des tremblements de terre répétés, contrairement à d’autres recherches. Les tremblements de terre répétés sont des événements sismiques qui se produisent au même endroit pour produire des sismogrammes identiques.

Dans cette étude, les chercheurs ont compilé et analysé les données sismiques enregistrées autour des îles Sandwich du Sud à partir de 121 tremblements de terre répétés survenus entre 1991 et 2023. Ils ont également utilisé les données de deux essais nucléaires soviétiques entre 1971 et 1974, ainsi que des essais répétés français et américains. Expériences nucléaires issues d’autres études du noyau interne.

Vidal a déclaré que le ralentissement de la vitesse du noyau interne était causé par le balancement du noyau externe de fer liquide qui l’entoure, qui génère le champ magnétique terrestre, en plus des forces gravitationnelles des zones denses du manteau rocheux sus-jacent.

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Impact sur la surface de la Terre

Les effets de ce changement dans le mouvement du noyau interne de la surface terrestre ne peuvent que faire l’objet de spéculations. Vidal a déclaré que le retrait du noyau interne pourrait modifier la durée d’une journée de quelques fractions de seconde : « Il est très difficile de remarquer que, de l’ordre d’un millième de seconde, il se perd presque dans le bruit des océans. et l’ambiance. »

Les futures recherches menées par les scientifiques de l’USC espèrent tracer plus en détail le chemin du noyau interne afin de révéler exactement pourquoi il change.

« La danse intérieure du cœur est peut-être plus vibrante que ce que nous connaissons jusqu’à présent », a déclaré Vidal.

Référence : « Inner Core Retraction by Seismic Waveform Reflections » par Wei Wang, Jun E. Fidel, Guanying Pang, Keith D. Cooper et Ruyan Wang, 12 juin 2024, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-024-07536-4

Outre Vidal, les autres auteurs de l’étude comprennent Ruian Wang de l’Université de Californie du Sud Dornsife, Wei Wang de l’Académie chinoise des sciences, Guanying Pang de l’Université Cornell et Keith Cooper de l’Université de l’Utah.

Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (EAR-2041892) et l’Institut de géologie et de géophysique de l’Académie chinoise des sciences (IGGCAS-201904 et IGGCAS-202204).

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Obtenez jusqu’à 90 % de précision dans le bruit

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Obtenez jusqu’à 90 % de précision dans le bruit

Une téléportation quantique de haute précision a été réalisée par une équipe de recherche utilisant une nouvelle technologie d’intrication hybride qui résiste au bruit ambiant, avec un taux de réussite proche de 90 %. Crédit : SciTechDaily.com

Les scientifiques ont fait progresser la téléportation quantique en atténuant les interférences sonores grâce à une nouvelle méthode impliquant l’intrication hybride, atteignant une précision de près de 90 % dans la téléportation des états quantiques, ce qui pourrait considérablement améliorer la communication quantique sécurisée.

Une équipe de recherche dirigée par l’académicien Guangkan Guo de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) relevant de l’Académie chinoise des sciences (CAS), en collaboration avec l’équipe de recherche de l’Université de Turku, en Finlande, a réussi à surmonter le bruit ambiant pour atteindre ce. Téléportation quantique de haute précision utilisant l’intrication hybride en plusieurs parties. Leurs découvertes ont été récemment publiées dans la revue Avancement de la science.

Surmonter les défis de la téléportation quantique

La téléportation quantique est un protocole crucial dans les communications quantiques, permettant la téléportation d’états quantiques inconnus grâce à l’utilisation de l’intrication quantique. Cependant, en raison de la nature fragile de l’intrication quantique, la téléportation quantique est très sensible au bruit. Réaliser une téléportation quantique de haute précision dans des environnements bruyants constitue un défi urgent.

Étapes de la téléportation quantique bruyante

Étapes de téléportation quantique bruyante. Crédit : Chow-de Liu et al.

Avancées dans la gestion du bruit quantique

Auparavant, pour résoudre le problème de la décohérence des systèmes quantiques ouverts dans un environnement bruyant, l’équipe de recherche a mis au point une méthode complète de régularisation. Photon Polarisation et fréquence, tirant parti de la conception avancée du chemin optique et des dispositifs de modulation spatiale de la lumière programmables. Cette approche leur a permis de créer un simulateur quantique de décohérence de phase entièrement contrôlable et de réaliser une téléportation quantique au-delà du bruit, en utilisant des effets de mémoire non locaux.

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Nouvelles technologies en téléportation quantique

Cependant, les effets de mémoire non locale nécessitent des ressources quantiques strictes telles que l’intrication environnementale, ce qui ne peut être réalisé en général. Sur la base de ces résultats, le présent travail présente une technique de transmission quantique plus polyvalente qui atténue efficacement le bruit ambiant.

En utilisant un simulateur quantique de décohérence de phase entièrement contrôlable, les chercheurs ont introduit des modifications de phase spécifiques dans l’environnement pour établir un état initial intriqué de photons à double polarisation et fréquence. Ces photons ont ensuite été distribués à deux stations utilisateur distinctes, chacune subissant une évolution de décohérence.

Conclusion et implications

En fin de compte, grâce à la communication classique, les chercheurs ont effectué des opérations unitaires appropriées sur les qubits récupérés pour récupérer l’état quantique transmis, atteignant une précision calculée de près de 90 %. Les états de polarisation ne violent jamais l’inégalité de Bell, ce qui suggère une téléportation quantique basée sur une non-localité quantique cachée.

Cette méthode offre une nouvelle façon de surmonter le bruit ambiant, différente des techniques traditionnelles telles que la séparation dynamique et les sous-espaces sans cohérence, et fait progresser la compréhension de la non-localité quantique.

Référence : « Surmonter le bruit dans la téléportation quantique à l’aide de l’enchevêtrement hybride multipart » par Zhao De Liu, Olli Siltanen, Tom Kossila, Rui Heng Miao, Chen Shi Ning, Chuanfeng Li, Guang Kan Ju et Jyrki Bello, 1er mai 2024, Avancement de la science.
est ce que je: 10.1126/sciadv.adj3435

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